混凝土結(jié)構(gòu)用復(fù)合氟碳防護涂料的性能評價

薛曉芳，仇鑠，蔣正武

（1.貴州智誠混凝土有限公司，貴州貴陽　550000；

2.同濟大學(xué)先進(jìn)土木工程材料教育部重點實驗室，上海　200092）

混凝土結(jié)構(gòu)用復(fù)合氟碳防護涂料的性能評價

薛曉芳1，仇鑠2，蔣正武2

（1.貴州智誠混凝土有限公司，貴州貴陽550000；

2.同濟大學(xué)先進(jìn)土木工程材料教育部重點實驗室，上海200092）

通過測試涂覆復(fù)合氟碳防護涂料混凝土的吸水率、耐腐蝕性、凍融循環(huán)和透氣性等指標(biāo)，對研制的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)防護用復(fù)合氟碳防護涂料的防護性能進(jìn)行測試評價，并與硅烷防護材料進(jìn)行對比。結(jié)果表明，涂覆該復(fù)合氟碳防護涂料的混凝土試件與基準(zhǔn)組對比吸水率大幅下降，強腐蝕環(huán)境下的抗壓強度耐蝕系數(shù)及凍融循環(huán)25次后相對動彈性模量較基準(zhǔn)組均有所提升，且復(fù)合氟碳防護涂料具有一定的透氣性。

復(fù)合；氟碳涂料；硅烷；吸水率；透氣性

一般來說，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的長期性能與耐久性。但混凝土結(jié)構(gòu)的服役能力和時間會受到各種環(huán)境條件的限制，采取有效防護技術(shù)以防止混凝土的環(huán)境侵蝕、維護混凝土的使用性能，對提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性與使用壽命具有重要的現(xiàn)實意義。

表面防護由于可以從源頭防止有害介質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部而表現(xiàn)出優(yōu)良的防護性能，目前被廣泛應(yīng)用的混凝土結(jié)構(gòu)防護涂料種類繁多，包括環(huán)氧樹脂涂料［1］、聚脲涂層［2-3］、丙烯酸酯涂料［4］等。硅烷和硅氧烷等有機硅浸漬材料因其突出的憎水性和化學(xué)穩(wěn)定性，能在混凝土表面及毛細(xì)孔內(nèi)壁形成保護膜，有效防止水分的滲透和轉(zhuǎn)移，達(dá)到防腐的目的，從而提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性和使用壽命［5-7］。氟碳涂料作為近幾年飛速發(fā)展的新型涂料，具有非常出色的耐老化性、耐磨性和抗沖擊性等，并且具有自清潔能力，因此在金屬及復(fù)合材料的表面防護領(lǐng)域已經(jīng)有較為成熟的應(yīng)用［8-9］。

復(fù)合氟碳防護涂料的制備和最佳配比的確定已由先前研究所獲得，本文對該涂料的耐久性能進(jìn)行評價，以了解其對混凝土的保護程度，為提升混凝土耐久性，延長其服役年限提供理論依據(jù)。

1　試驗

1.1原材料

1.1.1混凝土試件成型原料

水泥：海螺水泥有限公司生產(chǎn)的42.5R普通硅酸鹽水泥，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為28.4%；砂：天然河砂，表觀密度2592kg/m3，堆積密度1613 kg/m3，含泥量6.25%，細(xì)度模數(shù)為3.02，上海建工集團股份有限公司提供；粗骨料：5～10mm和10～20mm連續(xù)級配人工碎石，按質(zhì)量比3∶7摻入進(jìn)行試驗，含泥量小于2%；減水劑：萘系減水劑。不同強度等級混凝土試件的配合比見表1。

表1　不同強度等級混凝土試件的配合比

實驗中將涂料涂覆于混凝土試塊表面，以評價其性能。本文混凝土成型試驗所用模具規(guī)格為100 mm×100 mm×100 mm，為了便于在混凝土試塊上進(jìn)行涂覆和后續(xù)試驗的開展，同時為節(jié)省涂料，試驗中所用混凝土試塊皆切割成50 mm×50 mm×50 mm使用。

1.1.2防護涂料配制

氟碳涂料由FEVE氟碳樹脂、脂肪族聚異氰酸酯固化劑和醋酸丁酯稀釋劑按比例優(yōu)化配制而成；硅烷膏體的硅烷含量為80%。復(fù)合氟碳涂料由氟碳涂料和硅烷組分按一定比例復(fù)配而成，復(fù)合氟碳防護涂料的基本配方見表2。

