[提 要] 基于混凝土耐久性破壞機理,本研究以剛性、柔性表面涂層材料對混凝土外表面進行防護處理,研究基準混凝土(即未進行表面處理的混凝土)與處理后混凝土的耐久性,根據(jù)試驗結(jié)果和工程要求尋求最佳的表面涂層方案。研究結(jié)果表明,采用剛性表面涂層材料作面層、柔性表面涂層材料作底層的復(fù)合表面涂層是增強混凝土耐久性防護能力最有效的方法之一。
[關(guān)鍵詞] 剛性表面涂層材料 柔性表面涂層材料 混凝土耐久性 復(fù)合表面涂層
混凝土耐久性是指混凝土建筑物在使用期間抵抗環(huán)境介質(zhì)的侵蝕而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)喪失安全使用功能的能力[ 1 ]。目前,混凝土耐久性已成為混凝土中研究的熱點之一。P. K.Mehta曾提出過一種概括混凝土劣化的兩階段損傷模型,即第一階段為砼損傷的潛伏期,第二階段為砼損傷后在環(huán)境作用下逐漸加劇期。在這兩個階段中,在混凝土表面添加涂層都是一種簡單有效的增強混凝土耐久性防護能力的方法,既能提高既有建筑的混凝土使用壽命,又能防止混凝土耐久性能過早劣化[ 2 ]。
因此,表面涂層材料可以提高混凝土的耐久性,但對涂層材料的選擇也是非常重要的。工程應(yīng)用上不僅要求其具有良好的防護耐久性能,而且其應(yīng)具有環(huán)境溫濕度變化條件下抗老化的能力(如對混凝土耐久性要求較高的海工浪濺區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)部位) 。本次試驗對各類表面涂層材料以及表面涂層材料復(fù)合使用的耐久性防護效果及其工程應(yīng)用進行了研究。
1 混凝土耐久性破壞機理
造成混凝土耐久性劣化的主要原因依次為碳化反應(yīng)、鋼筋銹蝕、鹽類侵蝕反應(yīng)等。其中碳化反應(yīng)的化學反應(yīng)式為:
在酸性氣體與水同時存在的條件下,硬化混凝土與堿反應(yīng),生成可溶性鹽類。
鋼筋銹蝕的化學反應(yīng)式為:
由于氯離子的侵入,使鋼筋氧化, Fe體積可增加2. 5倍,從而對混凝土形成破壞。
鹽類侵蝕反應(yīng)化學反應(yīng)式為:
三鋁酸鈣在鹽類的侵蝕下,會產(chǎn)生成倍的體積增長,對混凝土的體積穩(wěn)定性形成一定程度的破壞。
由此,可以看出水是侵蝕性介質(zhì)(如氯鹽及其他鹽類)擴散進入混凝土體內(nèi)的載體。通過混凝土外表面的防護,阻止水對混凝土內(nèi)部侵入,可以有效提高其耐久性?；炷镣獗砻嫱繉佑腥嵝员砻嫱繉?如硅烷涂層與丙烯酸樹脂涂層)與剛性表面涂層(如水泥基滲透結(jié)晶型涂層、聚合物水泥砂漿涂層)兩大種類,都可以在一定程度上阻止水分和侵蝕性介質(zhì)與混凝土接觸,因此對砼耐久性的防護都有著積極的促進作用。但同時它們又有各自的使用特點,需要通過試驗對其性能及使用環(huán)境進行驗證。
2 試驗方案
2. 1 方案設(shè)計
以強度設(shè)計等級為C45的高性能混凝土為基準,在試件上表面涂上不同種類的涂層材料后并在標準條件下養(yǎng)護或老化至齡期后進行對比試驗。涂層材料分別采用具有代表性的新型柔性表面涂層材料(硅烷與丙烯酸樹脂)與剛性表面涂層(水泥基滲透結(jié)晶型材料涂層與聚合物水泥砂漿涂層)作為研究對象。
2. 2 試驗內(nèi)容
通過測試基準混凝土與不同種類表面涂層的混凝土在各齡期下吸水率、耐久性及老化(包括碳化深度、滲水高度、氯離子電通量以及在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的動彈儀共振頻率)的試驗結(jié)果,比較各涂層材料混凝土抗吸水、抗老化、抗碳化、抗氯離子滲透、抗水壓滲透、抗凍融循環(huán)的能力。
2. 3 試驗方法
吸水率降低率試驗按照JTJ275 - 2000“吸水量”方法進行。老化試驗按照GB 1865《漆膜老化測定法》進行,采用標準養(yǎng)護28天后經(jīng)過50℃加速老化7天后將試件進行砼耐久性的測試。其他耐久性試驗按照GBJ 82 - 85《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》、JTJ275 - 2000“混凝土抗氯離子性標準試驗方法(電通量法) ”進行,測試試件在不同齡期下的碳化深度、滲水高度、氯離子電通量以及在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的動彈儀共振頻率。
3 試驗結(jié)果及分析
3. 1 基準混凝土性能實測結(jié)果
基準高性能混凝凝土性能實測結(jié)果見表1。
