滲透型涂層混凝土的抗碳化性能*

李果 韋蓉蓉 李曉玲 張建峰 雷明

(中國礦業(yè)大學(xué)江蘇省土木工程環(huán)境災(zāi)變與結(jié)構(gòu)可靠性重點實驗室，江蘇徐州221116)

世界氣象組織在《2011年溫室氣體公報》中指出，2011年大氣中CO2含量已達到0.039%(體積分數(shù)，余同)，2015或2016年將突破0.04%.逐漸升高的CO2含量不僅導(dǎo)致了嚴重的溫室效應(yīng)問題，也將引發(fā)越來越嚴重的混凝土碳化問題.而混凝土的碳化將引發(fā)混凝土內(nèi)鋼筋的銹蝕，進而發(fā)生混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題［1-2］.

針對混凝土的碳化問題，抑制或盡可能地減少混凝土遭受碳化的方法有很多，比如降低混凝土水灰比、增大水泥用量、提高混凝土密實性以及涂刷抗碳化涂層等［3-12］，其中以在混凝土表面涂刷涂層最為便捷有效.混凝土涂層從作用機理上可分為兩類:成膜型和滲透型.成膜型涂層一般是在混凝土表面形成一種能夠防止外界侵蝕性介質(zhì)進入的膜層，將基材與外界侵蝕性介質(zhì)隔開，從而起到良好的保護作用.滲透型涂層一般是通過滲透進入混凝土內(nèi)部，生成新物質(zhì)提高混凝土的密實度和抗?jié)B能力，或是在混凝土表面和內(nèi)部孔隙形成一層憎水薄膜，阻止水溶性侵蝕介質(zhì)的進入，起到對混凝土的保護作用.

成膜型涂層能顯著改善混凝土的抗碳化性能［3-7］，但隨著使用時間的推移和環(huán)境氣候條件的作用，成膜型涂層會發(fā)生老化，進而降低其抗碳化能力，而滲透型涂層則具有優(yōu)良的抗老化能力［4-5］.盡管滲透型涂層目前主要是作為防水涂層被廣泛應(yīng)用，但在混凝土的抗凍、抗氯離子滲透和抗硫酸鹽侵蝕等方面也被證實具有明顯的效果［8-13］.在抗碳化性能方面，滲透型涂層的研究結(jié)果差異性較大.文獻［9］研究發(fā)現(xiàn)，外涂有機硅防水劑能使再生骨料混凝土的抗碳化能力提高1倍以上;文獻［12］研究發(fā)現(xiàn)，涂刷改性有機硅涂料能使普通混凝土的抗碳化能力提高2倍以上;而文獻［4］采用的有機硅涂料僅能使混凝土抗碳化能力提高約17%;文獻［13］按1.0、1.5kg/m2用量涂刷水泥基滲透結(jié)晶型涂料，可分別使混凝土的抗碳化能力提高約1.1和1.9倍;研究表明［4，8，14］，水泥基滲透結(jié)晶型涂層對混凝土抗碳化能力的提高幅度為40%～60%.可見滲透型涂層對混凝土抗碳化能力的影響差異性較大，影響因素較多，還需要進一步研究.

文中從混凝土的水灰比、基材處理方式和涂層遍數(shù)等方面研究滲透型涂層對混凝土抗碳化性能的影響規(guī)律，以期獲得滲透型涂層最優(yōu)的抗碳化防護效果.

1 實驗

1.1 原材料

根據(jù)滲透型涂層作用機理的不同，有代表性地選擇了兩種滲透型涂料:北京東方寶紅建筑防水材料有限公司生產(chǎn)的BH-502型水泥基滲透結(jié)晶防水材料和上海硅基有機硅有限公司生產(chǎn)的滲透性有機硅涂料;水泥，徐州淮海水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥;細骨料，本地產(chǎn)天然河砂，Ⅱ區(qū)中砂;粗骨料，本地產(chǎn)粒徑5～20 mm碎石，連續(xù)級配;拌合水，普通自來水.混凝土配合比如表1所示.