表2　復(fù)合氟碳防護涂料的基本配方

1.2試驗方案

1.2.1涂料涂覆方法

清除試件表面上的灰塵、油污等有害物與污染物，試塊表面應(yīng)為面干狀態(tài)。將試塊放置于電子天平上，試塊的被涂面水平于桌面。用毛刷由左至右在試塊被涂面均勻涂刷，使被涂面飽和并開始溢流，重復(fù)用毛刷從左至右在被涂面涂刷3～7次，保持被涂面至少5 s潤濕狀態(tài)。同時通過稱量控制每個被涂面的涂料用量。觀察被涂面表面達(dá)到表干狀態(tài)（表面無溢流且輕觸不黏）時，則可涂下一個表面。

1.2.2性能測試方法

（1）吸水率

吸水率參照J(rèn)TJ 275—2000《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行測試。

（2）耐腐蝕性

耐腐蝕性測試包括水中養(yǎng)護和浸泡腐蝕，其中水中養(yǎng)護指在試件成型拆模后在養(yǎng)護室中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護至規(guī)定齡期后，浸泡在水中進(jìn)行浸泡養(yǎng)護；浸泡腐蝕試驗要求在試件成型拆模后在養(yǎng)護室中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護至規(guī)定齡期后，在模擬地下水及強酸性環(huán)境的復(fù)合腐蝕溶液［3.5%NaCl+10%Na2SO4+H2SO4（pH值=2）3種溶液混合］中進(jìn)行浸泡養(yǎng)護。試驗采用抗壓、抗折強度耐腐蝕系數(shù)K與質(zhì)量變化率S為參考指標(biāo)來確定試件的耐腐蝕性。

（3）凍融循環(huán)

將成型并切割后的試塊放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室養(yǎng)護，23 d后取出將其放在溫度為15～20℃的水中浸泡4 d，所有試件都在相同條件下養(yǎng)護和浸泡，以保證具有相同的初始強度。依據(jù)GB/ T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法》中的慢凍法，對各組試件進(jìn)行25次凍融循環(huán)，并采用CTS-25型非金屬超聲波檢測儀測量其聲速變化。

（4）透氣性

由于濕度對試塊透氣性影響較大，將厚度為25 mm的混凝土試塊在烘箱中以40℃烘干，以保證試塊不含水。之后將其放在除濕器中待測；將適量甲醇加入容器中，保證所有試樣甲醇量一致；將混凝土試塊置于容器上方并用硅酮膠環(huán)繞密封，避免任何可能的泄漏。待硅酮膠固化后，首先測試整體質(zhì)量，將試驗裝置放在恒溫水浴箱中加熱，要求水沒過容器的2/3，即上面1/3部分暴露在空氣中。記錄不同時間間隔下甲醇的質(zhì)量損失，直到穩(wěn)定無變化為止。透氣性試驗裝置如圖1所示。

圖1　透氣性試驗裝置示意

2　結(jié)果與討論

2.1復(fù)合氟碳防護涂料對混凝土吸水率的影響

復(fù)合氟碳防護涂料按表2配方制備。1#～3#復(fù)合氟碳防護涂料涂刷組合見表3，其中1#使用硅烷膏體（國泰華榮化工WRG-908），2#使用硅烷液體（道康寧Z-6403異丁基三乙氧基硅烷），3#使用硅烷液體（道康寧Z-6341正辛基三乙氧基硅烷）；4#涂覆材料為丙烯酸乳液（下同）。不同防護涂料對混凝土吸水率的影響見圖2，涂覆3種不同防護涂料C50試件的吸水增量隨時間變化曲線見圖3。

表3　復(fù)合氟碳防護涂料涂刷組合

圖2　涂覆不同防護涂料對混凝土吸水率的影響

由圖2可見，涂覆防護涂料的試件吸水率普遍比基準(zhǔn)試件小1個數(shù)量級，以1#～3#降低程度較大。取48 h和12 d的吸水率作對比，基準(zhǔn)試件的48 h吸水率普遍高于12 d的，即混凝土的吸水能力隨時間延長而下降，這是由于混凝土本身吸水值有限，基準(zhǔn)試件最快趨于飽和而呈現(xiàn)增長速度降低的狀態(tài)；1#～3#試件的12 d吸水率略高于48 h，說明涂覆防護涂料的混凝土試件仍處在吸水率緩慢增大的階段，這不僅能夠明顯降低混凝土試件的吸水率，還能夠延長其趨于飽和狀態(tài)的時間。C20較C50混凝土試件的吸水率略高，這是由于其本身密實程度較低所致。

