SK高耐候水泥基防護(hù)材料性能試驗(yàn)研究

孟川 楊慶勝 白振江

摘要：根據(jù)西北高寒地區(qū)水工混凝土建筑物表面防護(hù)要求，對新型SK高耐候水泥基防護(hù)材料進(jìn)行了試驗(yàn)研究。為驗(yàn)證其耐候、附著、抗凍等關(guān)鍵性能，引入了市面常見的乙烯基酯防腐涂層和水泥基柔性防水涂層等同類防護(hù)涂料作為對比材料，分別進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境、高溫海水浸泡、熱氧老化、紫外光老化、低溫環(huán)境下等不同條件的涂層力學(xué)性能測試、拉拔試驗(yàn)和凍融循環(huán)測試，并進(jìn)行了結(jié)果分析。結(jié)果表明：SK高耐候水泥基防護(hù)材料與市面同類材料相比，綜合耐候性能優(yōu)異，附著性能突出，抗凍性能較傳統(tǒng)聚合物水泥基材料有明顯提升，適用于寒冷地區(qū)水工混凝土建筑物表層防護(hù)。

關(guān)鍵詞：SK高耐候水泥;水工混凝土表面防護(hù);聚合物水泥基防護(hù)涂層;加速老化試驗(yàn);凍融

中圖法分類號：TQ172.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.10.011

1 研究背景

混凝土壩、廠房、水閘、渠道、渡槽、橋柱、工作橋等水工建筑物，隨著運(yùn)行年限的增長，建筑結(jié)構(gòu)的耐久性因環(huán)境影響而失效的現(xiàn)象增多，由于氣候變化造成的環(huán)境變化對水工建筑耐久性的影響問題嚴(yán)峻[1]。根據(jù)水利工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其服役環(huán)境的不同，水工混凝土常見病害主要包括物理性危害（裂縫、凍脹，沖磨空蝕等）和化學(xué)性危害（堿骨料反應(yīng)、碳化、腐蝕、溶蝕等）。由于水工混凝土自身因素及其運(yùn)行環(huán)境的差異，這幾類病害對水工混凝土的危害程度也不相同[2-3]。在寒冷地區(qū)修建的水工混凝土建筑物，迎水面水位變化區(qū)工作條件極其苛刻。已有研究表明，混凝土溫度驟降是產(chǎn)生和加重溫度裂縫的最主要原因[4]。此外，凍融破壞也是我國寒冷地區(qū)水工混凝土建筑物的常見病害，普遍發(fā)生在寒冷地區(qū)經(jīng)常與水接觸的混凝土結(jié)構(gòu)物，特別是水位變化區(qū)的水工和海工混凝土結(jié)構(gòu)物。在我國東北、華北、西北地區(qū)，水工混凝土建筑物水位變化區(qū)域的混凝土幾乎100%遭受不同程度的凍融破壞[5]，如東北地區(qū)的云峰水電站大壩、豐滿水電站大壩、松月水庫大壩、滿臺城水庫大壩等均出現(xiàn)迎水面混凝土凍融剝蝕破壞現(xiàn)象。為了修復(fù)這些已建混凝土大壩的凍融剝蝕破壞，防止壩面開裂引起的高壓水力劈裂和混凝土、鋼筋性能劣化的隱患，提高大壩工程安全性和耐久性，在混凝土表面一定范圍涂刷一層綜合耐候性強(qiáng)且具備防滲和抗凍功能的涂料進(jìn)行耐久性防護(hù)是非常必要的。為此，研究性能優(yōu)越、造價低廉的涂層防護(hù)材料具有重要意義。

2 SK高耐候水泥基防護(hù)材料

傳統(tǒng)聚合物水泥基防水涂料兼有聚合物和水泥的特點(diǎn)，既具備聚合物乳液優(yōu)異的延伸性和防水性，也有水硬性膠凝材料強(qiáng)度高、與潮濕基層載結(jié)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在我國的多個建筑結(jié)構(gòu)部位（如廁浴、廚房、建筑物屋面、地下室等）中得到廣泛應(yīng)用，目前已成為我國建筑防水材料領(lǐng)域中不可或缺的材料[6]，但也存在易出現(xiàn)耐水性變差、開裂等耐久性問題[7]。

