水性氟碳涂料對混凝土防護(hù)作用的研究

鄭　焱，毛倩瑾，王亞麗，王子明，崔素萍

(北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100124)

隨著工程建設(shè)的發(fā)展，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題日益突出。對混凝土表面進(jìn)行涂覆處理，是提高混凝土耐久性的有效措施[1]。有機(jī)聚合物具有較好的粘接性、防水性、抗酸堿性以及較好的滲透性[2]，是目前用于建筑物保護(hù)的主要材料。隨著人們對環(huán)保的重視，水性防護(hù)涂料將取代溶劑型涂料成為今后的發(fā)展方向。其中，氟碳樹脂耐候性突出[3-5]、綜合性能優(yōu)越，硅丙乳液滲透性好，具有良好的應(yīng)用前景[6]。

本研究主要介紹水性氟碳面漆與硅丙乳液底漆結(jié)合的涂刷工藝。水性硅丙乳液的滲透性好且價(jià)格低于氟碳乳液，代替水性氟碳乳液做底漆需研究其可行性。目前沒有關(guān)于這種涂刷工藝的應(yīng)用介紹，因此系統(tǒng)研究了厚度和黏度等因素對涂層性能的影響及微觀表征2種涂層的界面結(jié)合情況。選擇幾種常用的涂刷工藝與水性硅丙乳液底漆加氟碳乳液面漆進(jìn)行對比，測試混凝土抗氯離子滲透性能，并探討了涂層與混凝土界面的結(jié)合情況對耐久性的影響，及涂層黏度、厚度等因素對涂層防護(hù)性能的影響。

1　試驗(yàn)部分

1.1　試劑與設(shè)備

試劑：水性氟碳乳液底漆、水性氟碳乳液面漆，北京富亞涂料有限公司；環(huán)氧封閉底漆，北京力龍涂料有限公司，型號LT-128；有機(jī)硅改性純丙乳液(硅丙乳液)，固含量為(48±2)%，北京市通州互益化工廠。

試驗(yàn)儀器：混凝土真空飽水機(jī)，中國建筑材料研究總院；混凝土抗氯離子滲透測試儀，中國建筑材料研究總院；SEM掃描電鏡，日本電子株式會社；涂-4黏度計(jì)，北京宏昌信科技有限公司；超聲波漆膜測厚儀，珠海天創(chuàng)儀器有限公司。

1.2　混凝土的吸水率測試[7]

試件分為2組，一組為基準(zhǔn)混凝土試件，另一組為涂刷涂料的混凝土試件。試件涂刷涂料后放置2 d，待測。測試前將所有試件在50 ℃下烘干至恒重，取出并在干燥器中冷卻至室溫，稱重M0，然后浸入水中，到一定時間稱重Mi，按式(1)計(jì)算試件的吸水率Wi。

Wi=[(Mi-M0)/M0]×100%

(1)

1.3　抗氯離子滲透試驗(yàn)

按照《GBT 50082-2009 普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中介紹的快速氯離子遷移系數(shù)法進(jìn)行測試。試驗(yàn)方法如下：分別配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaCl溶液、0.3 mol/L的NaOH溶液及飽和的Ca(OH)2溶液。顯色指示劑為0.1 mol/L的AgNO3溶液。制備φ100 mm×100 mm的混凝土試塊，從試件中部切取高度為(50±2)mm的圓柱體作為試驗(yàn)用試件，并將靠近澆筑面的試件端面作為暴露于氯離子溶液中的測試面(測試面的選擇本研究有所改動)。試驗(yàn)步驟：首先將試件從養(yǎng)護(hù)池中取出并擦干試件表面多余的水分。然后采用游標(biāo)卡尺測量試件的直徑和高度。將試件置于真空容器中進(jìn)行真空處理，過程中保持真空度小于5 kPa，時間為3 h，然后將飽和氫氧化鈣溶液注入容器，溶液高度應(yīng)保證將試件浸沒。浸沒1 h后恢復(fù)常壓，繼續(xù)浸泡(18±2) h。處理后將試塊取出吹干，將試塊安裝于氯離子滲透測試儀中。在裝有試塊的橡膠套中加入氫氧化鈉溶液，高度與測試箱中的氯化鈉溶液持平。打開電源進(jìn)行測試，測試時間24 h,施加電壓為30 V。試驗(yàn)完成后將試塊沿軸線切開，噴灑硝酸銀指示劑，測量顯色分界線與表面的距離，精確至0.1 mm，測量值占試件高度的百分?jǐn)?shù)為試塊的氯離子滲透深度。