圖3　涂覆3種不同防護涂料C50試件的吸水增量

由圖3可見，未涂覆防護涂料的C50基準(zhǔn)混凝土試件吸水增量隨時間變化最大，而涂覆3種不同防護涂料的試件都能夠不同程度地使吸水增量降低，其中以涂覆復(fù)合氟碳防護涂料（1#）的防護效果最明顯。

2.2復(fù)合氟碳防護涂料對混凝土耐腐蝕性的影響

采用1#復(fù)合氟碳防護涂料對C50混凝土進(jìn)行表面防護，考察復(fù)合氟碳防護涂料對混凝土耐腐蝕性的影響。

2.2.1對混凝土抗壓強度耐蝕系數(shù)的影響（見圖4）

圖4　復(fù)合氟碳防護涂料對混凝土抗壓強度耐蝕系數(shù)的影響

由圖4可見，相對于基準(zhǔn)試件，表面涂覆1#復(fù)合氟碳涂料的試驗組其抗壓強度耐蝕系數(shù)較大，即涂覆了復(fù)合氟碳涂料的混凝土試件與同齡期基準(zhǔn)混凝土的抗壓強度相比，提高約4%。說明該復(fù)合氟碳防護涂料的存在不僅阻礙了混凝土試件與外界強腐蝕環(huán)境的直接接觸，同時涂料的強疏水性使作為有害離子載體的水對混凝土試件造成的損傷減小。

2.2.2對混凝土質(zhì)量變化率的影響

復(fù)合氟碳防護涂料對混凝土質(zhì)量變化率的影響見圖5，圖中質(zhì)量變化率為負(fù)數(shù)時表示相應(yīng)齡期下混凝土質(zhì)量增大，正數(shù)表示質(zhì)量減小。

圖5　復(fù)合氟碳防護涂料對混凝土質(zhì)量變化率的影響

從圖5（a）可見，在水中浸泡的混凝土試件表現(xiàn)為隨養(yǎng)護齡期增長，其質(zhì)量越大；從圖5（b）可見，在模擬地下水腐蝕溶液中，混凝土試件的28 d質(zhì)量增大，且表面涂覆復(fù)合涂料的混凝土試件質(zhì)量變化小于基準(zhǔn)試件，之后隨著腐蝕齡期的延長，表面涂覆復(fù)合涂料的混凝土試件質(zhì)量損失小于基準(zhǔn)試件。說明復(fù)合氟碳防護涂料不僅能減少有害離子對混凝土結(jié)構(gòu)的破壞，同時還能夠一定程度阻礙混凝土內(nèi)部已被侵蝕部分的溶出，減緩孔隙增加的速度。

2.3復(fù)合氟碳防護涂料對混凝土耐凍融循環(huán)性能的影響

采用不同防護涂料對C50混凝土進(jìn)行表面防護，考察經(jīng)25次凍融循環(huán)后防護涂料對混凝土耐凍融循環(huán)性能的影響，結(jié)果見圖6。

圖6　涂覆不同防護涂料對經(jīng)25次凍融循環(huán)后混凝土相對動彈模量的影響

由圖6可見，經(jīng)25次凍融循環(huán)后，涂覆1#～3#復(fù)合氟碳防護涂料的C50混凝土試件其相對動彈模量集中在95%～97%，效果優(yōu)于4#，遠(yuǎn)高于基準(zhǔn)組的86.49%。這是由于在試件表面涂覆涂料的防護手段能夠防止外界環(huán)境對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕和侵害，在混凝土表面阻斷其與外界直接接觸的通道。凍融循環(huán)對其造成的破壞與外界水環(huán)境存在與否關(guān)系極大，如果水分滲透進(jìn)入混凝土內(nèi)部，會在溫度交替下在毛細(xì)孔中膨脹收縮，所以能夠大幅降低混凝土吸水率的表面防護措施更能夠很好地抗凍融循環(huán)。

2.4復(fù)合氟碳防護涂料對混凝土透氣性的影響

甲醇是結(jié)構(gòu)最為簡單的飽和一元醇，是無色易揮發(fā)有酒精氣味的液體。試驗利用甲醇作為氣源測試混凝土結(jié)構(gòu)的透氣性主要是基于其沸點僅為64.7℃。按1.2.2節(jié)所述方法進(jìn)行透氣性試驗，結(jié)果見圖7、圖8。

