水工混凝土新型防護(hù)涂層抗凍融性試驗(yàn)研究

劉桐渤

(莊河市水務(wù)事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 大連 116400)

中國東北部高寒地區(qū)具有獨(dú)特的環(huán)境條件和地理位置，相對于其它地區(qū)存在大風(fēng)日數(shù)頻繁、深覆蓋層凍土、日溫差大、嚴(yán)寒干燥等特點(diǎn)[1]。水工混凝土病害多樣，并以凍融破壞為主要裂化形式，凍融破壞會(huì)加速碳化、溶蝕、沖蝕等裂化進(jìn)程，加速其它不利因素作用[2-3]。

在混凝土表面噴涂一種耐腐蝕、抗?jié)B透涂料，從而形成一層能夠隔離水、CO2、氯鹽等有害介質(zhì)侵入的防水保護(hù)層，能夠彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)部多孔缺陷，有效抑制混凝土的開裂、承載力下降或剛度降低，改善混凝土耐久性，延長工程服役年限[4-10]。文章結(jié)合北方高寒地區(qū)特點(diǎn)，利用加速凍融試驗(yàn)探討了3種涂層材料的抗凍性，并以現(xiàn)場生產(chǎn)性試驗(yàn)驗(yàn)證了其適用性。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原材料與配合比

依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》相關(guān)操作流程制備水泥砂漿、混凝土試件，并標(biāo)養(yǎng)至規(guī)定的齡期以備使用。砂漿試件尺寸為160mm×40mm×40mm，試驗(yàn)用砂為ISO標(biāo)準(zhǔn)砂，水泥選用中熱水泥，水灰比為0.50，自來水；混凝土試件配合比，見表1，試件尺寸為400mm×100mm×100mm。

表1 混凝土試件配合比

本試驗(yàn)選用聚脲涂層體系(JNTC)、聚酯樹脂(JZSZ)、耐候性環(huán)氧涂層(NHHY)三種防護(hù)材料，聚以脂肪族聚脲和環(huán)氧膠泥作為聚脲涂層體系的面漆、底漆。為保證試件與涂料間的有效黏結(jié)，涂刷前先將試件表面用拋光打磨機(jī)處理，保證表面平整度和無孔洞；然后清洗干凈表面污物并靜置放干，對混凝土試件利用聚酯樹脂涂刷厚2mm，并分別用聚脲涂層、耐候性環(huán)氧涂層涂刷水泥砂漿試件2mm厚，其中聚脲面漆、環(huán)氧膠泥底漆的涂刷時(shí)間間隔≥8h。完成以上供需后，在相對濕度50±5%、室溫22±2℃條件下按照《建筑防水涂料試驗(yàn)方法》養(yǎng)護(hù)7d備用。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與方法

嚴(yán)格按照試驗(yàn)規(guī)范推薦的方法和操作流程，利用MIT-683-063型全自動(dòng)凍融試驗(yàn)機(jī)和AG-IC-100kN型萬能試驗(yàn)開展相關(guān)試驗(yàn)，測定試件的抗凍性、抗折、抗壓和抗拉強(qiáng)度等。該規(guī)程規(guī)定了試驗(yàn)停止條件，即滿足質(zhì)量損失率≥5%、相對動(dòng)彈性模量減少至60%以下或凍融循環(huán)達(dá)到300次時(shí)停止試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗拉性能影響

涂層抗拉和黏結(jié)強(qiáng)度嚴(yán)格按照《建筑防水涂料試驗(yàn)方法》進(jìn)行測試，并選用綜合性能較好的材料開展凍融試驗(yàn)。

以《建筑防水涂料試驗(yàn)方法》為依據(jù)測試防護(hù)涂層的抗拉、黏結(jié)強(qiáng)度，并選用抗拉強(qiáng)度、黏結(jié)性能較好的涂層開展抗凍融試驗(yàn)。依據(jù)水泥砂漿試件和混凝土試件(均已涂覆防護(hù)涂層)的相對動(dòng)彈性模量、質(zhì)量損失率，以《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》為依據(jù)評判其抗凍等級，最終按照抗壓、抗折強(qiáng)度測試結(jié)果確定防護(hù)效果[11-12]。

經(jīng)多次反復(fù)試配調(diào)整，確定抗拉性能較好的JNTC、JZSZ、NHHY涂層配比，抗拉強(qiáng)度依次為11.35MPa、28.12MPa、24.07MPa。然后測試以上涂層的黏結(jié)性能，結(jié)果顯示耐候性環(huán)氧涂層(NHHY)破壞大多出現(xiàn)在混凝土基體上，其黏結(jié)力超過3.8MPa，其次為聚脲涂層(JNTC)，以環(huán)氧膠泥為底漆可以明顯提升與混凝土的黏結(jié)力。此外，水工混凝土與聚酯樹脂(JZSZ)之間的黏結(jié)力<2.0MPa，抗拉破壞主要集中于界面交界處。