用混凝土的內(nèi)部切面代替表面做涂層測試面。相對表面而言，混凝土的內(nèi)部在成形過程中受外界因素影響相對較少，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與可重復(fù)性更好?；炷燎忻媾c表面的抗氯離子滲透性能測試結(jié)果表明，切面作為測試面時混凝土的滲透深度高于表面的值，但試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有更好的重復(fù)性。

1.4　涂料的黏度測試

按照《GB/T1723-93涂料黏度測定法》中介紹的涂-4黏度計(jì)法進(jìn)行測試。按規(guī)定清潔、干燥黏度計(jì)，使用水平儀，調(diào)節(jié)水平螺釘，使黏度計(jì)處于水平位置。在黏度計(jì)漏嘴下放置150 mL搪瓷杯。用手指堵住漏嘴，將試劑倒?jié)M黏度計(jì)中，用玻璃棒或玻璃板將氣泡和多余試樣刮入凹槽。迅速移開手指，同時啟動秒表，待試樣流束中斷時立即停止秒表。秒表顯示的時間為試樣的流出時間，可據(jù)此換算成黏度。重復(fù)測試，2次測試值之差不大于平均值的3%。取測定值的平均值為測定結(jié)果。

2　結(jié)果與討論

2.1　涂刷不同底漆、面漆對混凝土吸水率的影響

混凝土的吸水率可以有效的評價(jià)防護(hù)涂層的封閉性能，試驗(yàn)方法簡捷、周期短[7]。以下分別研究涂刷不同底漆對混凝土吸水率的影響，如圖1所示；涂刷不同面漆對混凝土吸水率的影響，如圖2所示。

圖1　涂刷3種底漆的混凝土試件在不同浸水時間的吸水率Fig.1　Bibulous rate of concrete brushed three kinds of bottom paint at different soaking time

圖2　涂刷2種面漆的混凝土試件在不同浸水時間的吸水率Fig.2　Bibulous rate of concrete brushed two kinds of primers at different soaking time

由圖1可知，單獨(dú)涂刷面漆時3種涂層中環(huán)氧封閉底漆的使用可以更好地降低混凝土吸水率。

由圖2可知，單獨(dú)涂刷2種底漆時，氟碳乳液底漆的使用時混凝土吸水率下降較多。綜合分析，分別涂刷不同種類的底漆和面漆雖然都能降低混凝土的吸水率，但下降的幅度相差不大。因此通過研究混凝土的吸水率來研究各涂層防護(hù)性能所得到的結(jié)論無明顯的對比性。

2.2　不同涂刷工藝對混凝土抗氯離子性能的影響

為了表征水性硅丙乳液底漆與水性氟碳面漆組合使用的涂刷工藝的防護(hù)性能，此部分選擇了目前工程應(yīng)用較多的幾種涂刷工藝如表1所示，與此涂刷工藝進(jìn)行對比，測試其混凝土抗氯離子滲透性能得到的試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

表1　5種涂刷工藝Table 1　Five kinds of painting process

圖3　不同組合的底漆和面漆對混凝土抗氯離子滲透性能的影響Fig.3　Effect of combination of the primers and topcoatson chloride permeability of concrete

由圖3可知，涂刷防護(hù)涂層可以有效地增強(qiáng)混凝土的抗氯離子滲透性能。其中3號涂刷工藝的防護(hù)性能與其他3組的防護(hù)性能相比沒有明顯的差距。與2號相比，3號選用的面漆氟碳乳液的耐候性能優(yōu)異[8-11]，因此面漆應(yīng)用氟碳乳液代替硅丙乳液可大大提高涂層的服役壽命；與4號相比，水性硅丙乳液底漆的成本要低于氟碳乳液底漆且測試得到的結(jié)果前者稍優(yōu)于后者；與5號相比，環(huán)氧封閉底漆為溶劑型，對環(huán)境影響較大?？紤]到氟碳乳液有著優(yōu)異的耐候性及抗腐蝕性能，使用氟碳面漆可以增加涂層的使用壽命。因此底漆為硅丙乳液、面漆為氟碳乳液的涂刷方式有較好的防護(hù)性能且環(huán)境友好、節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)。

