水工混凝土防护涂层抗冻性试验研究

赵东方

(铁岭市昌图县水利事务服务中心，辽宁 铁岭 112500)

混凝土耐久性是一项覆盖抗渗性、抗腐蚀性、抗碳化性、抗碱集料反应、抗冻性等性能的综合指标，其中冻融破坏为北方寒区面临的突出问题[1]。目前，将外加剂、掺合料等掺加到混凝土中是改善抗冻性的主要措施，而最直接有效的方式就是涂刷防护涂层[2]。涂刷防护涂层能够有效控制水溶性介质侵入，在混凝土表面形成保护层减少内部发生冻融破坏概率，这既能起到抗氯离子、硫酸盐等侵蚀又可改善混凝土的耐久性[3-6]。目前，纳米复合类、聚氨酯类、疏水类、防碳化类和环氧类涂料等是工程中普遍使用的防护材料，不同材料的防护机理及其效果具有明显差异[7-15]。因此，文章以3种防护涂料涂刷混凝土芯样表面，通过抗冻试验探讨了不同涂层的防护效果，为提高混凝土耐久性和水工结构除险加固设计提供一定指导。

1 试验方法

1.1 原材料准备

依据相关研究资料，本试验对现场所取的混凝土芯样表面涂刷疏水类(硅烷)、防碳化类(CPC涂料)和环氧类(环氧胶泥)，以探讨各材料对试样抗冻性的影响[16-18]。以北方寒区浑河干流某水闸工程为例，对底板C30F200级混凝土钻芯取样，设计尺寸高400mm×直径100mm，并利用快速冻融法测试抗冻性能。

1.2 试验过程

为模拟常年处于水下的水闸底板混凝土，考虑在水中完全浸没试样开展冻融循环试验，以升温历时1.5h+降温历时2.5h作为一个冻融循环，按照《水工混凝土试验规程》相关流程开展快冻法试验[19]。采用质量损失和相对动弹性模量作为抗冻试验考核指标，考虑到涂刷防护材料后难以测定质量损失的实际情况，以抗压强度和相对动弹性模量损失率反映涂层防护效果。

本试验试样共划分成32组，其中8组涂刷硅烷、8组涂刷防碳化涂料、8组涂刷环氧胶泥涂料和8组不做任何处理，每3个试件为一组。考虑试验要求和目的，对各组混凝土试样冻融25、50、75、100、125、150、175、200次，并测定相应的动弹性模量，在测量动弹性模量前应去掉与探头接触部位的涂层，然后将芯样处理成高100mm、直径100mm的试样，并测试抗压强度[20]。涂料涂刷之前应对试样按照施工要求做预先处理，分3层逐步完成涂刷，依据试验规程硅烷、防碳化和环氧胶泥的涂刷厚度分别为4mm、2mm、2mm。

2 结果与分析

2.1 动弹性模量

将各试样的相对动弹性模量按照试验测量结果进行计算，不同冻融循环下试样的相对动弹性模量变化如表1。

表1 相对动弹性模量

由表1可知，各组的相对动弹性模量随冻融循环次数的增加逐渐减小，这是由于毛细孔中的水受冻融作用发生结冰膨胀，并进一步导致内部结构的破坏。冻融循环相同的条件下，基准组的相对动弹性模量均小于涂刷防护土料组，即涂层能够有效控制水的渗入，对改善混凝土抗冻性发挥着积极作用。

冻融循环不超过100次情况下，涂刷疏水类、防碳化类和环氧类涂层的试件相对动弹性下降幅度较小。根据现场试验情况，环氧胶泥涂层在冻融循环达到125次时产生裂纹，在循环次数达到150次时开始出现破裂；冻融循环达到100次时，混凝土芯样与涂刷防碳化涂层分离且局部开始出现破裂，而涂刷硅烷材料的试样表面局部产生剥离。冻融循环达到一定界限后，涂层发生破坏水逐渐渗入试样内部，在冻融作用下加速混凝土的破坏，相对动弹性模量明显下降。

对于不同冻融循环下各种防护材料改善混凝土的抗冻性，可以利用提高率W来衡量，其表达式为：

W=(P0-Pn)/P0×100%

(1)

式中：Pn为试样涂刷；P0为未涂刷防护材料的相对动弹性模量，如图1所示。具体而言，冻融循环不超过100次情况下，环氧类涂层的防护效果最优，超过100次后试样逐渐破裂，其防护效果明显下降；试验前期，硅烷涂层提升抗冻性的效果较低，但混凝土与疏水类涂层的稳定结合保证了后期防护效果，即试验后期仍具有较好的防水作用，在一定程度上提升试样的抗冻性[20]。冻融循环超过200次情况下，硅烷涂层的防护效果最优，其提高率达到51.2%，防碳化涂层的效果最差，其提高率只有26.4%，环氧胶泥涂层居中，其提高率为36.0%。

图1 混凝土抗冻性提高率

冻融循环达到200次以后，异丁基三乙氧基硅烷涂层提升混凝土抗冻性的效果最优，3种防护涂层中环氧胶泥的改善效果居中，防碳化涂层最差，其中防碳化涂层、环氧胶泥涂层和异丁基三乙氧基硅烷涂层的提高率分别为26.4%、36.0%、51.2%。

2.2 抗压强度

将各试样的抗压强度按照试验测量结果进行计算，不同冻融循环下试样的抗压强度变化如表2。

表2 抗压强度

由表2可知，冻融循环逐渐增大试样的抗压强度逐步减小，在冻融循环相同情况下基准组的抗压强度均小于涂刷防护涂层组，即防护涂层能够有效提升试样抗冻性[21-24]。

依据抗压强度检测数据，进一步计算确定抗压强度损失率如图2所示。

图2 抗压强度损失率提高率

从图2可以看出，混凝土强度损失率随冻融循环的增大逐渐增大，冻融循环相同情况下涂刷防护材料试件的抗压强度损失率明显小于未涂刷防护的试件。通过对比抗压强度发现，冻融循环不超过125次时涂刷硅烷组的强度损失率最高而超过125次时该组最小，这是由于冻融循环达到100次和125次时防碳化材料涂层、环氧胶泥材料涂层发生破裂，防护作用逐渐下降，而硅烷涂层能够持续有效地控制水的侵入，对后期混凝土抗冻性硅烷具有明显的提升作用。冻融循环达到200次时，较基准组涂刷硅烷防护涂层、防碳化涂料和环氧胶泥防护涂层能够提高混凝土抗压强度119.7%、64.8%、74.7%。

3 结 论

1)试验前期，防碳化涂料和环氧胶泥提升试样抗冻性效果显著，冻融循环达到150次后涂刷环氧胶泥试件开始出现破裂，防护作用逐渐下降；冻融循环达到100次后涂刷防碳化涂料试样与局部涂层分离，并逐渐发生破坏，防护作用开始降低。

2)硅烷涂层的早期防护效果较低，但混凝土与硅烷稳定结合后逐渐发挥显著的防护效果，即试验后期硅烷的防水效果最佳，对于改善混凝土抗冻性具有明显成效。

3)冻融循环达到200次后较基准组，涂刷硅烷防护涂层、防碳化涂料和环氧胶泥防护涂层能够提高混凝土抗压强度119.7%、64.8%、74.7%，提高相对动弹性模量51.2%、26.4%、36.0%。总体而言，对于改善混凝土抗冻性硅烷涂料的效果最佳。