SK高耐候水泥基防護(hù)材料是一種經(jīng)過納米填料改性的水性乳液與水泥、石英砂等粉料組成的聚合物水泥基復(fù)合材料。該材料中選用的乳液是一種采用納米分散聚合物微乳液共聚技術(shù)制備，具有多支化骨架結(jié)構(gòu)并接枝高反應(yīng)活性官能團(tuán)的水性環(huán)保樹脂。由于該材料獨(dú)有的分子結(jié)構(gòu)能夠形成致密漆膜，能有效阻斷及減緩各類不利環(huán)境因素導(dǎo)致的老化進(jìn)程，使其擁有超強(qiáng)的耐浸泡、耐老化、耐腐蝕性能，同時在施工中還兼具工藝靈活（可刮、可滾、可噴）、高效安全、成本低廉等特點(diǎn)，是一種具有高耐候性的新型混凝土防護(hù)材料。為驗(yàn)證SK高耐候水泥基防護(hù)材料的耐候性，同時引入2種市面常見的聚合物水泥基防水涂料（乙烯基酯防腐涂層和水泥基柔性防水涂層），作為對比材料，3種涂層材料的原料和配比見表1。

3 涂層耐候性能試驗(yàn)

涂層耐候性能試驗(yàn)包括海水腐蝕、熱氧老化、紫外老化等主要?dú)夂颦h(huán)境劣化因素下的加速老化試驗(yàn)。對不同涂層按GB/T 16777-2008《建筑防水涂料試驗(yàn)方法》中拉伸性能試驗(yàn)方法進(jìn)行測試，通過對比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下和不同加速老化試驗(yàn)后的拉伸性能變化率，評價材料的耐候性能。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下涂層拉伸性能

表2為涂層在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下不同齡期的拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果，可以看出：隨齡期增加，3種涂層的拉伸強(qiáng)度（TS）增大、斷裂伸長率（Eb）下降，但性能變化并不明顯。這表明，水泥基類涂層成膜速度相對較快，在水泥發(fā)生水化反應(yīng)并與聚合物涂膜形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)后便基本達(dá)到最終性能。3種材料中SK高耐候水泥基防護(hù)材料力學(xué)性能與其他材料相比并無明顯優(yōu)勢，同時，斷裂伸長率隨齡期快速下降，材料整體偏向剛性。乙烯基酯防腐涂層由于乳液組分中含有環(huán)氧基團(tuán)，拉伸強(qiáng)度明顯高于其他兩種材料，但柔性也最差。水泥基柔性防水涂層選用的巴斯夫乳液成膜后本身具有極高韌性，且粉料中沒有加入石英砂，因此材料整體柔韌性最好。

3.2 高溫海水浸泡后涂層拉伸性能

海水成分復(fù)雜，可以與水泥基材料形成難溶物質(zhì)，導(dǎo)致結(jié)晶膨脹性腐蝕。高溫環(huán)境則可以加速老化反應(yīng)速度、加重材料劣化程度。因此，高溫海水浸泡試驗(yàn)可以很好地驗(yàn)證材料耐浸泡、耐腐蝕性能。表3為各參比涂層在高溫海水浸泡條件下不同齡期的拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果。乙烯基酯防腐涂層在浸泡7d齡期時涂層性能就大幅下降至原始強(qiáng)度的1/5，表面出現(xiàn)起泡、開裂現(xiàn)象。水泥基柔性防水涂層外觀在浸泡后沒有明顯劣化，拉伸強(qiáng)度隨浸泡齡期先增加后緩慢下降，而斷裂伸長率則呈快速下降趨勢，到28 d齡期時性能劣化率已達(dá)到70%。高耐候水泥基防護(hù)材料在浸泡后，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率分別下降了22%和11%，相比前兩種材料性能變化很輕微，表現(xiàn)出良好的耐腐蝕、耐浸泡性能。

