生態(tài)水泥基混凝土防腐增強(qiáng)涂料在道路基層上的應(yīng)用

張靖宇

摘要 生態(tài)水泥具有優(yōu)異的特性，擁有良好的緩凝性能、微膨脹性能和后期穩(wěn)定性，可以達(dá)到道路工程水穩(wěn)層施工設(shè)計(jì)要求，并且可以用于工程建設(shè)中的混凝土結(jié)構(gòu)表面修復(fù)和耐腐蝕強(qiáng)化工程中。研究發(fā)現(xiàn)，不同配方的涂料對混凝土的穩(wěn)定性有顯著提升，抗碳化和抗?jié)B性能增強(qiáng)，并能夠顯著提高構(gòu)件的遮瑕作用、力學(xué)性能和抗碳化能力，將有利于生態(tài)水泥基混凝土防腐增強(qiáng)涂料在道路基層上的應(yīng)用推廣。

關(guān)鍵詞 生態(tài)水泥基涂料；防腐增強(qiáng)；工程應(yīng)用；道路

中圖分類號 TU997文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）09-0053-03

0 引言

水泥基涂料是一類常見的保護(hù)涂料，其組成通常包含砂漿、硅灰、粉煤炭和石膏。王廷勛[1]利用硅丙乳液制造出了這種具有白色反射功能的屋面涂料，其不僅具有防腐和保護(hù)功能，而且還能夠滿足使用環(huán)境的苛刻要求。這種涂料的制造操作簡單易行，施工和養(yǎng)護(hù)工序也十分簡單。李成吾等人[2]利用改變砂漿、重質(zhì)碳酸鈣和石英砂的比例，大幅度地提升了聚合物水泥基防水涂料的延展特性。焦寶祥等人[3]則利用EVA加強(qiáng)涂料的黏附力，并采用減水劑和緩凝劑來減少其黏度和流動性損失，最終研發(fā)出這種可用作島礁及沿海鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑中預(yù)先安裝鋼筋表面的防銹涂料。因此，該文擬提出一種新型的生態(tài)水泥基混凝土結(jié)構(gòu)防銹強(qiáng)化材料。它的組成成分單一、綠色環(huán)保護(hù)，對人身和自然環(huán)境無任何不良影響。應(yīng)用時(shí)，制備工藝簡便，無需特殊養(yǎng)護(hù)，能夠在嚴(yán)酷的自然環(huán)境中長期使用，極大地節(jié)約了原材料和人力成本。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

經(jīng)過該次實(shí)驗(yàn)，該文制備出了一種生態(tài)水泥基混凝土結(jié)構(gòu)防腐增強(qiáng)涂料。它由固態(tài)和液態(tài)兩種組分?jǐn)嚢瓒伞９虘B(tài)組分由砂漿基膠凝材料（由砂漿、粉煤灰、硅灰和石灰石粉構(gòu)成）構(gòu)成，其主要組成如表1所示。液相減水劑固濃度達(dá)到40%，而粉料品質(zhì)分?jǐn)?shù)的1%摻量可以有效降低減水率，達(dá)到35%～40%。攪拌水所用的飲用水應(yīng)當(dāng)確保無粒徑雜物，且pH應(yīng)當(dāng)為中度或弱堿性。在實(shí)驗(yàn)中，該文選用了普通硅酸鹽水泥、河砂和碎石顆粒制成的C30混凝土試塊，并選擇了食用級自來水進(jìn)行拌和。

1.2 試驗(yàn)方法

按照《一般混凝土配合比設(shè)計(jì)方法》（JGJ55—2011），該文配制了C30混凝土結(jié)構(gòu)，并按照《一般建筑材料力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081—2002）開展了抗壓抗折測試[4]。為了增加材料的強(qiáng)度，該文在水灰比為0.30的40 mm×40 mm×160 mm水泥凈漿試驗(yàn)面上垂直于位置涂抹了兩遍，空白組為水灰比為0.30的40 mm×40 mm

×160 mm水泥凈漿試件。按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50082—2009），使用RCM法檢測C30鋼筋的抗碳化性、抗水滲性和抗氯離子滲透性，將制成的材料涂抹在受侵蝕面上，然后將其自然組裝成不經(jīng)過處理的鋼筋[5]。在28 d的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)房中，將生態(tài)砂漿及鋼筋防銹強(qiáng)化材料刷涂，然后將混凝土試件脫模，經(jīng)過24 h的成型期后，再開展各項(xiàng)檢測。

