孟慶宇

（凌海市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 凌海 121200）

寒區(qū)水工混凝土耐久性在很大程度上取決于其抗凍性能，中國(guó)東北部地區(qū)太陽(yáng)輻射強(qiáng)、嚴(yán)寒干燥、晝夜溫差大且有深覆蓋層凍土，極端的氣候條件使得水工構(gòu)筑物普遍面臨著凍融破壞問(wèn)題，大大減弱了水工混凝土耐久性[1-4]。遼東山地丘陵水工混凝土使用5～10a后大多存在輕敲即碎、骨料外露、表面粉化等問(wèn)題，大大降低了水工結(jié)構(gòu)服役年限，給工程的長(zhǎng)效運(yùn)行埋下安全隱患。所以，有效增強(qiáng)混凝土抗凍性能，對(duì)于保證北方寒區(qū)水利工程服役年限極其重要[5]。

將硅粉、粉煤灰、鋼纖維等活性礦物質(zhì)或適量氣泡引入水工混凝土中能改善抗凍性能，然而這些方法主要適用于新拌混凝土，對(duì)于既有構(gòu)筑物一般選用涂刷涂料的方式，通過(guò)形成致密的薄膜阻止水分入滲來(lái)提升構(gòu)筑物的抗凍耐久性[6-9]。研究表明：在混凝土表面涂刷硅烷、丙烯酸樹(shù)脂、水性環(huán)氧樹(shù)脂等涂層能夠提升其抗凍等級(jí)至F400以上，涂刷聚氨酯、聚脲、環(huán)氧砂漿等涂層能夠從F150提升至F300等級(jí)，砂漿表面涂刷聚脲材料能夠保證抗凍等級(jí)達(dá)到F250。鑒于此，文章利用室內(nèi)試驗(yàn)探討了瀝青改性聚氨酯涂層和聚氨酯涂層的耐低溫性能、水汽透過(guò)性及其改善混凝土抗凍性的效果，并進(jìn)一步探討了涂層長(zhǎng)效防護(hù)水工構(gòu)筑物的技術(shù)措施[10-12]。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原材料性能

試驗(yàn)選用瀝青改性聚氨酯和聚氨酯兩種涂層材料，涂層材料性能，見(jiàn)表1。

表1 涂層材料性能

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

1）耐低溫性能試驗(yàn)。兩種涂層材料的玻璃化溫度（Tg）可利用差示掃描量熱法（DSC）進(jìn)行測(cè)試，Tg能夠準(zhǔn)確反映低溫下涂層材料的柔韌性。一般地，玻璃化溫度越低則材料的耐低溫性能和柔韌性越好，其發(fā)生開(kāi)裂的難度越大。試驗(yàn)儀器選用同步熱分析儀，控制溫升速率2℃/min，溫升范圍-80～100℃，選用氮?dú)鉃槎栊詺怏w，樣品質(zhì)量5～10mg。

2）水汽透過(guò)性試驗(yàn)?？刂圃囼?yàn)容器內(nèi)的濕度95%、溫度25℃，涂層厚度(0.2±0.01)mm，將適量飽和NH4H2PO4溶液注入容器內(nèi)，然后用涂層封閉容器上端，對(duì)容器每隔24h稱一次質(zhì)量，最后透過(guò)涂層的水汽量就是每次稱量值與初始質(zhì)量之差。

3）凍融循環(huán)試驗(yàn)。設(shè)定水膠比0.4，控制含氣量2.5%，坍落度180mm，試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)，見(jiàn)表2，試驗(yàn)配制長(zhǎng)100mm×寬100mm×高400mm的C30水工混凝土試樣。

表2 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì) kg/m3

在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)56d后取出，混凝土表面用無(wú)水乙醇清洗用以終止水化，室溫靜置24h后，涂覆用量相同的兩種涂料，涂覆過(guò)程中使用毛刷涂刷2遍，控制涂層厚度(0.2±0.01)mm。完成涂覆后，將各組試樣放入相對(duì)濕度(50±5)%、溫度(22±2)℃的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)7d，使涂層充分硬化并干燥，以備后續(xù)使用。待混凝土表面涂覆涂料7d后放入水中浸泡4d，然后依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》、《水工混凝土耐久性技術(shù)規(guī)范》中的要求測(cè)試1000次凍融循環(huán)時(shí)混凝土的質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈模量。

2 結(jié)果與分析

2.1 涂層耐低溫性能

涂層水汽透過(guò)量變化曲線，見(jiàn)圖1。結(jié)果表明瀝青改性聚氨酯涂層和聚氨酯涂層的玻璃化溫度依次為-61.2℃、-65.0℃，因此玻璃化溫度較高的是瀝青改性聚氨酯涂層。究其原因是瀝青改性聚氨酯涂層中含有的瀝青分子鏈段柔韌性較差，在玻璃化溫度較低的聚氨酯中加入瀝青改性會(huì)提高其原有玻璃化溫度，所以低溫時(shí)瀝青改性聚氨酯涂層更脆、更易開(kāi)裂破壞，外界環(huán)境水更易透過(guò)涂層裂隙滲入內(nèi)部，使得涂層防護(hù)混凝土的效應(yīng)下降。

