聚氨酯防水涂層對混凝土抗凍性能的影響

劉競 張旭 李廣輝 徐永杰 王有能 趙彥旭 鄭新國

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國鐵路烏魯木齊局集團有限公司，烏魯木齊 830011；3.中國鐵路上海局集團有限公司，上海 200071；4.中鐵二十一局集團有限公司，蘭州 730070

混凝土抗凍性能是影響寒區(qū)混凝土耐久性的重要因素。中國西部高海拔地區(qū)晝夜溫差大、嚴寒干燥、太陽強輻射且存在深覆蓋層凍土，極端的氣候使得混凝土遭受著嚴重的凍融破壞，極大降低了混凝土的耐久性［1-3］。在青藏高原混凝土建筑材料使用5～10年后會出現(xiàn)混凝土表面粉化、骨料外露、輕敲即碎等問題，混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命顯著縮短并帶來安全隱患，因此改善西部高寒地區(qū)混凝土的抗凍性能，對于提升其服役壽命至關(guān)重要［4］。

在混凝土中引入氣泡，摻入鋼纖維或粉煤灰、硅粉等活性礦物質(zhì)均可以提高混凝土的抗凍性能［5-6］。以上方法適用于新建混凝土構(gòu)筑物抗凍耐久性的提升，對于既有混凝土構(gòu)筑物，在混凝土表面涂刷涂料形成致密的薄層可阻止水分進入混凝土內(nèi)部［7-8］。涂刷水性環(huán)氧樹脂、丙烯酸樹脂、硅烷等涂層可將混凝土抗凍等級最高提升至F400以上［9］，環(huán)氧砂漿、聚脲、聚氨酯等涂層可將混凝土抗凍等級從F150提升至F300［10］，涂刷聚脲材料的砂漿試件抗凍等級可達到F250［11］。使用硅烷和環(huán)氧樹脂材料作為涂層的混凝土經(jīng)快速凍融循環(huán)后，其相對動彈性模量和質(zhì)量損失率均有所降低，抗凍性能顯著增強［12-13］。本文通過試驗對比分析聚氨酯涂層、瀝青改性聚氨酯涂層的水汽透過性、耐低溫性能及其對混凝土抗凍性能的改善效果，并探討涂層對混凝土的長效防護技術(shù)措施。

1 室內(nèi)試驗

1.1 試驗材料

混凝土表面涂層材料分別為自主研制的聚氨酯和瀝青改性聚氨酯。涂層的基本性能見表1。

表1 涂層的基本性能

1.2 試驗內(nèi)容

1）涂層水汽透過性試驗。試驗容器內(nèi)溫度25℃、濕度94%，兩種涂層厚度均為（0.2±0.01）mm。將盛有一定量飽和NH4H2PO4溶液的容器上端用涂層封閉（圖1），每隔24 h稱一次容器的總質(zhì)量。通過與初始質(zhì)量之差得到透過涂層的水汽量。

圖1 涂層水汽透過性試驗

2）涂層材料耐低溫性能試驗。采用差示掃描量熱法（Differential Scanning Calorimetry，DSC）測試兩種涂層材料的玻璃化溫度（Tg）。Tg可用于表征涂層材料在低溫下的柔韌性。一種材料的玻璃化溫度越低，耐低溫性能越好，則其在低溫下的柔韌性越好，越不易開裂。使用的設(shè)備為美國TA公司生產(chǎn)的同步熱分析儀，樣品質(zhì)量為5～10 mg，惰性氣體選用氮氣，升溫范圍為-80～100℃，升溫速率為3℃/min。

3）凍融循環(huán)試驗。基準混凝土試件為標準養(yǎng)護56 d的C30混凝土，水膠比0.4，坍落度175 mm，含氣量2.8%，試件尺寸為100 mm（長）×100 mm（寬）×400 mm（高）。其配合比見表2。

表2 基準混凝土配合比 kg·m-3

基準混凝土養(yǎng)護56 d后，從標準養(yǎng)護室取出，使用丙酮對混凝土表面進行清洗，在室溫下放置1 d后涂覆涂料。每種涂料的涂覆量相同，使用干凈毛刷來回涂刷2遍。兩種涂層厚度均控制在（0.2±0.01）mm。涂覆完畢后，在溫度為（22±2）℃和相對濕度為50%±5%的空氣中放置7 d，使其完全固化并干燥后備用。

將涂覆涂料7 d后的混凝土泡水4 d，然后進行凍融循環(huán)試驗。按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中要求測試凍融循環(huán)1000次過程中混凝土的相對動彈性模量和質(zhì)量損失率。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 涂層水汽透過性

聚氨酯涂層和瀝青改性聚氨酯涂層的水汽透過量隨時間變化曲線見圖2?？芍谄鸪醯? h內(nèi)兩種涂層水汽透過量幾乎一致，但隨著時間的推移，瀝青改性聚氨酯涂層的水汽透過速率明顯加快，兩者的水汽透過量差異逐漸增大。216 h時聚氨酯涂層和瀝青改性聚氨酯涂層的水汽透過量分別為0.57、0.77 g，前者防水性好于后者。這是因為瀝青改性聚氨酯中的極性基團（—COO—和—OH）較多，水汽分子更易與這些極性基團形成氫鍵，然后溶解透過涂層，從而造成水汽透過量更多。