3.3 熱氧老化后涂層拉伸性能

熱氧老化主要是由空氣中的氧氣在高溫條件下與有機(jī)材料分子中的活潑基團(tuán)反應(yīng)產(chǎn)生游離基并發(fā)生分子鏈斷裂，導(dǎo)致材料力學(xué)性能下降的老化現(xiàn)象。表4為各參比涂層在熱氧老化條件下不同齡期的拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果，可以看出：隨老化齡期增加，各參比涂層拉伸性能變化趨勢均表現(xiàn)為拉伸強(qiáng)度增大，斷裂伸長率下降。對于水泥基材料，高溫環(huán)境促進(jìn)了聚合物分子鏈進(jìn)一步交聯(lián)，其中，乙烯基酯防腐涂層拉伸強(qiáng)度達(dá)到11.6 MPa，已接近油性涂層的拉伸性能。高耐候水泥基防護(hù)材料和水泥基柔性防水涂層的強(qiáng)度也有一定程度提高。由于水泥基材料內(nèi)部存在的大量無機(jī)填料對聚合物也起到一定隔離保護(hù)作用，在熱氧老化環(huán)境下材料性能劣化并不明顯。

3.4 紫外老化后涂層拉伸性能

陽光中的紫外線是造成涂層外觀發(fā)生褪色、失光、黃變、粉化等劣化的主要原因。各參比涂層在紫外老化條件下不同齡期的拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，可以看出：高耐候水泥基防護(hù)材料和乙烯基酯防腐涂層老化后外觀均未出現(xiàn)明顯劣化;在力學(xué)性能方面，拉伸強(qiáng)度隨老化齡期增加，斷裂伸長率略有下降，表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐紫外老化性能。水泥基柔性防水涂層在紫外老化28 d后，樣條中段出現(xiàn)失光和發(fā)白褪色現(xiàn)象，與兩側(cè)未受光照部分形成鮮明對比;在力學(xué)性能方面同樣有很大波動，拉伸強(qiáng)度下降了61%，斷裂伸長率上升了76%，說明該材料對紫外光老化的耐受性較差。

4 涂層附著性能試驗(yàn)

4.1 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下涂層附著性能

表6為各參比涂層在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d后附著性能試驗(yàn)結(jié)果，可以看出：乙烯基酯防腐涂層和水泥基柔性防水涂層經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)后拉拔強(qiáng)度均較低，只達(dá)到1.16 MPa和1.35 MPa，拉拔時界面破壞形式為界面一本體混合破壞，說明這兩種材料本體強(qiáng)度與黏接效果均不夠理想。高耐候水泥基防護(hù)材料在經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)后拉拔強(qiáng)度則能達(dá)到2.03 MPa.拉拔時界面破壞形式為混凝土破壞，其附著性能明顯優(yōu)于其他兩種材料。

4.2 長期浸泡條件下涂層附著性能

表7為各參比涂層在65 ℃自來水中浸泡3個月后附著性能試驗(yàn)結(jié)果，可以看出：經(jīng)過長期高溫浸泡后，參比涂層的附著性都有不同程度的下降。其中，乙烯基酯防腐涂層和水泥基柔性防水涂層拉拔強(qiáng)度分別下降了36%和50%，乙烯基酯防腐涂層拉拔破壞類型為本體斷裂。水泥基柔性防水涂層還在浸泡50d左右時發(fā)生表面變軟、大量起泡和脫層現(xiàn)象，拉拔時破壞類型為界面破壞，表明其耐浸泡性能相對較差。高耐候水泥基防護(hù)材料在浸泡后表觀無明顯劣化現(xiàn)象，且拉拔強(qiáng)度僅下降了6%，拉拔破壞類型仍為混凝土破壞，在參比涂層中耐浸泡性能最為突出。

5 涂層抗凍性能試驗(yàn)

5.1 低溫條件下涂層拉伸性能

我國北方高寒地區(qū)冬季平均氣溫在-20℃左右，材料在低溫條件下分子鏈凍結(jié)活動受限，變硬變脆。因此，低溫韌性也是判斷材料是否適合應(yīng)用在高寒地區(qū)的關(guān)鍵性能。各參比涂層在不同溫度下的拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果如表8所示，可以看出：在-10℃時，各參比涂層斷裂伸長率僅下降20%左右，對材料力學(xué)性能影響有限。試驗(yàn)溫度下降到-20℃時，各參比涂層脆化現(xiàn)象更加嚴(yán)重，其中高耐候水泥基防護(hù)材料和乙烯基酯防腐涂層的斷裂伸長率保持在5%左右，水泥基柔性防水涂層斷裂伸長率下降幅度最高，達(dá)到50%，但因其伸長率初始值高，仍是參比材料中低溫柔性最好的材料。