圖1 涂層水汽透過(guò)量變化曲線

2.2 涂層水汽透過(guò)性

隨著時(shí)間的推移瀝青改性聚氨酯涂層和聚氨酯，涂層的水汽透過(guò)量變化曲線，見(jiàn)圖2。結(jié)果顯示兩種涂層水汽透過(guò)量在初始的8h內(nèi)基本相同，但瀝青改性聚氨酯涂層的水汽透過(guò)速率隨著時(shí)間的推移呈加快趨勢(shì)，兩種涂層的水汽透過(guò)量明顯增加。試驗(yàn)216h時(shí)，瀝青改性聚氨酯涂層和聚氨酯涂層的水汽透過(guò)量依次為0.78g、0.55g，即后者的防水性優(yōu)于前者。究其原因，水汽分子與瀝青改性聚氨酯中的—OH、—COO—等極性基團(tuán)更易形成氫鍵，對(duì)涂層的穿透溶解能力更強(qiáng)，使得水汽透過(guò)量相對(duì)較高。聚氨酯涂層的防水性更好，能夠大大降低水分的滲透作用，有效抑制混凝土內(nèi)部水與外界環(huán)境水的交換，減少內(nèi)部可凍結(jié)水量及其對(duì)混凝土微結(jié)構(gòu)的損傷作用。

圖2 涂層水汽透過(guò)量變化曲線

2.3 混凝土抗凍性能

水工混凝土表面未涂、涂覆瀝青改性聚氨酯和聚氨酯涂層的相對(duì)動(dòng)彈模量和質(zhì)量損失率試驗(yàn)結(jié)果，水工混凝土抗凍性能試驗(yàn)，見(jiàn)圖3。

圖3 水工混凝土抗凍性能試驗(yàn)

結(jié)果表明：

1）凍融循環(huán)達(dá)到450次時(shí)，未涂覆涂層的水工混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量減小到40.5%，質(zhì)量損失率達(dá)到0.18%，由此表明混凝土內(nèi)部已出現(xiàn)凍融破壞。

2）凍融循環(huán)達(dá)到1000次時(shí)，涂覆瀝青改性聚氨酯涂層的水工混凝土質(zhì)量損失率為-0.51%，相對(duì)動(dòng)彈模量整體在98%以上，經(jīng)1000次凍融循環(huán)后涂瀝青改性聚氨酯涂層的試件質(zhì)量范圍增加0.51%。深入分析可知，凍融循環(huán)達(dá)到450次時(shí)涂層就出現(xiàn)起鼓、開(kāi)裂、剝落現(xiàn)象，外界水從破損處滲入致使混凝土表面涂層內(nèi)出現(xiàn)粉化，所以試件質(zhì)量有所增大，這也說(shuō)明瀝青改性聚氨酯涂層在凍融循環(huán)達(dá)到450次就基本喪失了防護(hù)功能。

3）凍融循環(huán)達(dá)到1000次時(shí)，涂覆聚氨酯涂層的水工混凝土總質(zhì)量基本保持穩(wěn)定，相對(duì)動(dòng)彈模量整體在98%以上，混凝土與涂層間黏結(jié)牢固，表面無(wú)起鼓或開(kāi)裂，涂層揭開(kāi)后未出現(xiàn)剝落、粉化現(xiàn)象，說(shuō)明聚氨酯涂層的防護(hù)效果較好。

4）凍融循環(huán)達(dá)到1000次時(shí)，涂覆涂層的混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量均≥90%，但不同涂層的防護(hù)效果存在明顯差異[13-16]。因此，對(duì)于受凍融循環(huán)作用的水工混凝土抗凍性能，單一的利用相對(duì)動(dòng)彈模量很難準(zhǔn)確反映涂層的改善效果，應(yīng)結(jié)合混凝土表面涂層下是否出現(xiàn)剝落、粉化現(xiàn)象以及混凝土與涂層間的黏結(jié)情況、涂層自身狀態(tài)等綜合判定。

3 結(jié) 論

1）聚氨酯涂層相比于瀝青改性聚氨酯涂層，其玻璃化溫度更低，防水汽透過(guò)性也更優(yōu)。聚氨酯涂層既能有效抑制水分的滲透，降低凍融破壞程度，還具有優(yōu)異的耐低溫性，特別是在低溫下的柔韌性更好，經(jīng)多次凍融作用依然不會(huì)開(kāi)裂，并且聚氨酯涂層與混凝土的黏結(jié)性良好，其改善混凝土抗凍性能更優(yōu)。

2）凍融循環(huán)達(dá)到450次時(shí)，未涂覆涂層的水工混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量減小到40.5%，質(zhì)量損失率達(dá)到0.18%，混凝土內(nèi)部已出現(xiàn)凍融破壞；凍融循環(huán)達(dá)到1000次時(shí)，涂覆瀝青改性聚氨酯涂層的水工混凝土質(zhì)量反而增加0.51%，相對(duì)動(dòng)彈模量整體在98%以上，這是由于涂層出現(xiàn)起鼓、開(kāi)裂、剝落現(xiàn)象，外界水滲入使得涂層失去防護(hù)功能；凍融循環(huán)達(dá)到1000次時(shí)，水工混凝土與聚氨酯涂層間黏結(jié)牢固，表面無(wú)起鼓或開(kāi)裂，涂層揭開(kāi)后未出現(xiàn)剝落、粉化現(xiàn)象，聚氨酯涂層的防護(hù)效果較好，對(duì)改善混凝土抗凍性和長(zhǎng)效性效果良好。

3）對(duì)于受凍融循環(huán)作用的水工混凝土抗凍性能，單一的利用相對(duì)動(dòng)彈模量很難準(zhǔn)確反映涂層的改善效果，應(yīng)結(jié)合混凝土表面涂層下是否出現(xiàn)剝落、粉化現(xiàn)象以及混凝土與涂層間的黏結(jié)情況、涂層自身狀態(tài)等綜合判定。