[提 要] 基于混凝土耐久性破坏机理,本研究以刚性、柔性表面涂层材料对混凝土外表面进行防护处理,研究基准混凝土(即未进行表面处理的混凝土)与处理后混凝土的耐久性,根据试验结果和工程要求寻求最佳的表面涂层方案。研究结果表明,采用刚性表面涂层材料作面层、柔性表面涂层材料作底层的复合表面涂层是增强混凝土耐久性防护能力最有效的方法之一。
[关键词] 刚性表面涂层材料 柔性表面涂层材料 混凝土耐久性 复合表面涂层
混凝土耐久性是指混凝土建筑物在使用期间抵抗环境介质的侵蚀而导致混凝土结构丧失安全使用功能的能力[ 1 ]。目前,混凝土耐久性已成为混凝土中研究的热点之一。P. K.Mehta曾提出过一种概括混凝土劣化的两阶段损伤模型,即第一阶段为砼损伤的潜伏期,第二阶段为砼损伤后在环境作用下逐渐加剧期。在这两个阶段中,在混凝土表面添加涂层都是一种简单有效的增强混凝土耐久性防护能力的方法,既能提高既有建筑的混凝土使用寿命,又能防止混凝土耐久性能过早劣化[ 2 ]。
因此,表面涂层材料可以提高混凝土的耐久性,但对涂层材料的选择也是非常重要的。工程应用上不仅要求其具有良好的防护耐久性能,而且其应具有环境温湿度变化条件下抗老化的能力(如对混凝土耐久性要求较高的海工浪溅区混凝土结构部位) 。本次试验对各类表面涂层材料以及表面涂层材料复合使用的耐久性防护效果及其工程应用进行了研究。
1 混凝土耐久性破坏机理
造成混凝土耐久性劣化的主要原因依次为碳化反应、钢筋锈蚀、盐类侵蚀反应等。其中碳化反应的化学反应式为:
在酸性气体与水同时存在的条件下,硬化混凝土与碱反应,生成可溶性盐类。
钢筋锈蚀的化学反应式为:
由于氯离子的侵入,使钢筋氧化, Fe体积可增加2. 5倍,从而对混凝土形成破坏。
盐类侵蚀反应化学反应式为:
三铝酸钙在盐类的侵蚀下,会产生成倍的体积增长,对混凝土的体积稳定性形成一定程度的破坏。
由此,可以看出水是侵蚀性介质(如氯盐及其他盐类)扩散进入混凝土体内的载体。通过混凝土外表面的防护,阻止水对混凝土内部侵入,可以有效提高其耐久性。混凝土外表面涂层有柔性表面涂层(如硅烷涂层与丙烯酸树脂涂层)与刚性表面涂层(如水泥基渗透结晶型涂层、聚合物水泥砂浆涂层)两大种类,都可以在一定程度上阻止水分和侵蚀性介质与混凝土接触,因此对砼耐久性的防护都有着积极的促进作用。但同时它们又有各自的使用特点,需要通过试验对其性能及使用环境进行验证。
2 试验方案
2. 1 方案设计
以强度设计等级为C45的高性能混凝土为基准,在试件上表面涂上不同种类的涂层材料后并在标准条件下养护或老化至龄期后进行对比试验。涂层材料分别采用具有代表性的新型柔性表面涂层材料(硅烷与丙烯酸树脂)与刚性表面涂层(水泥基渗透结晶型材料涂层与聚合物水泥砂浆涂层)作为研究对象。
2. 2 试验内容
通过测试基准混凝土与不同种类表面涂层的混凝土在各龄期下吸水率、耐久性及老化(包括碳化深度、渗水高度、氯离子电通量以及在不同冻融循环次数下的动弹仪共振频率)的试验结果,比较各涂层材料混凝土抗吸水、抗老化、抗碳化、抗氯离子渗透、抗水压渗透、抗冻融循环的能力。
2. 3 试验方法
吸水率降低率试验按照JTJ275 - 2000“吸水量”方法进行。老化试验按照GB 1865《漆膜老化测定法》进行,采用标准养护28天后经过50℃加速老化7天后将试件进行砼耐久性的测试。其他耐久性试验按照GBJ 82 - 85《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》、JTJ275 - 2000“混凝土抗氯离子性标准试验方法(电通量法) ”进行,测试试件在不同龄期下的碳化深度、渗水高度、氯离子电通量以及在不同冻融循环次数下的动弹仪共振频率。
3 试验结果及分析
3. 1 基准混凝土性能实测结果
基准高性能混凝凝土性能实测结果见表1。
3. 2 各类表面涂层材料处理后混凝土性能试验结果经各类表面涂层处理后的砼性能实验结果,如图1 - 图5所示。
3. 3 试验结果分析