按照《砌體工程現(xiàn)場檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50315—2000），該文對現(xiàn)場試驗(yàn)點(diǎn)開展了反應(yīng)能力和碳化測試，并使用RigakuD/maX-1200x光線衍射儀（Cu靶）研究了涂料硬化體顆粒結(jié)構(gòu)，同時(shí)還使用TESCAN VEEGA掃描電子顯微鏡觀察了涂料表面的形態(tài)特征。

2 結(jié)果與討論

2.1 最佳配方研究

通過將粉體物料與去離子水?dāng)嚢瑁梢灾圃斐霾煌冶鹊耐苛?，其中包?.30、0.35、0.40、0.45、0.50、0.55、0.60、0.65、0.70、0.75、0.80或者0.90，并使用黏度計(jì)測定其黏度值，具體結(jié)果見表2。將油漆均勻涂抹在戶外混凝土平臺上，每次涂抹面積約為100 cm2，涂抹完成后，觀察3 min、3 h和3 d的表面效果，如圖1所示。

當(dāng)水灰比達(dá)到0.40時(shí)，涂料的黏度值達(dá)到最高，達(dá)到2 074.5 MPa，隨著水灰比的提高，黏度也會相應(yīng)降低。然而，當(dāng)水灰比低于0.40時(shí)，涂料的黏度將會變得極低，甚至無法測量。在圖1中，當(dāng)水灰比低于0.40時(shí)，涂抹后3 min就會產(chǎn)生裂縫，而且涂抹過程極其艱難；而當(dāng)水灰比低于0.60時(shí)，裂縫的長度和比例會逐漸增大；當(dāng)水灰比低于0.75時(shí)，裂縫的形成會變得嚴(yán)重，隨著水灰比的繼續(xù)降低，裂縫的情況會變得更加嚴(yán)重。

經(jīng)過3 d涂刷效果比較，該文認(rèn)為，水灰比在0.70～0.90左右的噴涂結(jié)果最好。幾年來，行業(yè)研究表明，水泥基復(fù)合材料的水灰比越小，制造出的復(fù)合材料越密實(shí)。為了驗(yàn)證這一結(jié)論，該文采用了水灰比為0.35的涂料，并在其中加入聚羧酸減水劑，使其得到0.85時(shí)的黏度值，然后與未加入減水劑時(shí)的涂料展開為期90 d的對比測試，最后噴涂完畢后，經(jīng)過自然養(yǎng)護(hù)，涂料質(zhì)量得到了顯著改善。

2.2 生態(tài)水泥在路面基層的性能分析

在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，該文使用了4種不同的水泥劑量（4.0%、4.5%、5.0%和5.5%），碎石取自當(dāng)?shù)氐幕炷琳尽８鶕?jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F20—2015），該文將礦料混合在一起，并將其摻入混合料中，得出了10～30 mm∶10～20 mm∶5～10 mm∶石粉=10∶35∶20∶35。研究表明，不同劑量的水泥可以顯著改善道路地基穩(wěn)定材料的力學(xué)性能。為此，該文開展了擊實(shí)試驗(yàn)和7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示，為應(yīng)用脫硫灰渣水泥提出了有力的理論支撐和技術(shù)。

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)，伴隨混凝土用量的增長，無機(jī)結(jié)合料的最佳含水量也會隨之提高。這是因?yàn)榘殡S著混凝土用量的增長，拌和料中的細(xì)料會越來越多，而流化床固硫灰渣的粒度大都呈無序狀態(tài)，表面有大量的連通孔，而且經(jīng)過粉磨處理后，它們的微觀形態(tài)基本上不會產(chǎn)生改變，因此，伴隨混凝土用量的增長，最佳含水量也會呈上升態(tài)勢。伴隨混凝土摻入的增長，最高干密度也會相應(yīng)提高。這是因?yàn)樗嗉?xì)度較高，水化反應(yīng)速度也更快，在擊實(shí)試驗(yàn)中，有些混凝土?xí)a(chǎn)生水化反應(yīng)，形成混凝土石，從而提高混合料的比例，從而使混合料的干密度也隨之提高。由于水泥摻量的提升，7 d無側(cè)限強(qiáng)度也呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢，這是因?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)中添加的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣的比例有所提高，使得機(jī)體的硬度獲得了提升。

