防護(hù)涂層對(duì)混凝土力學(xué)性能和耐久性的影響

於林鋒

（上海市建筑科學(xué)研究院有限公司，上海200032）

0 引言

混凝土防腐蝕是混凝土應(yīng)用過程中經(jīng)常遇到的問題?；炷恋亩嗫仔越Y(jié)構(gòu)為二氧化碳、水和侵蝕性離子提供了滲入通道，侵入物質(zhì)與混凝土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)使混凝土自身性能劣化或引起內(nèi)部鋼筋銹蝕。外界酸性物質(zhì)與混凝土接觸后的化學(xué)腐蝕或水流沖刷、風(fēng)蝕等物理作用也會(huì)使混凝土表面疏松、粉化甚至分層剝落。通過在混凝土表面涂覆防護(hù)涂層可以有效降低混凝土在服役過程中受到的各類腐蝕破壞，避免混凝土結(jié)構(gòu)無法達(dá)到預(yù)定的使用年限。

水泥基滲透結(jié)晶型材料[1]和有機(jī)涂料是2類常見的混凝土防護(hù)涂層材料。水泥基滲透結(jié)晶型涂料中的活性物質(zhì)遇水后通過毛細(xì)孔向內(nèi)部滲透結(jié)晶填充孔隙，從而防止侵蝕性介質(zhì)向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散[2]。有機(jī)涂料通過成膜物質(zhì)在混凝土表面形成致密的涂層，并封閉混凝土表面孔隙起到較強(qiáng)的物理隔離作用，從而防止侵蝕性介質(zhì)向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散。水泥基滲透結(jié)晶型涂層具有與基體混凝土相同的服役壽命以及開裂后遇水自修復(fù)功能，但本身抵抗侵蝕性介質(zhì)滲透的性能低于有機(jī)涂層材料。有機(jī)涂層具有較高的抵侵蝕性離子滲透能力[3]，總體防護(hù)效果更好，但存在老化問題[4]，服役壽命相對(duì)較短。因此，應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況選擇合適的防護(hù)涂層類型。

本文對(duì)涂覆水泥基滲透結(jié)晶型涂料和氟碳涂料后，帶涂層混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、電通量、氯離子擴(kuò)散系數(shù)、抗凍性能、碳化、氮?dú)鉂B透率進(jìn)行測(cè)試，分析了不同種類防護(hù)涂層對(duì)混凝土力學(xué)性能和耐久性的影響，從而為防護(hù)涂層的比選提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：金山南方P·O42.5水泥，其主要技術(shù)性能見表1；粉煤灰：協(xié)鑫發(fā)電公司生產(chǎn)的F類I級(jí)粉煤灰，其主要技術(shù)性能見表1；細(xì)骨料：細(xì)度模數(shù)為2.7的天然河砂；粗骨料：5～25 mm連續(xù)級(jí)配凝灰?guī)r碎石；減水劑：上海麥斯特建工生產(chǎn)的8860高性能聚羧酸減水劑，減水率為27%；引氣劑：江蘇博特公司生產(chǎn)的GYQ－Ⅲ型高效引氣劑。

表1 水泥的主要技術(shù)性能

氟碳防護(hù)涂層：采用底漆－面漆結(jié)構(gòu)的水性氟碳涂層體系，其中底漆為1道100 μm厚的無溶劑環(huán)氧樹脂，面漆為2道80 μm厚的水性氟碳涂料，水性氟碳涂料采用旭硝子株式會(huì)社化學(xué)品公司的FD1000型氟碳樹脂和德國拜耳集團(tuán)的XP2655型固化劑制備，氟碳樹脂與固化劑的質(zhì)量比為10：1。水性氟碳涂層體系的總厚度為260 μm，主要技術(shù)性能見表3。

表3 水性氟碳涂層體系的主要技術(shù)性能

水泥基滲透結(jié)晶型防護(hù)涂層：采用自主研發(fā)的水泥基滲透結(jié)晶型涂料，其性能符合GB 18445—2012《水泥基滲透結(jié)晶型防水材料》的要求。

表2 粉煤灰的主要技術(shù)性能

1.2 試樣制備

（1）混凝土配合比

試驗(yàn)采用C35混凝土，配合比如表4所示。

表4 C35混凝土的配合比 kg/m3

混凝土試件涂覆不同防護(hù)涂層后的試件編號(hào)如表5所示。

表5 混凝土試件編號(hào)

