寒區(qū)鹽堿地環(huán)境下混凝土防腐涂層試驗(yàn)研究

許振海 張立群 戎虎仁 賈辰辰

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

寒區(qū)鹽堿地環(huán)境下混凝土防腐涂層試驗(yàn)研究

許振海 張立群 戎虎仁 賈辰辰

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

在氯離子侵蝕和凍融循環(huán)耦合作用下，研究了3種不同混凝土：裸混凝土、涂有防腐涂層混凝土、涂有防腐劑和防水劑的雙涂層混凝土，檢測其氯離子擴(kuò)散系數(shù)、混凝土外觀狀況及質(zhì)量損失百分比等參數(shù).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：凍融循環(huán)促進(jìn)了氯離子的擴(kuò)散，加劇了混凝土的劣化；涂有防腐劑和防水劑的雙涂層混凝土各項(xiàng)性能均優(yōu)于其它2種混凝土；涂有防腐劑和防水劑的雙涂層混凝土能為北方寒冷地區(qū)鹽堿地環(huán)境下混凝土防腐蝕提供理論依據(jù)和試驗(yàn)參考.

寒冷地區(qū)；防腐涂層；氯離子侵蝕；凍融循環(huán)

0 引 言

在京津冀交通一體化的推動(dòng)下，河北交通網(wǎng)絡(luò)日趨完善，再加上北京和張家口申奧成功，省內(nèi)的交通建設(shè)變得尤為重要，也能為地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù).河北省鹽堿地區(qū)分布相對(duì)比較廣泛，對(duì)在役鋼筋混凝土橋梁已經(jīng)造成了嚴(yán)重的腐蝕，對(duì)人們?nèi)粘Ｉ詈徒煌ò踩呀?jīng)造成了嚴(yán)重的威脅，影響交通建設(shè)的重要因素之一就是混凝土耐久性[1].由于河北部分地區(qū)氣象條件和土壤腐蝕成分相對(duì)較為復(fù)雜，在各種因素的共同作用下，鋼筋混凝土基礎(chǔ)的損傷和破壞相對(duì)復(fù)雜、漫長.因此，對(duì)于進(jìn)一步研究河北鹽堿地地區(qū)鋼筋混凝土橋梁的腐蝕破壞過程和失效機(jī)理，探索和總結(jié)適用于河北省鹽堿地地區(qū)橋梁的腐蝕防護(hù)方法，延長其使用壽命和提高運(yùn)行安全性，具有十分重要的意義.

1 主要原料及試驗(yàn)設(shè)備

1.1 主要原料

表1 部分主要原料

“滲透型高效防水劑”是混凝土表面涂層材料.它以高分子成膜為基本材料，具有較強(qiáng)的耐水性，經(jīng)過納米和不同化學(xué)物質(zhì)的改性后，具有了很高的附著力、抗紫外線能力和抗污染能力.涂層凝結(jié)后，形成無色透明光滑的防水涂層.混凝土涂刷該涂層后，具有較好的耐久性、透氣性、憎水性等性能，能徹底封閉混凝土表層，能有效保護(hù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的表層及內(nèi)部免遭污水、除冰鹽、鹽漬土以及嚴(yán)酷環(huán)境下的的腐蝕破壞[2].“普通混凝土防腐涂料”屬于集封閉、防腐、防塵透氣和長效耐久功能于一身[3]的混凝土表面防護(hù)材料.

應(yīng)用JGJ 55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》中的體積方法進(jìn)行混凝土配合比的設(shè)計(jì).

表2 混凝土配比參數(shù)

1.2 試驗(yàn)儀器選擇

試驗(yàn)主要儀器：

(1)混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī)及其智能控制裝置.

(2)多功能混凝土耐久性綜合實(shí)驗(yàn)儀.

(3)電通量測定儀.

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

為了研究凍融循環(huán)與氯離子侵蝕的耦合效應(yīng)，混凝土按表2所示配合比攪拌后振動(dòng)成型，直徑100 mm，高度50 mm的圓柱試模，共18塊，用來做凍融及氯離子侵蝕試驗(yàn).試驗(yàn)分為兩組，每組分為三個(gè)試塊：

(1)裸混凝土；

(2)將防腐涂層均勻涂刷在試件表面上的試塊(0.25 kg/m2)；

(3)先將防水劑均勻涂刷在試件表面上，再將防腐涂層均勻涂刷在試件表面上的試塊(0.25 kg/m2).