3. 2 各類表面涂層材料處理后混凝土性能試驗結(jié)果經(jīng)各類表面涂層處理后的砼性能實驗結(jié)果,如圖1 - 圖5所示。
3. 3 試驗結(jié)果分析
(1)從以上圖表可以看出無論剛性表面涂層材料還是柔性表面涂層材料都對砼耐久性起著積極的作用,對砼各個齡期的耐久性都能起到較好的防護效果;
(2)表面涂層材料的吸水性直接影響到其耐久性防護能力。從整體耐久性的防護效果可以看出,吸水性的大小,或者說吸水率降低率的大小直接決定了其耐久性的防護能力,兩者成正比關(guān)系。試驗結(jié)果與耐久性破壞機理有相當?shù)囊恢滦浴?/P>
(3)剛性表面涂層材料,如試驗中的水泥基滲透結(jié)晶型涂層、聚合物水泥砂漿涂層由于均是以水泥為基材并附以其他化學活性物質(zhì)或聚合物而制成的,所以其涂層防護作用的發(fā)展也是與其水泥強度的發(fā)展息息相關(guān)的,即隨著水泥齡期的增長而發(fā)展,并且至28天后較為穩(wěn)定;
(4)相對剛性表面涂層材料而言,柔性表面涂層材料(硅烷、丙烯酸樹脂)的防護作用發(fā)展較快,由以上表格中可以看出,一般3天后即趨于穩(wěn)定而且可達到較好的防護效果,其早期砼耐久性防護效果要比剛性表面涂層材料要好得多。這是因為柔性表面涂層材料與水泥混凝土的滲透及化學反應(yīng)所需時間較短,因此在短時間內(nèi)便可達到所需要的防護效果,但防護能力一般不再增長。
(5)剛性表面涂層材料經(jīng)過老化試驗后,其防護能力并沒有下降,其碳化深度、氯離子滲透深度、水滲透高度均變化不大。與之相反的是柔性表面涂層材料,在經(jīng)老化試驗或在溫濕度變換情況下(如凍融循環(huán))后對砼耐久性的防護能力迅速下降甚至失效(如硅烷涂層的碳化深度和水滲透高度與素砼接近) 。這是因為柔性表面涂層所含的高分子有機材料(如硅烷、丙烯酸等)及其他化學成分在高溫或干濕溫度變化下易老化失效所致。
(6)柔性表面涂層材料的耐久性防護效果要比剛性表面涂層材料好,但其抗溫濕度變化能力、抗老化能力不如剛性表面涂層材料。采用剛性涂層材料為面層、柔性涂層材料為底層的復(fù)合方法是效果較好的涂層方案。綜合以上試驗結(jié)果,復(fù)合涂層選取性能測試結(jié)果較好的水泥基滲透結(jié)晶型材料作面層、硅烷涂層作底層并應(yīng)用于工程實際。圖7為各表面涂層經(jīng)老化試驗后混凝土耐久性對比。
4 工程應(yīng)用實例
溫福鐵路螯江大橋的混凝土耐久性防護施工采用了剛性、柔性復(fù)合及水泥基滲透結(jié)晶型材料與硅烷材料復(fù)合涂層的技術(shù)方案,如圖8所示。
4. 1 工程施工工藝
首先進行底層———柔性涂層(硅烷材料)的施工,采用
“三沖兩噴”的施工工藝對混凝土基體進行噴涂。其次在噴涂作業(yè)完成4小時后,緊接著進行面層———剛性涂層(水泥基滲透結(jié)晶型材料)的施工,即按比例攪拌后在底層上涂覆漿體,待漿體硬化后保濕養(yǎng)護至七天齡期。
4. 2 工程取樣結(jié)果
在進行表面涂層處理后6個月,對螯江大橋某橋墩鉆芯進行了抗氯離子電通量的試驗。試驗結(jié)果如圖7所示。結(jié)果證明了在工程應(yīng)用實際中采用復(fù)合涂層方法不僅可以大大增強混凝土長期耐久性能,而且可以在一定程度上增加涂層在環(huán)境溫濕度變化條件下抗老化的能力。
5 研究總結(jié)
(1)相對而言,柔性涂層材料對混凝土耐久性的防護能力更好,但剛性涂層材料的抗老化、抗環(huán)境溫濕變化的能力更佳。
(2)采用剛性涂層材料為面層、柔性涂層材料為底層的復(fù)合方法是理想的涂層方案。不僅可以使涂層具有良好的防護耐久性能,而且使涂層具有環(huán)境溫濕度變化條件下抗老化的能力,從而在保證涂層自身耐久性前提條件下,進一步保證混凝土構(gòu)件的長期耐久性。其中,水泥基滲透結(jié)晶型涂料和硅烷涂料分別是使用效果較好的面、底層涂料。
參考文獻
[ 1 ]馮乃謙,丁建彤,張新華,高強混凝土—微觀特征及有關(guān)耐久性問題. 高性能混凝土的耐久性,莊青峰譯. 北京科學出版社, 1998. 14216
[ 2 ] P. K. Mehta. 耐久性———影響未來的關(guān)鍵問題,混凝土與高性能混凝土譯文集(第五冊) ,清華大學土木工程系建材教研室編, 2000. 4.30
[ 3 ]張勝利,付紅,橋梁混凝土結(jié)構(gòu)表面防護涂層的應(yīng)用研究[ J ] ,混凝土, 2006, (5) : 91 – 93
[ 4 ]黨俐,陸文雄,梁晶晶,新型混凝土防護涂層的合成及其性能研究[ J ] ,混凝土, 2006, (14) : 91 - 93