試件經(jīng)多次凍融循環(huán)后的抗拉強(qiáng)度，涂層材料的抗拉性能，見圖1。結(jié)果顯示涂耐候性環(huán)氧涂層(NHHY)的試件經(jīng)150次凍融后依然具有較高的抗拉強(qiáng)度，當(dāng)達(dá)到200次凍融后開始明顯下降。涂聚脲涂層(JNTC)的試件抗拉強(qiáng)度受凍融破壞影響小，經(jīng)300次循環(huán)后抗拉強(qiáng)度近減少12.33%，并且凍融循環(huán)在300次以內(nèi)時(shí)表面未出現(xiàn)明顯裂紋或收縮變形的情況。

圖1 涂層材料的抗拉性能

2.2 抗凍性能測試

采用室內(nèi)加速凍融試驗(yàn)測試未涂防護(hù)材料(試驗(yàn)對照組1)、涂聚脲材料(組2)、涂耐候性環(huán)氧材料(組3)的水泥砂漿試件抗凍性，試驗(yàn)對照組1的抗凍性，見表2；涂防護(hù)材料的抗凍性能，見表3。

表2 試驗(yàn)對照組1的抗凍性

由表2可知，經(jīng)100次循環(huán)后試驗(yàn)對照組時(shí)間的動(dòng)彈性模量減小至11.82%，質(zhì)量損失率達(dá)到43.19%，試件表明出現(xiàn)嚴(yán)重破壞。

表3 涂防護(hù)材料的抗凍性能

由表3可知，涂耐候性環(huán)氧材料試件的抗凍等級達(dá)到F150，200次凍融循環(huán)后才逐漸出現(xiàn)裂縫；涂聚脲材料試件的抗凍等級為F250，經(jīng)300次凍融循環(huán)后仍未出現(xiàn)明顯裂縫，可見這種材料能夠大大增強(qiáng)抗凍性。經(jīng)凍融循環(huán)，水泥砂漿試件的相對動(dòng)彈性模量和質(zhì)量出現(xiàn)一定的增大，深入分析發(fā)現(xiàn)可能與聚脲材料表面吸附的水分有關(guān)。

2.3 力學(xué)性能分析

在試件表面單獨(dú)涂刷聚脲材料和耐候性環(huán)氧材料，并按照規(guī)范要求測試力學(xué)性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水泥砂漿與兩種涂層均具有較強(qiáng)的界面黏結(jié)力，凍融作用未引起明顯的應(yīng)變力，界面黏結(jié)較好，即水泥砂漿與涂層材料具有較好的溫度變形協(xié)調(diào)性[13-15]。

經(jīng)多次凍融循環(huán)，單獨(dú)涂不同防護(hù)材料試件的抗壓和抗折強(qiáng)度，水泥砂漿試件力學(xué)性能，見圖2。由圖2(a)可知，涂耐候性環(huán)氧材料試件的力學(xué)性能經(jīng)150次凍融循環(huán)后變化減??；經(jīng)200次循環(huán)后，因涂層出現(xiàn)裂縫試件內(nèi)部開始滲水，從而增強(qiáng)了凍融破壞，使得其力學(xué)性能開始下降，該變化趨勢與抗拉強(qiáng)度基本相似。

(a)涂耐候性環(huán)氧材料 (b)涂聚脲材料

由圖2(b)可知，隨凍融次數(shù)的增大涂聚脲材料試件的抗壓、抗拉強(qiáng)度均呈現(xiàn)出下降趨勢，并且抗折曲線下降幅度要高于抗壓強(qiáng)度曲線。涂聚脲材料試件的抗壓和抗折強(qiáng)度，經(jīng)100次凍融后剩余92.25%、87.74%，經(jīng)200次凍融后剩余75.77%、42.42%，經(jīng)300次凍融后剩余70.82%、3.32%。

2.4 現(xiàn)場生產(chǎn)性試驗(yàn)

為進(jìn)一步檢驗(yàn)水利工程實(shí)際應(yīng)用中新型聚脲涂層的康動(dòng)容防護(hù)效果，在莊河市朱隈水庫等除險(xiǎn)加固工程中相繼開展現(xiàn)場生產(chǎn)性試驗(yàn)?，F(xiàn)場觀測資料顯示，使用新型聚脲材料能夠有效減輕沖蝕、滲漏和凍融破壞作用，在很大程度上抑制混凝土剝蝕脫落和裂紋的形成。

3 結(jié) 論

水工混凝土病害多樣，并以凍融破壞為主要裂化形式，凍融破壞會(huì)加速碳化、溶蝕、沖蝕等裂化進(jìn)程和其它不利因素作用。對此，文章利用室內(nèi)加速凍融試驗(yàn)研究了3種新型防護(hù)涂層的抗凍性能。結(jié)果顯示，新型聚脲涂層體系的抗凍性能最好，使用新型聚脲材料能夠有效減輕沖蝕、滲漏和凍融破壞作用，在很大程度上抑制混凝土剝蝕脫落和裂紋的形成。因此，該材料有利于改善水工混凝土耐久性，可為東北部高寒地區(qū)水工結(jié)構(gòu)表面防護(hù)提供一種新的方法。