清水混凝土保護劑對混凝土抗凍性能的影響研究

張志增 ，張云鵬 ，李松凡 ，陳一飛 ，李芳 ，柳志丹 ，陳軍程 ，秦鈺娟

（1.中原工學院 建筑工程學院，河南 鄭州 450007；2.玉溪市江通高速公路有限公司，云南 玉溪 652600；3.河南高速公路發(fā)展有限責任公司，河南 鄭州 450052）

0 引言

清水混凝土保護劑是指既能夠提高混凝土的耐久性，又能保留混凝土本色與質(zhì)地的一種高新技術(shù)產(chǎn)品[1]。清水混凝土保護劑通過表面成膜或發(fā)生一系列物理化學反應生成新物質(zhì)，從而達到良好的防護效果。在我國很多標志性清水混凝土建筑在后期均采用涂刷清水混凝土保護劑來提高其耐久性[2]。

清水混凝土保護劑根據(jù)其使用的環(huán)境，應具有比較突出的一種或幾種性能，例如寒冷地區(qū)對混凝土的抗凍性要求很高等[3]。在我國北方寒冷地區(qū)，混凝土的凍融破壞已經(jīng)表現(xiàn)的日益突出，因此，選用對混凝土抗凍融效果好的清水混凝土保護劑非常重要。

目前，市場上的清水混凝土保護劑主要有丙烯酸樹脂、有機硅樹脂和氟碳聚合物等[4]，大量實踐證明，清水混凝土保護劑確實對混凝土的抗凍融能力有一定的影響，但缺乏足夠的數(shù)據(jù)證明在混凝土抗凍融方面的具體情況，從而制約了清水混凝土保護劑的進一步發(fā)展，開展清水混凝土保護劑對混凝土抗凍融性能的評價十分有必要。本研究采用目前市場上主流的幾種清水混凝土保護劑，考察其對混凝土抗凍融性能的影響。

1 試驗

1.1 試件的制備和養(yǎng)護

水泥：鄭州天瑞P·O42.5水泥；河砂：表觀密度2600 kg/m3，堆積密度1580 kg/m3，細度模數(shù)2.48，含泥量5.3%；碎石：5～20 mm連續(xù)級配，表觀密度2890 kg/m3，堆積密度1600 kg/m3，吸水率1.9%；減水劑：德國西卡，主要成分聚羧酸鹽，減水率30%。混凝土強度按C40配制，水灰比為0.5，經(jīng)過多次適配，得到具體配合比見表1。

表1 混凝土的配合比 kg/m3

成型100 mm×100 mm×400 mm的長方體混凝土試塊，為了不影響混凝土表面涂裝，澆筑時不使用脫模劑[5]。試塊成型48 h后拆模，將其放入溫度20℃、相對濕度95%的標準養(yǎng)護室養(yǎng)護至28 d齡期，然后放入60℃的烘箱中干燥48 h，取出試件待冷卻至室溫后備用。

1.2 試件的涂裝

本試驗采用丙烯酸類清水混凝土保護劑體系為QD-700丙烯酸樹脂透明保護底漆和QD-900丙烯酸樹脂透明保護面漆，深圳市清典建材科技有限公司；有機硅類清水混凝土保護劑體系為LB有機硅清水混凝土保護劑底漆和LB有機硅清水混凝土保護劑面漆，北京市藍寶新技術(shù)股份有限公司；氟碳類清水混凝土保護劑體系為QD-100氟碳樹脂透明保護劑底漆和QD-300氟碳樹脂透明保護劑面漆，深圳市清典建材科技有限公司。試件涂刷步驟如下：

（1）將養(yǎng)護至28 d的混凝土試件取出，用砂紙、銼刀對其表面進行打磨，清理表面的空鼓、砂包等缺陷，并將混凝土試件表面的棱角進行倒角處理，然后用干抹布擦干凈待用[6]。