2.3　涂層的成膜性能及與界面的混凝土的結(jié)合情況

以水性硅丙乳液底漆為例，研究涂層在混凝土界面的成膜情況及界面結(jié)合情況。將涂刷了水性硅丙乳液底漆的混凝土試塊切開觀察其斷面，如圖4所示。

圖4　涂刷水性硅丙乳液底漆的混凝土試塊斷面的掃描電鏡形貌Fig.4　SEM morphology of the cutting face for concrete with silicon acrylics-acid emulsion painting

圖4中上方的深色且質(zhì)地均勻的物質(zhì)為防護(hù)涂層，下方凹凸不平的部分為混凝土?？梢园l(fā)現(xiàn)涂層與混凝土界面結(jié)合得十分緊密，沒有裂縫或孔隙存在。并且可以觀察到水性硅丙乳液底漆可以形成致密、光滑的漆膜。

2.4　黏度對涂層防護(hù)性能的影響

涂層的黏度可直接影響其成膜厚度、涂層的流動性及其成膜時間等因素。但考慮到與混凝土表面直接接觸成膜的主要是底漆，面漆通過底漆滲透進(jìn)入混凝土的量很少，因此底漆的黏度及其滲透性能是影響涂層體系防護(hù)性能的主要因素。通過調(diào)節(jié)出不同黏度的水性硅丙乳液底漆，涂刷相同的厚度(100 μm±10 μm)并進(jìn)行混凝土抗氯離子滲透試驗(yàn)，研究黏度對涂層防護(hù)性能的影響。得到的結(jié)果如圖5所示。

圖5　涂層黏度對其混凝土抗氯離子滲透性能的影響Fig.5　Relationship between viscosity and the chloride ion permeability-resistance property of concrete

由圖5可見，涂刷相同厚度時黏度對涂層的防護(hù)性能影響很小。涂料黏度越小流動性越好。觀察試驗(yàn)現(xiàn)象時發(fā)現(xiàn)黏度為122和183 mm2/s相對較大的2組涂層經(jīng)過氯離子滲透測試后，出現(xiàn)鼓泡現(xiàn)象。分析原因?yàn)樵诨炷帘砻?，涂層可以形成致密且均勻的涂膜，但黏度過大時其無法通過混凝土的孔隙滲透進(jìn)入混凝土內(nèi)部從而填補(bǔ)裂縫，使得孔隙中仍存有大量的空氣[12]。當(dāng)試塊浸泡在水中時，壓強(qiáng)的變化使得混凝土內(nèi)部的空氣向涂層施壓，因此產(chǎn)生了涂層鼓泡的現(xiàn)象。而黏度小的幾組則無此現(xiàn)象，主要是由于黏度小的涂料流動性較好，可以滲透進(jìn)入混凝土孔隙填補(bǔ)孔隙從而排出孔隙中的空氣。在進(jìn)行混凝土抗氯離子滲透試驗(yàn)過程中，對試塊進(jìn)行真空飽水處理及接下來的浸泡時都沒有鼓泡現(xiàn)象產(chǎn)生。因此可以判斷，若防護(hù)涂層應(yīng)用于需長期浸泡在水中的環(huán)境時，其底漆黏度最好小于122 mm2/s，從而可以避免因長期浸泡于水中而產(chǎn)生起泡、破裂等現(xiàn)象，使涂層有最佳的防護(hù)效果。而當(dāng)涂刷相同的厚度時，涂料的黏度對混凝土抗氯離子性能的影響很小。

2.5　厚度對混凝土防護(hù)性能的影響

由于涂層起到對混凝土的防護(hù)主要表現(xiàn)在其可以封閉混凝土表面的孔隙，因此理論上涂層的防護(hù)性能應(yīng)隨著涂層厚度的增大而增大。而在實(shí)際的應(yīng)用中，考慮到成本及涂刷工藝的簡便等因素不會不計(jì)成本的涂刷涂料。此部分主要研究了涂層厚度對其防護(hù)性能的影響及實(shí)際應(yīng)用中涂層涂刷厚度的合理范圍。

通過測定涂刷不同厚度的水性硅丙乳液底漆的混凝土抗氯離子滲透深度來研究涂層厚度對其混凝土防護(hù)性能的影響。在涂層厚度為62和401 μm之間選擇11個點(diǎn)，測試其混凝土抗氯離子性能，結(jié)果如圖6所示。

圖6　涂層厚度對其混凝土抗氯離子性能的影響Fig.6　Relationship between thickness of coating and the chloride ion permeability-resistance property of concrete