（2）試樣的制備

對(duì)于不同性能試驗(yàn)的試件，其混凝土試件尺寸和涂覆涂層前養(yǎng)護(hù)齡期要求如表6所示。

表6 混凝土試件尺寸和養(yǎng)護(hù)齡期

對(duì)于不同性能試驗(yàn)的試件，其涂覆表面數(shù)量要求如下：

①抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)的試塊在成型面涂覆防護(hù)涂層，其他5個(gè)面不涂防護(hù)涂層。只涂覆1個(gè)表面一方面是為了模擬實(shí)際應(yīng)用時(shí)的涂覆情況，另一方面考慮立方體混凝土試塊表面全部涂覆涂層后，在受壓過程中結(jié)構(gòu)邊界條件發(fā)生改變，實(shí)測(cè)強(qiáng)度會(huì)失真。

②電通量試塊在上下切割面涂覆防護(hù)涂層，四周涂覆環(huán)氧涂層密封；氯離子擴(kuò)散系數(shù)試塊在與陰極溶液接觸的滲透面涂覆防護(hù)涂層，與陽極溶液接觸的面不涂覆任何涂層，側(cè)面涂覆環(huán)氧涂層密封。

③抗凍、干縮、碳化試驗(yàn)試塊所有表面均涂覆防護(hù)涂層。

④氮?dú)鉂B透率試驗(yàn)試塊在進(jìn)氣口的切割面涂覆防護(hù)涂層，出氣口的切割面不涂覆任何涂層，圓柱體四周涂覆環(huán)氧密封。

（3）防護(hù)涂層的涂刷與養(yǎng)護(hù)

氟碳防護(hù)涂層的涂刷要求如下：按照先底涂后面涂的順序進(jìn)行涂刷，按照配比稱取相應(yīng)組分，用調(diào)刀攪拌至均勻；攪拌好后放置3 min用刷子涂刷混凝土試塊表面；標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)4～6 h后進(jìn)行第2道涂刷，待面涂、底涂全部涂完后置于干燥的空氣中14 d，備用。

水泥基滲透結(jié)晶型防護(hù)涂層的涂刷要求如下：涂刷前，清水徹底潤(rùn)濕混凝土試塊，以利于水泥基滲透結(jié)晶型防水材料借助水分向混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部滲透[5]。涂刷時(shí)，按水料比0.34混合，涂刷2道，每一道用量約0.5 kg/m2。涂刷完后將試塊移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，為了與氟碳涂料具有可比性，涂覆水泥基滲透結(jié)晶型涂料的試塊繼續(xù)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)14 d后備用。

對(duì)于不同性能試驗(yàn)的試件，2類防護(hù)涂層的涂刷方式和涂刷完后涂層的養(yǎng)護(hù)要求相同。

1.3 性能測(cè)試方法

（1）抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度：參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。

（2）電通量、氯離子擴(kuò)散系數(shù)、抗凍性能、干縮、碳化試驗(yàn)：參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試，其中抗凍性能試驗(yàn)采用快凍法，干縮試驗(yàn)的試塊成型后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至3 d齡期時(shí)，取出涂覆2類涂層，并按2種涂層的養(yǎng)護(hù)要求養(yǎng)護(hù)14 d后測(cè)初長(zhǎng)，因此用于對(duì)比的基準(zhǔn)組干縮試塊應(yīng)養(yǎng)護(hù)至17 d齡期測(cè)初長(zhǎng)，然后移入溫度為（20±2）℃、相對(duì)濕度為（60±5）%的恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)室測(cè)試3、7、14、28、56 d干縮。

（3）氮?dú)鉂B透率：參照GB 36900.2—2018《低、中水平放射性廢物高完整性容器——混凝土容器》附錄D試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 防護(hù)涂層對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度的影響

涂覆水泥基滲透結(jié)晶型涂料和氟碳涂料后，混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 涂覆不同防護(hù)涂層混凝土試件的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度

由表7可知，基準(zhǔn)組混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度為49.7 MPa，劈拉強(qiáng)度為3.92 MPa，涂覆水泥基滲透結(jié)晶型涂層和氟碳涂層后混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試值略有下降，其中抗壓強(qiáng)度的降幅達(dá)10%，這里可認(rèn)為防護(hù)涂層對(duì)混凝土抗壓和抗拉強(qiáng)度無顯著影響。一方面，強(qiáng)度下降幅度在混凝土強(qiáng)度測(cè)試偏差范圍內(nèi)；另一方面，由于涂覆防護(hù)涂層后試塊加荷過程中受力邊界條件有所變化，導(dǎo)致試塊強(qiáng)度測(cè)試值略有下降。在前期探索試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混凝土表面全部涂覆防護(hù)涂層后，混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果由于受力邊界的改變可下降40%左右?？傮w來看，混凝土表面涂覆防護(hù)涂層對(duì)混凝土的基本力學(xué)性能無顯著影響。