5.2 涂層抗凍性能

針對凍融循環(huán)對混凝土產(chǎn)生破壞的程度，采用SL 352-2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》4.23節(jié)給出的混凝土試件相對動彈模量Pn進(jìn)行表征，按式（1）進(jìn)行計算，以3個測量點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果的平均值為測定值。

對于各參比涂層，對抗凍試件防護(hù)后進(jìn)行了不同周期凍融循環(huán)后的自振頻率（fn）測試，結(jié)果見表9。按照試驗(yàn)規(guī)程中的判定要求，當(dāng)相對動彈性模量下降至原始值的60%以下時，認(rèn)定試件已經(jīng)破壞。由圖1可以看出，由于試驗(yàn)抗凍試件為低強(qiáng)度混凝土，內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散，很容易受到凍融循環(huán)破壞，在不進(jìn)行涂層防護(hù)的情況下運(yùn)行50次后，循環(huán)后便達(dá)到判定極限。采用乙烯基酯防腐涂層和水泥基柔性防水涂層防護(hù)后，混凝土試件分別可抵御凍融循環(huán)75次和100次左右，具有一定防凍融效果。采用高耐候水泥基防護(hù)材料防護(hù)的試件則最多可抵御凍融循環(huán)200次左右，與傳統(tǒng)聚合物水涂層相比，抗凍性能有了顯著提升。凍融循環(huán)至300次時，乙烯基酯防腐涂層和高耐候水泥基防護(hù)材料的破壞形式主要為涂層開裂和局部破損;水泥基柔性防水涂層韌性較好，破壞形式以大面積脫空為主。可見涂層韌性主要影響破壞類型，涂層的附著和抗?jié)B性能才是提高抗凍能力的關(guān)鍵指標(biāo)。

6 結(jié)論

（1）涂層耐候性能試驗(yàn)表明：SK高耐候水泥基防護(hù)材料的耐高溫海水浸泡、耐紫外老化性能較乙烯基酯防腐涂層和水泥基柔性防水涂層優(yōu)異;耐熱氧老化性能與乙烯基酯防腐涂層和水泥基柔性防水涂層基本相當(dāng)。SK高耐候水泥基防護(hù)材料的綜合耐候性能優(yōu)于參比同類水泥基涂層。

（2）涂層附著性能試驗(yàn)表明：標(biāo)準(zhǔn)條件下SK高耐候水泥基防護(hù)材料黏接強(qiáng)度可達(dá)2.03 MPa。經(jīng)高溫長期浸泡后黏接強(qiáng)度僅降低了6.47%，表觀無變化。無論標(biāo)準(zhǔn)條件還是長期浸泡后，與混凝土基面的附著性能相比，同類水泥基涂層都有明顯優(yōu)勢。

（3）涂層抗凍性能試驗(yàn)表明：低溫環(huán)境對SK高耐候水泥基防護(hù)材料拉伸性能影響較小。采用該新型材料進(jìn)行防護(hù)后混凝土試件可有效抵御200次凍融循環(huán)，相比傳統(tǒng)同類材料抗凍性能有顯著提升。涂層韌性主要影響破壞類型，涂層的附著和抗?jié)B性能才是提高抗凍能力的關(guān)鍵指標(biāo)。

（4）SK高耐候水泥防護(hù)材料耐候性能突出，綜合性能優(yōu)異，建議應(yīng)用于水工混凝土建筑物外立面、河堤護(hù)岸、隧洞內(nèi)壁及防滲面板的表面缺陷修補(bǔ)及混凝土防碳化。對于西北寒冷地區(qū)面板防護(hù)，只要施工時滿足基材表面溫度不低于露點(diǎn)，環(huán)境溫度>5 ℃，相對濕度<85%的施工條件，保證材料成膜固化質(zhì)量，后期低溫環(huán)境對涂層耐候性影響不大。

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（編輯：李慧）

作者簡介：孟川，男，工程師，碩士，主要從事水工材料研究工作。E-mail：mengriver@aliyun.com