圖2 兩種涂層水汽透過量隨時間變化曲線

防水性更好的聚氨酯涂層可以有效阻止水分進入混凝土內(nèi)部，顯著降低外界環(huán)境水與混凝土內(nèi)部水的交換能力，減小混凝土內(nèi)部可凍結(jié)水量，從而減弱水凍結(jié)對混凝土微結(jié)構(gòu)的損傷。

2.2 涂層材料的耐低溫性能

兩種涂層材料的DSC曲線見圖3。

圖3 兩種涂層材料的DSC曲線

由圖3可知，聚氨酯涂層材料、瀝青改性聚氨酯涂層材料的玻璃化溫度分別為-66.0、-61.6℃。瀝青改性聚氨酯涂層材料的玻璃化溫度較高。這是因為其中含有瀝青，瀝青的分子鏈段柔順性較聚氨酯要差，將其加入玻璃化溫度較低的聚氨酯中進行改性，則會提高聚氨酯的玻璃化溫度，因此瀝青改性聚氨酯在低溫時更脆，更易破壞、開裂，進而導(dǎo)致外界環(huán)境水更易通過涂層裂隙進入混凝土內(nèi)部，從而降低涂層對混凝土的防護效果。

2.3 混凝土抗凍性能

未涂、涂覆兩種涂層混凝土試件的抗凍性能試驗結(jié)果見圖4?？梢姡孩傥赐扛餐繉拥幕炷猎嚰?jīng)歷325次凍融循環(huán)后相對動彈性模量降至41.8%，質(zhì)量損失率為0.17%，說明試件內(nèi)部已發(fā)生凍融損傷破壞。②在經(jīng)受1000次凍融循環(huán)試驗過程中，瀝青改性聚氨酯涂層混凝土試件的相對動彈性模量一直大于98%。經(jīng)受1000次凍融循環(huán)后試件的質(zhì)量損失率為-0.57%，即瀝青改性聚氨酯涂層混凝土試件的質(zhì)量不僅未損失，反而增加了0.57%。經(jīng)檢查試件狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)受425次凍融循環(huán)后瀝青改性聚氨酯涂層發(fā)生開裂和起鼓，且已與混凝土表面剝離，外界水通過涂層破損處進入混凝土內(nèi)部，導(dǎo)致涂層內(nèi)混凝土表面出現(xiàn)粉化現(xiàn)象，混凝土質(zhì)量增加。這說明了經(jīng)受425次凍融循環(huán)后瀝青改性聚氨酯涂層對混凝土的防護功能已基本喪失。③在經(jīng)受1000次凍融循環(huán)試驗過程中，聚氨酯涂層混凝土試件的相對動彈性模量一直大于98%，總質(zhì)量基本保持穩(wěn)定，且涂層與混凝土黏結(jié)牢固、無開裂、無起鼓，揭開涂層后未發(fā)現(xiàn)混凝土表面出現(xiàn)粉化、剝落現(xiàn)象，這說明聚氨酯涂層對混凝土具有較好的防護效果。該試驗結(jié)果與涂層玻璃化溫度的測試結(jié)果一致。④經(jīng)受1000次凍融循環(huán)后，雖然兩種涂層混凝土試件的相對動彈性模量均保持在90%以上，但兩種涂層對混凝土的保護效果迥異。由此可見，即使經(jīng)受1000次凍融循環(huán)，僅以相對動彈性模量數(shù)據(jù)難以準確評判不同涂層對混凝土抗凍性能改善效果的優(yōu)劣，須結(jié)合經(jīng)受凍融循環(huán)作用后涂層自身狀態(tài)、涂層與混凝土間的黏結(jié)情況以及涂層下混凝土表面是否出現(xiàn)粉化、剝落等現(xiàn)象綜合評判。

圖4 未涂、涂覆兩種涂層混凝土試件的抗凍性能試驗結(jié)果

3 結(jié)論

1）與瀝青改性聚氨酯涂層相比，聚氨酯涂層的防水汽透過性更好，玻璃化溫度更低。聚氨酯涂層一方面可以有效阻礙水分進入混凝土內(nèi)部，減輕凍融對混凝土的損傷；另一方面擁有更優(yōu)異的耐低溫性能，其在低溫下具有更好的柔韌性，經(jīng)反復(fù)凍融不易開裂，并與混凝土保持良好的黏結(jié)狀態(tài)，從而對混凝土抗凍性能具有更好的改善效果。

2）經(jīng)受325次凍融循環(huán)后，未涂覆涂層的混凝土相對動彈性模量降至41.8%，發(fā)生了凍融破壞；經(jīng)受1000次凍融循環(huán)后，雖然涂覆瀝青改性聚氨酯涂層的混凝土相對動彈性模量大于90%，但其質(zhì)量增加了0.57%，涂層發(fā)生了開裂和起鼓，且已與混凝土剝離，外界水滲入涂層，致使其防護功能基本喪失；涂覆聚氨酯涂層的混凝土相對動彈性模量雖然也大于90%，但涂層無開裂或起鼓，且與混凝土黏結(jié)牢固，具有良好的抗凍融防護性能。1000次凍融循環(huán)試驗驗證了聚氨酯涂層對混凝土抗凍性能改善效果的長效性。

3）僅以混凝土相對動彈性模量數(shù)據(jù)難以直接準確評判不同涂層對混凝土抗凍性能改善效果的優(yōu)劣，須結(jié)合經(jīng)受凍融循環(huán)作用后涂層自身狀態(tài)、涂層與混凝土間的黏結(jié)情況以及涂層下混凝土表面是否出現(xiàn)粉化、剝落等現(xiàn)象綜合評判。