2.2 防護(hù)涂層對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能的影響

涂覆水泥基滲透結(jié)晶型涂層和氟碳涂層后，混凝土的電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 涂覆不同防護(hù)涂層混凝土的電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)

由表8可知：

（1）涂覆水泥基滲透結(jié)晶型涂層后，混凝土試件的電通量降低了25%，氯離子擴(kuò)散系數(shù)降低了16%。水泥基滲透結(jié)晶型涂料對(duì)混凝土的抗氯離子滲透性能起到了一定的提升作用，但并不十分明顯。這主要是由于水泥基滲透結(jié)晶型涂層中的活性物質(zhì)反應(yīng)后堵塞混凝土孔隙，使混凝土孔隙更為密實(shí)，但并未完全堵塞孔隙，對(duì)水分子的滲透可以起到較好的阻隔作用，且并未影響氯離子的滲透，因此只起到了小幅抗?jié)B作用[6]。

（2）涂覆氟碳涂層后，混凝土的電通量為33 C，氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)試結(jié)果僅看到少量的滲透，幾乎為0，氟碳涂層對(duì)氯離子的滲透起到了極為明顯的阻隔作用[7]。

2.3 防護(hù)涂層對(duì)混凝土抗凍性的影響

涂覆水泥基滲透結(jié)晶型涂層和氟碳涂層混凝土試塊及基準(zhǔn)混凝土試塊，快凍100次后試件的破壞形態(tài)如圖1所示，抗凍性試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖1 涂覆不同防護(hù)涂層混凝土試塊快凍100次后試件的破壞形態(tài)

從抗凍試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

混凝土試塊涂覆防護(hù)涂層后，在100次快速凍循環(huán)試驗(yàn)條件下，質(zhì)量損失均小于1%，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的質(zhì)量損失不高于5%的要求，表明該混凝土試塊在凍融循環(huán)達(dá)到100次時(shí)，未出現(xiàn)明顯的凍融剝落現(xiàn)象，圖2中顯示的試塊經(jīng)歷100次凍融循環(huán)后試塊整體完整僅在表面局部麻面的現(xiàn)象也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。涂覆水泥基滲透結(jié)晶型涂層的試件質(zhì)量還出現(xiàn)了增加，主要是由于抗凍試驗(yàn)是在浸水條件下開展，有利于水泥基滲透結(jié)晶型涂層中的活性物質(zhì)遇水發(fā)生反應(yīng)后，反應(yīng)產(chǎn)物沉淀在混凝土毛細(xì)孔中，使混凝土質(zhì)量略有增加。

圖2 涂覆不同防護(hù)涂層混凝土試塊的抗凍性試驗(yàn)結(jié)果

在相對(duì)動(dòng)彈性模量方面，基準(zhǔn)混凝土試塊在凍融循環(huán)50次后，相對(duì)動(dòng)彈性模量開始加速下降，在100次凍融循環(huán)后，相對(duì)動(dòng)彈性模量?jī)H有77.1%，逐漸接近標(biāo)準(zhǔn)中相對(duì)動(dòng)彈性模量不低于60%的限值要求，表明混凝土內(nèi)部可能因凍融過程中的靜水壓和滲透壓而出現(xiàn)了裂縫等結(jié)構(gòu)損傷。涂覆水泥基滲透結(jié)晶型涂層后，100次凍融循環(huán)后，混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量為84.2%，表明水泥基滲透結(jié)晶型涂層其對(duì)混凝土的抗凍性能略有提升作用。涂覆氟碳涂層的混凝土，100次凍融循環(huán)后，混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量仍有90%以上，表明氟碳涂層大幅提升了混凝土的抗凍性能。這主要是由于涂層較為致密，有效降低了外界水分向混凝土毛細(xì)孔的滲透，在混凝土毛細(xì)孔飽水度較低的情況下，凍融過程中產(chǎn)生的結(jié)晶壓和滲透壓大幅降低，從而提高混凝土的抗凍性能[8]。

2.4 防護(hù)涂層對(duì)混凝土干縮的影響

涂覆水泥基滲透結(jié)晶型涂層和氟碳涂層混凝土試件及基準(zhǔn)混凝土試件的干縮試驗(yàn)儀器及試件如圖3所示，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖3 干縮試驗(yàn)儀器及試塊