（2）混凝土試件采用輥涂處理，先涂刷底漆，后涂刷面漆，每種類別清水混凝土保護劑分5種涂刷方式，分別為：①2層底漆；②2層面漆；③1層底漆+1層面漆；④2層底漆+2層面漆；⑤3層底漆+3層面漆。采用每個涂層橫豎各涂刷1遍的方法，盡量保證涂刷均勻且無遺漏，參照保護劑廠家提供資料，上一道涂層與下一道涂層涂刷間隔為6 h。

（3）待涂層混凝土試件表面漆刷完畢后，放置于室內(nèi)干燥環(huán)境72 h，另外制作空白試件（無涂層）用作對比。

1.3 混凝土的凍融循環(huán)試驗

（1）根據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》中的快凍法測試混凝土試件在水凍水融條件下，經(jīng)受相同的快速凍融循環(huán)次數(shù)后的性能變化來表示抗凍性能。

（2）采用100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體混凝土試件，每組3塊，對試件進行編號，稱量初始質(zhì)量記為W0i，測試橫向基頻初始值記為f0i。

（3）將混凝土試件放入凍融箱的試件盒內(nèi)并注入清水，且盒內(nèi)水位高度高于試件頂面5 mm。

（4）運行混凝土快速凍融系統(tǒng)，并設(shè)置試件中心最低溫度-18℃，最高8℃，融解時間60 min，冷凍時間100 min。

（5）每25次凍融循環(huán)取出試件，清洗并擦干表面水分后，測量試件的質(zhì)量Wni及橫向基頻fni。

凡達到以下3種情況之一即可停止試驗：①已達到300次循環(huán)；②相對動彈性模量下降到60%以下；③質(zhì)量損失率達5%。

2 結(jié)果與討論

將靜置完畢的涂層混凝土試件放入凍融箱試件盒內(nèi)開始試驗，凍融循環(huán)次數(shù)達到150次時，取出試件進行抗凍性測試。

2.1 涂刷2層底漆對混凝土抗凍性的影響（見圖1）

圖1 涂刷2層保護劑底漆對混凝土抗凍性的影響

由圖1（a）可以看出，涂有清水混凝土保護劑的混凝土試件相比基準試件質(zhì)量損失率均有所減小，混凝土試塊的質(zhì)量均為先略有增加，達到一定的凍融循環(huán)次數(shù)后質(zhì)量開始減小。當凍融循環(huán)達到150次時，涂刷氟碳類、有機硅類和丙烯酸類清水混凝土保護劑底漆的試件質(zhì)量損失率分別為1.09%、1.12%、1.42%，其中涂刷氟碳類和有機硅類清水混凝土保護劑底漆的質(zhì)量損失率相差不大，效果略好于涂刷丙烯酸類清水混凝土保護劑底漆的。主要原因是在凍融循環(huán)初期，進行水凍水溶的混凝土試件孔隙不斷吸水導致其質(zhì)量略有增加，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土表面及內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷導致局部開始脫落，致使混凝土試件質(zhì)量開始減小，氟碳類清水混凝土保護劑底漆由于其為有機硅乳液和氟碳樹脂的復合，優(yōu)異的性能使其具備很好抗凍效果，有機硅類清水混凝土保護劑底漆在本質(zhì)上為硅烷，有較好的防水效果，故二者的質(zhì)量損失率相差不大，且高于涂刷丙烯酸類清水混凝土保護劑的。