表1 混凝土配合比Table 1 Concrete mix proportions

1.2 實驗方法

1.2.1 試件制備

對于滲透型涂料，混凝土基材表面的濕潤狀況對滲透型涂料作用的發(fā)揮具有重要的影響.為此，在試件涂刷涂料之前采取了3種方法對試塊表面進行處理:①將試塊放在水中完全淹沒浸泡24 h(簡稱“水”);②先對試塊噴霧狀水使表面潤濕，然后放在相對濕度為(90±5)%的恒溫恒濕箱內(nèi)24 h(簡稱“潮”);③試塊不作處理，繼續(xù)放在室內(nèi)自然環(huán)境(相對濕度約50%)24h(簡稱“干”).

兩類涂料均采用毛刷進行涂刷，6面全部涂刷.水泥基涂料根據(jù)產(chǎn)品說明書按干粉與水質(zhì)量比5∶2拌合后使用，水泥基涂料單遍用量1.2kg/m2.有機硅涂料為液體，直接使用，單遍用量0.16L/m2.涂料的使用量根據(jù)待涂刷試件的表面面積來確定，在涂刷時需要將所需涂料均勻地涂抹在試件表面.對于涂刷兩遍的試件，兩道涂層涂刷時間間隔為24h.具體涂層混凝土試件的制作計劃如表2所示.

表2 涂層混凝土試件制作計劃Table.2 Making plan of coated concrete specimens

1.2.2 碳化實驗

涂刷好涂料的試件在室內(nèi)自然環(huán)境下放置約一周，然后再進行下一步的加速碳化實驗.在標準碳化條件(CO2含量(體積分數(shù))為(20±3)%，相對濕度為(70±5)%，溫度為(20±2)℃)下進行碳化，碳化時間t分別為3、7、14和28 d，取出放在壓力機上劈開，利用酚酞乙醇試劑顯示并測量其碳化深度.3塊試件為一組，碳化深度取其平均值.

為了衡量和比較涂刷涂層后混凝土試件抗碳化能力的變化，引入一個涂層混凝土抗碳化能力改善指標γ:

式中:X為對比空白混凝土試件的碳化深度，mm;X0為涂層混凝土試件的碳化深度，mm.

γ的值代表涂層對試件抗碳化能力的改善情況.由式(1)可知，γ越大，涂層試件的抗碳化能力提高幅度越大;反之，γ越小(趨近于0)，涂層的抗碳化能力提高幅度越小.

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 基材處理方式對涂層混凝土抗碳化能力的影響

不同的基材處理方式會影響到基材的潤濕和含水狀況，進而影響到滲透型涂料的滲透和抗碳化作用的發(fā)揮.混凝土水灰比為0.6、涂層一遍涂刷的條件下，不同基材處理方式對涂層試件抗碳化性能的影響如圖1所示.

圖1 基材處理方式對涂層試件碳化深度的影響Fig.1 Influences of substrate processing mode on carbonation depth of coated specimens