與“滲透型高效防水劑”配合使用，可預(yù)先將防水劑滲透進(jìn)混凝土表層，在混凝土表層涂有防水層的基礎(chǔ)上，再實(shí)施防護(hù)涂層處理，形成雙涂層混凝土，這樣可以有效提高混凝土的耐久性，從而起到更好的防護(hù)作用.

第1組試驗(yàn)條件為氯離子侵蝕作用下圓柱試模氯離子擴(kuò)散速度，共9塊；

第2組試驗(yàn)條件為氯離子侵蝕和凍融循環(huán)耦合作用下圓柱試模氯離子擴(kuò)散速度，共9塊.

以上2組試驗(yàn)，每種對(duì)應(yīng)3個(gè)試塊，實(shí)驗(yàn)結(jié)果求平均值.所有試件成型1天后拆模即放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28天，在80 ℃環(huán)境中干燥24 h，取出后冷卻至室溫.按照GBJ 82—85《普通混凝土長期性能和耐久性性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行凍融試驗(yàn).

2.2 評(píng)價(jià)參數(shù)

(1)用混凝土石塊的質(zhì)量損失率來評(píng)價(jià)混凝土的抗鹽凍性能，同時(shí)考慮到試塊表層的剝落狀況.質(zhì)量損失率按公式計(jì)算[4-7]：

其中：mn為質(zhì)量損失百分比(kg/m2)；mb為第n次循環(huán)剝落量(kg)；mt為試塊質(zhì)量(kg).

(2)通過電通量描述氯離子擴(kuò)散速度，電通量越大氯離子擴(kuò)散速度越快.通過時(shí)間與電流的關(guān)系曲線，將曲線中各試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)相連接，對(duì)曲線進(jìn)行面積積分，得到電通量試驗(yàn)的結(jié)果.取同一個(gè)試驗(yàn)組的3個(gè)試塊的電通量平均值作為實(shí)際試驗(yàn)數(shù)值.如果3組數(shù)據(jù)中，任意兩個(gè)試塊的數(shù)據(jù)結(jié)果相差超過15%，那么取兩個(gè)試塊的電通量平均值作為該組的結(jié)果.如有兩個(gè)試塊的試驗(yàn)數(shù)值與兩試快的中值的差值都超過中值的15%，則取中值作為該組的試驗(yàn)結(jié)果.

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 電通量對(duì)比分析

L、J、X分別代表裸混凝土、只涂有防水劑的混凝土、先將防水劑均勻涂刷在試件表面上再將防腐涂層均勻涂刷在試件表面上的混凝土.

由折線圖1可知，在氯離子和凍融循環(huán)耦合作用下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)不斷增加，裸混凝土電通量達(dá)到最大為3864.3 C.只涂有防水劑的次之最大為1553.6 C，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，氯離子的擴(kuò)散系數(shù)隨之增大.涂有雙層涂料的電通量最大為1158.5 C，相比之雙層涂料保護(hù)作用下，電通量相比裸混凝土降低了70%，比只涂有防水劑的混凝土降低了25%.說明雙層涂層能有效降低氯離子侵蝕，且效果好于其他兩種混凝土.

圖1 3種混凝土凍融后的電通量

3.2 質(zhì)量損失百分比對(duì)比分析

由試驗(yàn)可知，未涂刷防腐涂層的混凝土經(jīng)鹽凍后表面剝蝕嚴(yán)重，粗、細(xì)骨料暴露嚴(yán)重，混凝土表面出現(xiàn)一部分微小裂紋.涂刷防腐涂層和防水涂層的混凝土雖然同樣經(jīng)歷了循環(huán)鹽凍，但表面平整，并無明顯剝落跡象.因此，涂層能顯著降低混凝土的質(zhì)量損失率，提高混凝土的耐久性和抗腐蝕性能，可以作為避免混凝土鹽凍損傷的有效途徑.

由折線圖2可知，在氯離子侵蝕和凍融循環(huán)耦合作用下，混凝土的質(zhì)量損失率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，裸混凝土的質(zhì)量損失率相對(duì)于其它兩種混凝土損失率比較大，只涂有防腐劑的次之，雙涂層混凝土的質(zhì)量損失最少.在凍融循環(huán)56次作用后，相比之下雙涂層保護(hù)作用下，更能有效降低混凝土的質(zhì)量損率，最大能降低3.8%.隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，涂有雙層涂層的混凝土質(zhì)量損失率相比裸混凝土有所降低.