2.3 性能提升機(jī)理

所用粉末由粉煤灰、二氧化硅和石灰石粉復(fù)摻。粉煤灰由于其火山灰效應(yīng)、微骨料效應(yīng)和形態(tài)效應(yīng)，在水泥漿中具有許多優(yōu)點(diǎn)。粉煤灰細(xì)，玻璃離子聚集度低，玻璃微珠多。光滑的球形顆粒在水泥漿體中起到潤滑和滾動的作用。吸附在顆粒表面形成的雙層結(jié)構(gòu)改善了潤滑度，改善了流動性和可加工性，提高了保水性和均勻性。硅灰具有很高的活性，其非常微小的顆粒性質(zhì)能夠在水泥漿中高度分散，填充水泥顆粒之間的空隙，使水泥漿更加致密，利用其火山灰效應(yīng)和充填效果，提高水泥漿強(qiáng)度，使體系更加致密。石灰石粉的加入使得水泥基材料形成致密的充填結(jié)構(gòu)和自黏細(xì)觀堆積體系，從而有效提高了水泥基材料的綜合性能，既提高了力學(xué)性能，又提高了水泥基材料的力學(xué)性能和耐久性。分散在水泥漿中的石灰石粉在水泥水化體系中起到成核作用，加速水化過程，提高水化產(chǎn)物的均一性，使水泥結(jié)構(gòu)更加致密。在光滑和堅(jiān)硬的球形顆粒之間的石灰石粉可以起到“珠”的作用，以增加水泥漿的遷移率。石灰石粉的密度低于水泥，更換攪拌機(jī)后，可以得到更多體積的膠凝材料漿料，從而提高混合料的流動性。

3 工程應(yīng)用

將水灰比調(diào)節(jié)至0.40，并加入聚羧酸減水劑，使涂料的黏度達(dá)到350 MPa·s，最終制備的涂料可用于工程應(yīng)用。

2021年4月，南京市某公路路基結(jié)構(gòu)完成了驗(yàn)收。而在5月份，為了檢驗(yàn)其抗壓能力，在泵站環(huán)境最復(fù)雜的路基兩側(cè)進(jìn)行了測試，其中一側(cè)擋墻采用了C30級別的涂料，而另一側(cè)則在相同位置進(jìn)行了空白對比，最終完成了為期90 d的測試。經(jīng)過評估，該文發(fā)現(xiàn)混凝土表面的裂紋、蜂窩麻面遮蓋效果、回彈強(qiáng)度和碳化深度都達(dá)到了預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)。

圖2展示了路基擋墻的原始狀態(tài)。其中，（a）表面上出現(xiàn)了蜂窩狀麻面和嚴(yán)重的裂縫，而（b）和（c）則依次是涂抹了3 d和90 d后的效果圖。涂抹后，3 d涂料對水泥表層的遮瑕效應(yīng)也已十分顯著，而90 d涂料的遮瑕效應(yīng)仍然十分突出，原來粗糙度不均且布滿裂縫的水泥表層被涂料平整地遮蓋，沒有出現(xiàn)新的裂縫。經(jīng)過測試，涂料厚薄超過1.20 mm，用料介于1.6～2.0 kg/m2，擋墻設(shè)計(jì)硬度為C30，噴涂90 d后，硬度改變與碳化狀況如圖3所示。實(shí)測回彈強(qiáng)度達(dá)到了42 MPa，比原來提高了23.5%，碳化深度為0，碳化程度也達(dá)到了1.22 mm。

掃描電鏡觀察7 d至28 d的混凝土膠砂水化反應(yīng)顯微形態(tài)如圖4所示，發(fā)現(xiàn)大量的鈣礬石的形成，這不僅有助于提高混凝土膠砂的強(qiáng)度，而且還會使其具有微擴(kuò)張的特性，局部會有微小顆粒物充填及局部膠凝材料的形成，進(jìn)一步提升了混凝土膠砂的強(qiáng)度。觀察28 d混凝土膠砂水化反應(yīng)的顯微形態(tài)，顯示水泥水化反應(yīng)一般是由硅鋁相物料與溶解度在液相中的鈣離子之間發(fā)生綜合化學(xué)反應(yīng)，水泥細(xì)度越大，水化反應(yīng)的速度也就越快，而且水化過程的多少和類型也會影響膠凝材料的活力，灰渣中包含大量的活性物質(zhì)也提高了混凝土的力學(xué)性能。

4 結(jié)語

生態(tài)水泥基混凝土防腐增強(qiáng)涂料不僅可以有效地防止?jié)B漏和遮蓋瑕疵，還能夠有效地提升混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和強(qiáng)度，而且它的應(yīng)用生產(chǎn)成本較低，擁有極高的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的應(yīng)用前景。

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