水工混凝土防護涂層抗凍性試驗研究

趙東方

(鐵嶺市昌圖縣水利事務服務中心，遼寧 鐵嶺 112500)

混凝土耐久性是一項覆蓋抗?jié)B性、抗腐蝕性、抗碳化性、抗堿集料反應、抗凍性等性能的綜合指標，其中凍融破壞為北方寒區(qū)面臨的突出問題[1]。目前，將外加劑、摻合料等摻加到混凝土中是改善抗凍性的主要措施，而最直接有效的方式就是涂刷防護涂層[2]。涂刷防護涂層能夠有效控制水溶性介質侵入，在混凝土表面形成保護層減少內部發(fā)生凍融破壞概率，這既能起到抗氯離子、硫酸鹽等侵蝕又可改善混凝土的耐久性[3-6]。目前，納米復合類、聚氨酯類、疏水類、防碳化類和環(huán)氧類涂料等是工程中普遍使用的防護材料，不同材料的防護機理及其效果具有明顯差異[7-15]。因此，文章以3種防護涂料涂刷混凝土芯樣表面，通過抗凍試驗探討了不同涂層的防護效果，為提高混凝土耐久性和水工結構除險加固設計提供一定指導。

1 試驗方法

1.1 原材料準備

依據(jù)相關研究資料，本試驗對現(xiàn)場所取的混凝土芯樣表面涂刷疏水類(硅烷)、防碳化類(CPC涂料)和環(huán)氧類(環(huán)氧膠泥)，以探討各材料對試樣抗凍性的影響[16-18]。以北方寒區(qū)渾河干流某水閘工程為例，對底板C30F200級混凝土鉆芯取樣，設計尺寸高400mm×直徑100mm，并利用快速凍融法測試抗凍性能。

1.2 試驗過程

為模擬常年處于水下的水閘底板混凝土，考慮在水中完全浸沒試樣開展凍融循環(huán)試驗，以升溫歷時1.5h+降溫歷時2.5h作為一個凍融循環(huán)，按照《水工混凝土試驗規(guī)程》相關流程開展快凍法試驗[19]。采用質量損失和相對動彈性模量作為抗凍試驗考核指標，考慮到涂刷防護材料后難以測定質量損失的實際情況，以抗壓強度和相對動彈性模量損失率反映涂層防護效果。

本試驗試樣共劃分成32組，其中8組涂刷硅烷、8組涂刷防碳化涂料、8組涂刷環(huán)氧膠泥涂料和8組不做任何處理，每3個試件為一組。考慮試驗要求和目的，對各組混凝土試樣凍融25、50、75、100、125、150、175、200次，并測定相應的動彈性模量，在測量動彈性模量前應去掉與探頭接觸部位的涂層，然后將芯樣處理成高100mm、直徑100mm的試樣，并測試抗壓強度[20]。涂料涂刷之前應對試樣按照施工要求做預先處理，分3層逐步完成涂刷，依據(jù)試驗規(guī)程硅烷、防碳化和環(huán)氧膠泥的涂刷厚度分別為4mm、2mm、2mm。

2 結果與分析

2.1 動彈性模量

將各試樣的相對動彈性模量按照試驗測量結果進行計算，不同凍融循環(huán)下試樣的相對動彈性模量變化如表1。

表1 相對動彈性模量

由表1可知，各組的相對動彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減小，這是由于毛細孔中的水受凍融作用發(fā)生結冰膨脹，并進一步導致內部結構的破壞。凍融循環(huán)相同的條件下，基準組的相對動彈性模量均小于涂刷防護土料組，即涂層能夠有效控制水的滲入，對改善混凝土抗凍性發(fā)揮著積極作用。

凍融循環(huán)不超過100次情況下，涂刷疏水類、防碳化類和環(huán)氧類涂層的試件相對動彈性下降幅度較小。根據(jù)現(xiàn)場試驗情況，環(huán)氧膠泥涂層在凍融循環(huán)達到125次時產(chǎn)生裂紋，在循環(huán)次數(shù)達到150次時開始出現(xiàn)破裂；凍融循環(huán)達到100次時，混凝土芯樣與涂刷防碳化涂層分離且局部開始出現(xiàn)破裂，而涂刷硅烷材料的試樣表面局部產(chǎn)生剝離。凍融循環(huán)達到一定界限后，涂層發(fā)生破壞水逐漸滲入試樣內部，在凍融作用下加速混凝土的破壞，相對動彈性模量明顯下降。