圖2 3種混凝土凍融后的質(zhì)量損失率

3.3 理論分析

氯離子在混凝土中的主要作用形式為滲透和擴(kuò)散，氯離子侵蝕與凍融循環(huán)的復(fù)合作用下，氯離子能提高混凝土的滲水吸水效果，使得混凝土內(nèi)部的飽和水增多，并且降低了混凝土的吸水時(shí)間.混凝土內(nèi)部飽和水增多，經(jīng)過凍融循環(huán)作用后，凍水增多凍脹力增大.隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，在反復(fù)應(yīng)力作用下的混凝土，使得其內(nèi)部承受反復(fù)的應(yīng)力，通過氯離子和凍融循環(huán)的耦合效果，進(jìn)一步加劇了混凝土的破壞，與試驗(yàn)所得結(jié)果相對(duì)應(yīng)[8].

4 結(jié) 論

(1)混凝土的質(zhì)量損失和氯離子擴(kuò)散系數(shù)(電通量)隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大，涂有雙層涂料的電通量最大為1158.5 C，相比之雙層涂料保護(hù)作用下，電通量相比裸混凝土降低了70%，比只涂有防水劑的混凝土降低了25%.說明雙層涂層能有效降低氯離子侵蝕，且效果好于其他兩種混凝土.

(2)凍融循環(huán)作用下，涂有防腐涂層和防水涂層的混凝土的抗凍性能比只涂防腐涂層的混凝土好.經(jīng)過56次鹽凍后，涂刷該涂料混凝土比普通混凝土質(zhì)量損失降低了3.8%以上，混凝土表面無明顯剝蝕痕跡，顯著地提高了混凝土的抗鹽凍性能.

[1]張麗敏.嚴(yán)寒地區(qū)橋梁在鹽凍環(huán)境下的耐久性技術(shù)研究[J].北方交通,2013(12):29～30

[2]劉國明.針對(duì)高速公路橋梁鹽蝕、堿蝕病害的防腐防護(hù)[J].中國水運(yùn),2015,7(15):233～236

[3]賈永昌.河北省高速公路橋梁鹽堿蝕病害的現(xiàn)狀分析及防治措施[J].北方交通,2014(10):26～30

[4]喬琪.化冰鹽環(huán)境下鋼筋混凝土構(gòu)件耐久性研究與設(shè)計(jì)[D].甘肅:蘭州理工大學(xué),2010

[5]Du YG,Clark LA,Chan AHC.Residual capacity of corrodedreinforcing bars[J]．Mag Concr Res,2005,57(3):135～47

[6]劉輝.提高高寒鹽漬土地區(qū)混凝土耐久性的措施及對(duì)策研究[J].甘肅科技,2015,31(7):110～112

[7]周綱,李少榮,王掌軍,王沖鋒.鹽漬土地區(qū)混凝土腐蝕狀況調(diào)查分析[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2011,28(4):121～127

[8]李蓮欣.氯離子侵蝕引起的鋼筋銹蝕對(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)耐久性影響的研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2009

Experimental Study on Concrete Anti-Corrosive Coatings in Experimental Study on Concrete Anti-Corrosive Coatings in Saline-Alkaline Environment in Cold Region

XUZhen-hai,ZHANGLi-qun,RONGHu-ren,JIAChen-chen

(Hebei University of Architecture,Zhangjiakou 075000,China)

Three kinds of concrete,namely,bare concrete,anti-corrosive coating concrete,double-coated concrete with anti-corrosion agent and water-proofing agent,are studied under the condition of coupling of chloride ion attack and freezing-thawing cycle,in which the chloride diffusion coefficient,the appearance of concrete and the percentage of mass loss are measured.Experimental results show that freeze-thaw cycle promotes the diffusion of chloride ions,which aggravates the deterioration of concrete.The performance of double-coated concrete with preservative and waterproofing agent is better than that of the other two kinds of concrete.The double-coated concrete provides theoretical basis and experimental reference for anti-corrosion of concrete under saline-alkaline environment in northern cold regions.

cold region;anti-corrosive coating;chloride ion erosion;freeze-thaw cycle

2016-11-12

河北建筑工程學(xué)院創(chuàng)新基金項(xiàng)目(XB201603)；河北省科技廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(15275420);張家口市科技計(jì)劃財(cái)政資助項(xiàng)目(1611061A)

許振海(1991-)，男，碩士研究生在讀.

10.3969/j.issn.1008-4185.2017.01.010

TU 5

A