由圖1（b）可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土試件的相對動彈性模量均呈下降趨勢，在初期下降速度較為緩慢且彼此相差不大，后期下降速度略有加快且逐漸差異化，涂刷3種清水混凝土保護劑底漆均在一定程度上減緩了相對動彈性模量的下降速度。當凍融循環(huán)達到150次時，涂刷氟碳類、有機硅類和丙烯酸類清水混凝土保護劑底漆的試件相對動彈性模量分別為71.1%、72.2%和66.8%，其中氟碳類和有機硅類清水混凝土保護劑底漆效果最好且相差不大，丙烯酸類清水混凝土保護劑底漆效果略差。主要原因是凍融循環(huán)前期保護劑可以有效阻止水分等有害介質(zhì)的侵蝕，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土試件不斷遭到熱脹冷縮作用的破壞，使得混凝土試件的動彈性模量逐漸增大，其中氟碳類清水混凝土保護劑底漆為結(jié)合了有機硅乳液和氟碳樹脂的復合保護劑，而有機硅類清水混凝土保護劑底漆在本質(zhì)上為硅烷，硅烷可以滲透到混凝土內(nèi)部形成憎水層，從而在一定程度上阻止了水分在混凝土內(nèi)部的滲透和運動，減少了混凝土膨脹造成的拉應力以及水分遷移和重排形成的壓應力。

2.2 涂刷2層面漆對混凝土抗凍性的影響（見圖2）

圖2 涂刷2層保護劑面漆對混凝土抗凍性的影響

由圖2（a）可以看出，當凍融循環(huán)達到150次時，涂刷氟碳類、有機硅類和丙烯酸類清水混凝土保護劑面漆的試件質(zhì)量損失率分別為0.81%、1.07%、1.21%，對比涂刷同類別清水混凝土底漆的其質(zhì)量損失率均有所減小。由圖2（b）可以看出，3種清水混凝土保護劑面漆均能在一定程度上減緩混凝土試件相對動彈性模量的下降速度。當凍融循環(huán)達到150次時，涂刷氟碳類、有機硅類和丙烯酸類清水混凝土保護劑面漆的試件相對動彈性模量分別為78.7%、73.4%和69.2%，其中氟碳類和有機硅類清水混凝土保護劑面漆效果最好且相差不大，丙烯酸類清水混凝土保護劑面漆抗凍效果較差。

綜合圖1和圖2可以看出，同類別清水混凝土保護劑面漆具有更好的抗凍能力。

2.3 涂刷1層底漆+1層面漆對混凝土抗凍性的影響（見圖3）

圖3 涂刷1層底漆+1層面漆對混凝土抗凍性的影響

由圖3（a）可以看出，涂刷3種清水混凝土保護劑的試件相比基準試件質(zhì)量損失率均有所減小。當凍融循環(huán)達到150次時，涂刷氟碳類、有機硅類和丙烯酸類清水混凝土保護劑的試件質(zhì)量損失率分別為0.71%、0.82%和1.12%，抗凍效果由好到壞依次為氟碳類＞有機硅類＞丙烯酸類。由圖3（b）可以看出，3種清水混凝土保護劑體系底漆面漆各1層均能在一定程度上減緩混凝土試件相對動彈性模量的下降速度。當凍融循環(huán)達到150次時，涂刷氟碳類、有機硅類和丙烯酸類清水混凝土保護劑體系的試件相對動彈性模量分別為79.6%、77.3%和68.6%，其中氟碳類和有機硅類清水混凝土保護劑體系效果最好且相差不大，丙烯酸類清水混凝土保護劑體系抗凍效果稍差。

整體來看，對比同類別清水混凝土保護劑面漆效果相差不大，但效果好于同類別底漆。主要原因是，氟碳類保護劑成膜致密性高，有效阻止了水分等有害介質(zhì)的侵害從而在源頭上減少了凍害的發(fā)生，較好保護混凝土試件，而且配套的清水混凝土保護劑體系結(jié)合性能好，更能從整體發(fā)揮保護作用。