(1)从以上图表可以看出无论刚性表面涂层材料还是柔性表面涂层材料都对砼耐久性起着积极的作用,对砼各个龄期的耐久性都能起到较好的防护效果;
(2)表面涂层材料的吸水性直接影响到其耐久性防护能力。从整体耐久性的防护效果可以看出,吸水性的大小,或者说吸水率降低率的大小直接决定了其耐久性的防护能力,两者成正比关系。试验结果与耐久性破坏机理有相当的一致性。
(3)刚性表面涂层材料,如试验中的水泥基渗透结晶型涂层、聚合物水泥砂浆涂层由于均是以水泥为基材并附以其他化学活性物质或聚合物而制成的,所以其涂层防护作用的发展也是与其水泥强度的发展息息相关的,即随着水泥龄期的增长而发展,并且至28天后较为稳定;
(4)相对刚性表面涂层材料而言,柔性表面涂层材料(硅烷、丙烯酸树脂)的防护作用发展较快,由以上表格中可以看出,一般3天后即趋于稳定而且可达到较好的防护效果,其早期砼耐久性防护效果要比刚性表面涂层材料要好得多。这是因为柔性表面涂层材料与水泥混凝土的渗透及化学反应所需时间较短,因此在短时间内便可达到所需要的防护效果,但防护能力一般不再增长。
(5)刚性表面涂层材料经过老化试验后,其防护能力并没有下降,其碳化深度、氯离子渗透深度、水渗透高度均变化不大。与之相反的是柔性表面涂层材料,在经老化试验或在温湿度变换情况下(如冻融循环)后对砼耐久性的防护能力迅速下降甚至失效(如硅烷涂层的碳化深度和水渗透高度与素砼接近) 。这是因为柔性表面涂层所含的高分子有机材料(如硅烷、丙烯酸等)及其他化学成分在高温或干湿温度变化下易老化失效所致。
(6)柔性表面涂层材料的耐久性防护效果要比刚性表面涂层材料好,但其抗温湿度变化能力、抗老化能力不如刚性表面涂层材料。采用刚性涂层材料为面层、柔性涂层材料为底层的复合方法是效果较好的涂层方案。综合以上试验结果,复合涂层选取性能测试结果较好的水泥基渗透结晶型材料作面层、硅烷涂层作底层并应用于工程实际。图7为各表面涂层经老化试验后混凝土耐久性对比。
4 工程应用实例
温福铁路螯江大桥的混凝土耐久性防护施工采用了刚性、柔性复合及水泥基渗透结晶型材料与硅烷材料复合涂层的技术方案,如图8所示。
4. 1 工程施工工艺
首先进行底层———柔性涂层(硅烷材料)的施工,采用
“三冲两喷”的施工工艺对混凝土基体进行喷涂。其次在喷涂作业完成4小时后,紧接着进行面层———刚性涂层(水泥基渗透结晶型材料)的施工,即按比例搅拌后在底层上涂覆浆体,待浆体硬化后保湿养护至七天龄期。
4. 2 工程取样结果
在进行表面涂层处理后6个月,对螯江大桥某桥墩钻芯进行了抗氯离子电通量的试验。试验结果如图7所示。结果证明了在工程应用实际中采用复合涂层方法不仅可以大大增强混凝土长期耐久性能,而且可以在一定程度上增加涂层在环境温湿度变化条件下抗老化的能力。
5 研究总结
(1)相对而言,柔性涂层材料对混凝土耐久性的防护能力更好,但刚性涂层材料的抗老化、抗环境温湿变化的能力更佳。
(2)采用刚性涂层材料为面层、柔性涂层材料为底层的复合方法是理想的涂层方案。不仅可以使涂层具有良好的防护耐久性能,而且使涂层具有环境温湿度变化条件下抗老化的能力,从而在保证涂层自身耐久性前提条件下,进一步保证混凝土构件的长期耐久性。其中,水泥基渗透结晶型涂料和硅烷涂料分别是使用效果较好的面、底层涂料。
参考文献
[ 1 ]冯乃谦,丁建彤,张新华,高强混凝土—微观特征及有关耐久性问题. 高性能混凝土的耐久性,庄青峰译. 北京科学出版社, 1998. 14216
[ 2 ] P. K. Mehta. 耐久性———影响未来的关键问题,混凝土与高性能混凝土译文集(第五册) ,清华大学土木工程系建材教研室编, 2000. 4.30
[ 3 ]张胜利,付红,桥梁混凝土结构表面防护涂层的应用研究[ J ] ,混凝土, 2006, (5) : 91 – 93
[ 4 ]党俐,陆文雄,梁晶晶,新型混凝土防护涂层的合成及其性能研究[ J ] ,混凝土, 2006, (14) : 91 - 93