由圖1(a)可見，對于水泥基涂層試件，基材的處理方式對試件碳化深度的影響規(guī)律為“潮”＜“水”＜“干”，“潮”、“水”和“干”3種處理方式下涂層對混凝土抗碳化能力的改善指標γ分別為67.0%、49.0%和27.0%.這說明涂刷水泥基涂料時混凝土基材處于潮濕狀態(tài)為最好，飽水狀態(tài)次之，干燥狀態(tài)最差.造成這一現(xiàn)象的原因是水泥基滲透結(jié)晶型材料在發(fā)生催化或參與反應(yīng)時，必須在有水的條件下才能夠進行.水泥基防水材料中含有的活性化學(xué)物質(zhì)，通過表層水對結(jié)構(gòu)內(nèi)部的浸潤，被帶入結(jié)構(gòu)表層內(nèi)部孔隙中，與混凝土中的游離離子交互反應(yīng)生成不溶于水的結(jié)晶物，這個結(jié)晶生成的過程實際上就是滲透結(jié)晶的過程.結(jié)晶物在結(jié)構(gòu)孔隙中吸水膨脹，由疏至密，使混凝土結(jié)構(gòu)表層至縱深的平均孔徑和總孔隙率下降［8］，從而提高結(jié)構(gòu)整體的抗?jié)B能力，進而提高混凝土的抗碳化能力.當混凝土基材處于干燥狀態(tài)時，涂料中的活性成份保持休眠狀態(tài)，無法與混凝土中未反應(yīng)完全的水泥粒子或者結(jié)晶較差的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng).而當混凝土基材過于潮濕(飽水狀態(tài))時，涂料較難再借助水分向混凝土內(nèi)部滲透，從而導(dǎo)致涂層混凝土抗碳化能力降低.也就是說，潮濕的基材表面最適宜水泥基滲透結(jié)晶型材料抗碳化作用的發(fā)揮.

研究中所涉及的相關(guān)數(shù)據(jù)來源主要包括歷年淮河水利委員會發(fā)行的《治淮匯刊》（年鑒）、相關(guān)省市的統(tǒng)計年鑒和水資源公報等，其中降雨量采用的是水資源公報上公布的多年（1956—2000年）平均數(shù)據(jù)，由于具體到市的農(nóng)業(yè)干旱資料只有在流域受旱情況比較重的年份里才有相對比較完整的統(tǒng)計，因此受災(zāi)率和成災(zāi)比數(shù)據(jù)采用1999—2001年（流域成災(zāi)面積均大于400萬hm2，為近20年來受災(zāi)最嚴重的年份）連續(xù)三年的平均值來表示，其余指標均采用2009年的數(shù)據(jù)。

有機硅涂料為水溶性液體涂料，它通過毛細滲透和擴散進入混凝土內(nèi)部，待水分蒸發(fā)后會在基材表面和毛細孔內(nèi)壁形成憎水性薄膜，使混凝土的毛細吸水系數(shù)大幅度下降［9］，從而阻止混凝土毛細孔對水的毛細吸收作用，達到防水和提高混凝土耐久性的目的.有機硅涂料不堵塞混凝土的毛細孔隙，使混凝土內(nèi)部的水氣能夠自由通過毛細孔隙，從而保證了基材的透氣性和自然外觀.從圖1(b)可以看出，有機硅涂層試件的抗碳化防護效果對混凝土基材的處理方式不甚敏感，“水”、“潮”和“干”3種處理方式下的涂層混凝土試件碳化深度比較接近，相比之下“水”略低一些，而“潮”和“干”次之.

2.2 水灰比對涂層混凝土抗碳化能力的影響

在水量相同的條件下，隨著水灰比的降低，水泥用量增多，混凝土密實度增大、自身的抗碳化能力趨于提高.混凝土水灰比對涂層試件(基材處理方式為“潮”、涂刷一遍)碳化深度的影響如圖2所示.

圖2 水灰比對涂層試件碳化深度的影響Fig.2 Influences of water/cement ratios on carbonation depth of coated specimens

由圖2可見，無涂層空白件混凝土的水灰比從0.6降到0.5時，混凝土碳化深度明顯減小.涂刷了涂層之后，同一水灰比的涂層混凝土試件的碳化深度均小于無涂層空白件，表明滲透性涂層混凝土的抗碳化能力雖然沒有像成膜型涂層那樣完全避免混凝土的碳化［4］，但也能夠?qū)炷恋奶蓟鹨欢ǖ囊种苹驕p弱作用.這表明涂刷滲透型涂層對提高混凝土的抗碳化能力是有效的.同時也可以看出，對同一碳化齡期水泥基涂層混凝土試件的碳化深度均小于有機硅涂層混凝土試件，表明水泥基涂層對混凝土的抗碳化效果優(yōu)于有機硅涂層.