2.4 涂刷2層底漆+2層面漆對混凝土抗凍性的影響（見圖4）

圖4 涂刷2層底漆+2層面漆對混凝土抗凍性的影響

由圖4（a）可以看出，涂刷3種清水混凝土保護劑的試件相比基準試件質(zhì)量損失率均有所減小。當凍融循環(huán)達到150次時，涂刷氟碳類、有機硅類和丙烯酸類清水混凝土保護劑體系的質(zhì)量損失率分別為0.53%、0.63%和1.02%?？箖鲂Ч珊玫綁囊来螢榉碱悾居袡C硅類＞丙烯酸類。綜合圖3（a）和圖4（a）可以看出，隨著涂刷層數(shù)的增加，同類別清水混凝土保護劑體系的質(zhì)量損失率穩(wěn)步下降。主要原因是，凍融循環(huán)前期，涂層較少的混凝土試件容易較早出現(xiàn)保護層破壞，從而使抗凍能力下降，而增加涂層則可以較好的延緩保護層的破壞，從而提升混凝土試件的抗凍能力，混凝土脫落面積減少，質(zhì)量損失率減少。由圖4（b）可以看出，涂刷3種清水混凝土保護劑體系底漆面漆各2層均有效減緩了混凝土試件的相對動彈性模量的下降速度。當凍融循環(huán)達到150次時，涂刷氟碳類、有機硅類和丙烯酸類清水混凝土保護劑體系的試件相對動彈性模量分別為83.3%、80.4%和72.9%，其中氟碳類和有機硅類清水混凝土保護劑體系效果最好且相差不大，丙烯酸類清水混凝土保護劑體系抗凍效果稍差。整體來看，比涂刷同類別清水混凝土保護劑體系底漆面漆各1層效果有較大提升，說明增加涂刷層數(shù)可以進一步提高凍融循環(huán)環(huán)境下混凝土的相對動彈性模量。

2.5 涂刷3層底漆+3層面漆對混凝土抗凍性的影響（見圖5）

由圖5（a）可以看出，涂刷3種清水混凝土保護劑的試件相比基準試件質(zhì)量損失率均有所減小。當凍融循環(huán)達到150次時，涂刷氟碳類、有機硅類和丙烯酸類清水混凝土保護劑的試件的質(zhì)量損失率分別為0.32%、0.45%、0.91%?？箖鲂Ч珊玫綁囊来螢榉碱悾居袡C硅類＞丙烯酸類。由圖5（b）可以看出，涂刷3種清水混凝土保護劑體系底漆面漆各3層可以很好的減緩混凝土試件相對動彈性模量的下降速度。當凍融循環(huán)達到150次時，涂刷氟碳類、有機硅類和丙烯酸類清水混凝土保護劑體系的試件相對動彈性模量分別為86.7%、83.2%和74.3%，其中氟碳類和有機硅類清水混凝土保護劑體系效果最好且相差不大，丙烯酸類清水混凝土保護劑體系抗凍效果稍差。比涂刷同種類別清水混凝土保護劑體系底漆面漆各2層的保護效果有一定的提升，說明清水混凝土保護劑體系底漆面漆各2層沒有完全發(fā)揮保護劑抗凍效果，增加涂層仍然可以進一步提升混凝土抗凍效果。

2.6 綜合分析

根據(jù)以上混凝土凍融循環(huán)試驗結(jié)果可知，3種清水混凝土保護劑體系均能降低混凝土的質(zhì)量損失率，減緩混凝土的相對動彈性模量下降速度。當凍融循環(huán)次數(shù)達到150次時，面漆的抗凍效果優(yōu)于底漆；3種清水混凝土保護劑中，氟碳類清水混凝土保護劑體系抗凍性能最好，有機硅類清水混凝土保護劑體系抗凍性能次之，丙烯酸類清水混凝土保護劑體系抗凍性能最差；隨著清水混凝土保護劑體系涂刷層數(shù)的增加，3種清水混凝土保護劑體系的抗凍效果逐漸提升。

3 結(jié)論

（1）3種清水混凝土保護劑體系均能在一定程度上提高混凝土的抗凍性能。

（2）清水混凝土保護劑體系面漆對混凝土抗凍性能的提高要強于底漆。

（3）氟碳類清水混凝土保護劑體系對混凝土的抗凍效果最好，有機硅類清水混凝土保護劑體系次之，丙烯酸類清水混凝土保護劑體系效果最差。

（4）隨著清水混凝土保護劑體系涂刷層數(shù)的增加，3種清水混凝土保護劑體系的抗凍效果逐漸提升。