由圖7可見，甲醇質(zhì)量損失隨時間延長而增大。強度等級分別為C20和C50的2種混凝土基體試件，在沒有涂覆復(fù)合氟碳防護涂料（1#）時，C50試件的甲醇質(zhì)量損失要始終小于C20試件的，這是由于高強度試件自身的密實度較高，甲醇蒸汽透過試件的難度要高于C20；涂覆了1#復(fù)合氟碳防護涂料的C20、C50試件，其質(zhì)量損失小于C20和C50基準(zhǔn)試件，說明復(fù)合氟碳防護涂料在一定程度上阻礙了甲醇蒸汽透過基體傳向外界。

由圖8可見，涂覆了硅烷膏體的C50混凝土試件在試驗中的甲醇質(zhì)量損失相較基準(zhǔn)試件沒有明顯下降，與基準(zhǔn)試件的甲醇質(zhì)量損失處于交替上升的狀態(tài)；涂覆氟碳涂料的試件相較基準(zhǔn)試件，甲醇質(zhì)量損失明顯下降；涂覆復(fù)合氟碳防護涂料后，甲醇質(zhì)量損失對比基準(zhǔn)試件也下降，但下降程度不及氟碳涂料。

圖7　涂覆復(fù)合涂料不同強度等級混凝土試件的透氣性

圖8　涂覆不同防護涂料C50混凝土試件的透氣性

3　結(jié)論

（1）涂覆了復(fù)合氟碳防護涂料的混凝土試件，短期（48 h）吸水率較基準(zhǔn)試件普遍降低，且其達(dá)到吸水飽和的速度減緩。

（2）使用復(fù)合氟碳防護涂料防護表面的混凝土試件，相對于相同環(huán)境中的基準(zhǔn)試件，抗壓強度耐蝕系數(shù)明顯增大；腐蝕條件下的質(zhì)量先增后減，而水養(yǎng)條件下其質(zhì)量隨齡期延長而增大，涂覆復(fù)合氟碳防護涂料的混凝土試件質(zhì)量變化均較基準(zhǔn)試件緩慢且變化率較小。

（3）涂覆復(fù)合氟碳防護涂料能顯著降低混凝土試件的凍融循環(huán)破壞，尤其在外界有水環(huán)境下，這與其能夠大幅降低混凝土試件吸水率有關(guān)。

（4）復(fù)合氟碳防護涂料的透氣性較基準(zhǔn)試件有所降低，由于其中的硅烷小分子能夠滲透進(jìn)入混凝土內(nèi)部而非堵塞孔隙，故下降幅度不大。對于C50試件，涂覆復(fù)合氟碳防護涂料的試件吸水率下降幅度最大。這說明復(fù)合氟碳防護涂料能使混凝土結(jié)構(gòu)在具有低吸水率的同時兼具一定的透氣性。

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Study on properties evaluation of composite fluorocarbon protecting coating for concrete structures

XUE Xiaofang1，QIU Shuo2，JIANG Zhengwu2
（1.Guizhou Zhicheng Concrete Co.Ltd.，Guiyang 550000，Guizhou，China；

2.Key Laboratory of Advanced Civil Engineering Materials of Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 200092，China）

In this paper，the water absorption，corrosion resistance，freezing and thawing cycle and gas permeability were chosen to be the test index to evaluate the protecting properties of the developed kind of composite fluorocarbon protecting coatings for reinforced concrete structures，which was made of fluorocarbon and silane.And its properties were compared with that of the silane protecting coating.Results showed that the water absorption of concrete structures improved obviously after use the composite fluorocarbon protecting coatings.And the performances of the corrosion resistance in the extreme corrosion surroundings and the relative dynamic elasticity modulus after 25 times freezing and thawing cycle also improved sharply，compared to the reference group.The composite fluorocarbon protecting coatings also left concrete good gas permeability.

composite，fluorocarbon coating，silane，water absorption，gas permeability

TU56+1.6

A

1001-702X（2015）09-0015-04

國家973項目（2011CB013805）；國家自然科學(xué)基金資助項目（51278360、51308407）國家科技支撐計劃項目（2011BAE14B06）；高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金項目（20130072110047）

2015-03-20；

2015-08-13

薛曉芳，女，1975年生，陜西白水人，工程師。