對于不同凍融循環(huán)下各種防護材料改善混凝土的抗凍性，可以利用提高率W來衡量，其表達式為：

W=(P0-Pn)/P0×100%

(1)

式中：Pn為試樣涂刷；P0為未涂刷防護材料的相對動彈性模量，如圖1所示。具體而言，凍融循環(huán)不超過100次情況下，環(huán)氧類涂層的防護效果最優(yōu)，超過100次后試樣逐漸破裂，其防護效果明顯下降；試驗前期，硅烷涂層提升抗凍性的效果較低，但混凝土與疏水類涂層的穩(wěn)定結合保證了后期防護效果，即試驗后期仍具有較好的防水作用，在一定程度上提升試樣的抗凍性[20]。凍融循環(huán)超過200次情況下，硅烷涂層的防護效果最優(yōu)，其提高率達到51.2%，防碳化涂層的效果最差，其提高率只有26.4%，環(huán)氧膠泥涂層居中，其提高率為36.0%。

圖1 混凝土抗凍性提高率

凍融循環(huán)達到200次以后，異丁基三乙氧基硅烷涂層提升混凝土抗凍性的效果最優(yōu)，3種防護涂層中環(huán)氧膠泥的改善效果居中，防碳化涂層最差，其中防碳化涂層、環(huán)氧膠泥涂層和異丁基三乙氧基硅烷涂層的提高率分別為26.4%、36.0%、51.2%。

2.2 抗壓強度

將各試樣的抗壓強度按照試驗測量結果進行計算，不同凍融循環(huán)下試樣的抗壓強度變化如表2。

表2 抗壓強度

由表2可知，凍融循環(huán)逐漸增大試樣的抗壓強度逐步減小，在凍融循環(huán)相同情況下基準組的抗壓強度均小于涂刷防護涂層組，即防護涂層能夠有效提升試樣抗凍性[21-24]。

依據(jù)抗壓強度檢測數(shù)據(jù)，進一步計算確定抗壓強度損失率如圖2所示。

圖2 抗壓強度損失率提高率

從圖2可以看出，混凝土強度損失率隨凍融循環(huán)的增大逐漸增大，凍融循環(huán)相同情況下涂刷防護材料試件的抗壓強度損失率明顯小于未涂刷防護的試件。通過對比抗壓強度發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)不超過125次時涂刷硅烷組的強度損失率最高而超過125次時該組最小，這是由于凍融循環(huán)達到100次和125次時防碳化材料涂層、環(huán)氧膠泥材料涂層發(fā)生破裂，防護作用逐漸下降，而硅烷涂層能夠持續(xù)有效地控制水的侵入，對后期混凝土抗凍性硅烷具有明顯的提升作用。凍融循環(huán)達到200次時，較基準組涂刷硅烷防護涂層、防碳化涂料和環(huán)氧膠泥防護涂層能夠提高混凝土抗壓強度119.7%、64.8%、74.7%。

3 結 論

1)試驗前期，防碳化涂料和環(huán)氧膠泥提升試樣抗凍性效果顯著，凍融循環(huán)達到150次后涂刷環(huán)氧膠泥試件開始出現(xiàn)破裂，防護作用逐漸下降；凍融循環(huán)達到100次后涂刷防碳化涂料試樣與局部涂層分離，并逐漸發(fā)生破壞，防護作用開始降低。

2)硅烷涂層的早期防護效果較低，但混凝土與硅烷穩(wěn)定結合后逐漸發(fā)揮顯著的防護效果，即試驗后期硅烷的防水效果最佳，對于改善混凝土抗凍性具有明顯成效。

3)凍融循環(huán)達到200次后較基準組，涂刷硅烷防護涂層、防碳化涂料和環(huán)氧膠泥防護涂層能夠提高混凝土抗壓強度119.7%、64.8%、74.7%，提高相對動彈性模量51.2%、26.4%、36.0%。總體而言，對于改善混凝土抗凍性硅烷涂料的效果最佳。