由圖6可見，隨著涂層厚度的增加其混凝土抗氯離子滲透的性能越好。從厚度為280 μm開始，其性能的增加趨勢減小。當(dāng)厚度小于80 μm左右時，涂層的防護(hù)性能較弱。由此可見在涂層厚度較小時，其對混凝土防護(hù)性能的影響很大。厚度過小，涂層無法發(fā)揮其明顯的防護(hù)性能。

選擇涂刷工藝為涂刷水性硅丙乳液底漆、水性氟碳面漆，通過分別改變底漆、面漆的涂刷次數(shù)來改變涂層的厚度，其中涂刷1次底漆涂層厚度約為65 μm，涂刷1次面漆涂層厚度約為70 μm。得到測試結(jié)果如圖7所示。

圖7　涂刷不同層數(shù)底漆和面漆對混凝土抗氯離子滲透深度影響Fig.7　Effect of painting times of primers and topcoats on chloride ion permeability-resistance property of concrete

由圖7可見，當(dāng)涂刷相同次數(shù)的涂層，底漆的次數(shù)越多其防護(hù)性能越好。涂層底漆的厚度對涂層防護(hù)性能的影響要大于面漆。當(dāng)涂刷2層底漆和2層面漆后，再增加底漆或面漆的涂刷次數(shù)對其抗氯離子性能的增加影響較小。考慮到成本與涂層性能，涂刷2層底漆及2層面漆的涂刷工藝較好。而此時測定的涂層厚度為300 μm?？紤]到涂層涂刷過程中如人工涂刷厚度不均等因素，實(shí)際施工中涂刷水性硅丙乳液底漆及氟碳乳液面漆的涂刷工藝涂層厚度在280～350 μm之間較好。

3　結(jié)論

1)水性硅丙乳液底漆加水性氟碳乳液面漆的涂刷工藝防護(hù)性能較好，涂刷1次底漆涂層厚度約為65 μm，涂刷1次面漆涂層厚度約為70 μm，涂刷2層底漆及2層面漆的涂刷工藝時，滲透深度為6.7%。涂層與混凝土界面的結(jié)合緊密且涂膜均勻、致密；研究涂層防護(hù)性能過程中，測定混凝土抗氯離子性能比測定混凝土吸水率所得結(jié)果對比性強(qiáng)。

2)各類涂料對吸水率影響不大，通過研究混凝土的吸水率來研究各涂層防護(hù)性能所得到的結(jié)論無明顯的對比性。

3)黏度影響涂料對基材的滲透性及涂層的附著性，對涂層防護(hù)性能的影響較小。

4)涂層厚度較小時，厚度對涂層防護(hù)性能的影響較大，涂層厚度為280～350 μm，防護(hù)性能較好。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫高霞.混凝土表面滲透性有機(jī)硅防護(hù)涂料的研究[D].南京：南京水利科學(xué)研究院，2009

[2]鄭敏升.表面涂層材料對混凝土耐久性影響及應(yīng)用研究[J].福建建設(shè)科技,2008(2):36-38

[3]周嬋,劉玉軍,蕭弘燁.表面防護(hù)技術(shù)對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能的影響[J].裝備環(huán)境工程,2010,7(4):97-100

[4]鄧俊英,李偉華,趙霞，等.不同種類混凝土涂料的性能測試及對比研究[J].材料保護(hù),2009,42(10):58-60

[5]張勝利,付紅.橋梁混凝土結(jié)構(gòu)表面防護(hù)涂層的應(yīng)用研究[J].實(shí)用技術(shù),2006(5):91-93

[6]趙鐵軍.滲透型涂料表面處理與混凝土耐久性[M].北京：科學(xué)出版社，2009

[7]劉芳.表面成膜型涂料對混凝土保護(hù)層性能的影響研究[D].南京：南京林業(yè)大學(xué)，2008

[8]劉玉軍.混凝土保護(hù)涂層性能和測試方法研究[D].北京：中國建筑材料科學(xué)研究院,2004

[9]田惠文,李偉華,侯保榮，等.4種涂料的耐老化性能對混凝土表面裂縫追隨性的影響[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù),2009,21(5):492-495

[10]周學(xué)杰，張三平，蕭以德，等.氟碳涂層體系在我國水環(huán)境中防腐性能研究[J].裝備環(huán)境工程,2010,7(1):10-14

[11]蕭以德，劉玉軍，周蟬，等.水性氟碳涂層體系對混凝土建筑的防護(hù)性能研究[J].涂料技術(shù)與文摘，2010(9):13-20

[12]李果.銹蝕混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性修復(fù)與保護(hù)[M].北京：中國鐵道出版社，2011