相對無涂層空白件，水灰比從0.6降低到0.5時，水泥基涂層對混凝土的抗碳化能力改善指標γ從66.8%下降到25.6%，而有機硅涂層的γ則從36.6%下降到11.6%.即隨著混凝土水灰比的降低，涂層對混凝土抗碳化能力的提高幅度降低.這是由于隨著混凝土水灰比的減小，混凝土更為密實，混凝土自身抗碳化能力的提高使得外涂滲透型涂料抗碳化效果的提升空間越來越小.

2.3 涂刷遍數(shù)對涂層混凝土抗碳化能力的影響

增加涂刷遍數(shù)，涂料的用量將成倍增加，有利于提高涂層的防護質(zhì)量，但涂層的防護效果未必能成倍增加.兩種涂料不同涂刷遍數(shù)對涂層試件(混凝土水灰比0.6、基材處理方式“潮”)碳化深度的影響如圖3所示.

圖3 涂刷遍數(shù)對涂層試件碳化深度的影響Fig.3 Influences of painting times on carbonation depth of coated specimens

從圖3可以看出，兩種涂料均表現(xiàn)出兩遍涂刷試件的碳化深度小于一遍涂刷的試件，說明增加涂料的涂刷遍數(shù)能夠提高試件的抗碳化能力，但兩種涂料增加涂刷遍數(shù)產(chǎn)生的抗碳化能力改善幅度是不同的:當涂層由一遍增加到兩遍時，有機硅涂層試件的抗碳化能力改善指標γ(28d碳化齡期)由36.6%提高到72.6%，增大了近1倍;而水泥基涂層試件的抗碳化能力改善指標γ由66.8%提高到83.2%，僅增大了25%左右.這說明增加有機硅涂料的涂刷遍數(shù)較水泥基涂料更為有效，而且有機硅涂料涂刷兩遍后其抗碳化能力已接近水泥基涂層.

水泥基滲透結(jié)晶型防水材料為厚涂型涂料，涂刷一遍即存在著明顯的涂層厚度.防水材料用量越多，防水涂層越厚，所需要的水化反應(yīng)空間越大.但在有限的水化反應(yīng)空間無法催化更多的活性化學(xué)物質(zhì)和產(chǎn)生更多的滲透結(jié)晶，故增大水泥基涂層的涂刷遍數(shù)對混凝土抗碳化能力的提高效果并不明顯.

有機硅涂料是水溶性的，可以滲透進入混凝土中，且不堵塞混凝土的毛細孔道，涂層干燥后幾乎無厚度.增加涂刷遍數(shù)，涂料仍然能夠非常迅速地滲透進入混凝土中.因而，增加有機硅涂層的涂刷遍數(shù)，對提高混凝土碳化能力的效果明顯.

3 結(jié)論

文中研究了混凝土的水灰比、基材處理方式和涂層遍數(shù)等對滲透型涂層混凝土抗碳化性能的影響規(guī)律，得到以下主要結(jié)論:

(1)涂刷滲透型涂料可以在一定程度上改善混凝土的抗碳化能力，具體改善幅度與涂料種類、涂刷遍數(shù)、基材處理和混凝土水灰比有關(guān).一般來講，水泥基滲透結(jié)晶型涂料的抗碳化能力優(yōu)于有機硅涂層.

(2)對水泥基滲透結(jié)晶型涂料而言，潮濕的混凝土基材是最為有利的，基材表面過干或過濕均不利于其抗碳化能力的發(fā)揮.對有機硅涂料而言，基材潤濕狀況的影響較小.

(3)隨著混凝土水灰比的減小，滲透型涂層對其抗碳化能力的改善能力降低.即混凝土水灰比越大，則涂刷涂層后混凝土試件的抗碳化能力的提高幅度越大，反之，則提高幅度越小.

(4)增加涂料的涂刷遍數(shù)可以有效地提高有機硅涂層混凝土的抗碳化效果，但對水泥基滲透結(jié)晶型涂層混凝土則不明顯.

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