圖4 涂覆不同防護(hù)涂層混凝土及基準(zhǔn)混凝土的干縮隨齡期變化

從圖4可以看出：（1）基準(zhǔn)混凝土的干縮隨著齡期的延長(zhǎng)而增大，前期干縮較大，后期干縮增長(zhǎng)趨于平緩。（2）涂覆水泥基滲透結(jié)晶型涂層后，混凝土的28 d和56 d干縮值略有減小，與基準(zhǔn)混凝土相比僅減小了10×10-6，表明水泥基滲透結(jié)晶型涂層對(duì)混凝土的干縮無明顯影響。這主要是由于在恒溫恒濕干燥環(huán)境下，水泥基滲透結(jié)晶型涂層的活性物質(zhì)無法得到有效發(fā)揮，且其自身也是水泥基材料，存在收縮特性。（3）涂覆氟碳涂層后，混凝土的早期干縮值大幅減小，從而極大地抑制了混凝土干縮增長(zhǎng)速率，使其后期干縮值也遠(yuǎn)低于基準(zhǔn)混凝土，28 d和56 d干縮分別僅為基準(zhǔn)混凝土的31%和50%。這主要是由于氟碳涂層較為致密，在干燥環(huán)境下有效抑制了混凝土毛細(xì)孔中的水分向外界環(huán)境耗散速率，從而減小了混凝土的干縮。

總體來看，水泥基滲透結(jié)晶型涂層對(duì)混凝土的干縮無明顯影響，氟碳涂層具有減小混凝土干縮的作用。

2.5 防護(hù)涂層對(duì)混凝土碳化深度的影響

涂覆水泥基滲透結(jié)晶型涂層和氟碳涂層混凝土試件及基準(zhǔn)混凝土試件的28 d碳化深度如表9所示。

表9 防護(hù)涂層對(duì)混凝土碳化深度的影響

從表9可以看出：基準(zhǔn)混凝土的碳化深度為6.8 mm，涂覆水泥基滲透結(jié)晶型涂層后，碳化深度有所降低，但僅降低了17.6%；而涂覆氟碳涂層后，混凝土試塊經(jīng)碳化試驗(yàn)幾乎無碳化現(xiàn)象。這主要是由于水泥基滲透結(jié)晶型涂層本身也屬于水泥基材料，雖有一定的阻隔作用，但其自身也有毛細(xì)孔道，不能完全阻隔與外界氣體的交換，且碳化試驗(yàn)在濕度相對(duì)較低的環(huán)境下進(jìn)行，不利于水泥基滲透結(jié)晶型涂層中活性物質(zhì)反應(yīng)填充混凝土中的毛細(xì)孔，因而碳化深度僅略有降低。而涂覆氟碳涂層后，涂層的高致密性使得CO2氣體也很難穿透涂層，因而混凝土中的Ca（OH）2極難與外界環(huán)境中的CO2接觸，碳化深度大幅降低。

2.6 防護(hù)涂層對(duì)混凝土氮?dú)鉂B透率的影響

涂覆水泥基滲透結(jié)晶型涂層和氟碳涂層混凝土試件及基準(zhǔn)混凝土試件的氮?dú)鉂B透率試驗(yàn)儀器及試件如圖5所示，試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

圖5 混凝土氣體滲透儀及不同防護(hù)涂層混凝土試件

表10 涂覆不同防護(hù)涂層混凝土試件及基準(zhǔn)混凝土試件的氮?dú)鉂B透率

從表10可見：涂覆水泥基滲透結(jié)晶型涂層和氟碳涂層混凝土試件的氮?dú)鉂B透率與基準(zhǔn)混凝土試件相比無明顯差異。表明在氣體壓力梯度的情況下，不同種類防護(hù)涂層均無法有效抵抗氣體介質(zhì)向混凝土內(nèi)部的滲透，這與碳化試驗(yàn)CO2氣體無壓力梯度自然擴(kuò)散的試驗(yàn)結(jié)果有所不同。

3 結(jié)論

（1）混凝土表面涂覆水泥基滲透結(jié)晶型涂料和氟碳涂料后，混凝土的力學(xué)性能無顯著變化。

（2）氟碳涂層的致密性好，具有較高的物理隔離作用，對(duì)混凝土的抗氯離子滲透性、抗凍性和抗碳化性能有明顯的提升作用，且可大幅減混凝土的干縮。水泥基滲透結(jié)晶型涂層與混凝土同屬水泥基材料，對(duì)混凝土耐久性的提升極為有限，對(duì)收縮的減幅也較小。

（3）涂覆水泥基滲透結(jié)晶型涂料和氟碳涂料后，混凝土的氮?dú)鉂B透率未發(fā)生明顯變化，表明帶涂層的混凝土在壓力梯度下仍具有較好的與外界氣體交換的性能。