混凝土结构用复合氟碳防护涂料的性能评价

薛晓芳，仇铄，蒋正武

（1.贵州智诚混凝土有限公司，贵州贵阳　550000；

2.同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室，上海　200092）

混凝土结构用复合氟碳防护涂料的性能评价

薛晓芳1，仇铄2，蒋正武2

（1.贵州智诚混凝土有限公司，贵州贵阳550000；

2.同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室，上海200092）

通过测试涂覆复合氟碳防护涂料混凝土的吸水率、耐腐蚀性、冻融循环和透气性等指标，对研制的钢筋混凝土结构防护用复合氟碳防护涂料的防护性能进行测试评价，并与硅烷防护材料进行对比。结果表明，涂覆该复合氟碳防护涂料的混凝土试件与基准组对比吸水率大幅下降，强腐蚀环境下的抗压强度耐蚀系数及冻融循环25次后相对动弹性模量较基准组均有所提升，且复合氟碳防护涂料具有一定的透气性。

复合；氟碳涂料；硅烷；吸水率；透气性

一般来说，钢筋混凝土结构具有良好的长期性能与耐久性。但混凝土结构的服役能力和时间会受到各种环境条件的限制，采取有效防护技术以防止混凝土的环境侵蚀、维护混凝土的使用性能，对提高混凝土结构的耐久性与使用寿命具有重要的现实意义。

表面防护由于可以从源头防止有害介质进入混凝土内部而表现出优良的防护性能，目前被广泛应用的混凝土结构防护涂料种类繁多，包括环氧树脂涂料［1］、聚脲涂层［2-3］、丙烯酸酯涂料［4］等。硅烷和硅氧烷等有机硅浸渍材料因其突出的憎水性和化学稳定性，能在混凝土表面及毛细孔内壁形成保护膜，有效防止水分的渗透和转移，达到防腐的目的，从而提高混凝土结构耐久性和使用寿命［5-7］。氟碳涂料作为近几年飞速发展的新型涂料，具有非常出色的耐老化性、耐磨性和抗冲击性等，并且具有自清洁能力，因此在金属及复合材料的表面防护领域已经有较为成熟的应用［8-9］。

复合氟碳防护涂料的制备和最佳配比的确定已由先前研究所获得，本文对该涂料的耐久性能进行评价，以了解其对混凝土的保护程度，为提升混凝土耐久性，延长其服役年限提供理论依据。

1　试验

1.1原材料

1.1.1混凝土试件成型原料

水泥：海螺水泥有限公司生产的42.5R普通硅酸盐水泥，标准稠度用水量为28.4%；砂：天然河砂，表观密度2592kg/m3，堆积密度1613 kg/m3，含泥量6.25%，细度模数为3.02，上海建工集团股份有限公司提供；粗骨料：5～10mm和10～20mm连续级配人工碎石，按质量比3∶7掺入进行试验，含泥量小于2%；减水剂：萘系减水剂。不同强度等级混凝土试件的配合比见表1。

表1　不同强度等级混凝土试件的配合比

实验中将涂料涂覆于混凝土试块表面，以评价其性能。本文混凝土成型试验所用模具规格为100 mm×100 mm×100 mm，为了便于在混凝土试块上进行涂覆和后续试验的开展，同时为节省涂料，试验中所用混凝土试块皆切割成50 mm×50 mm×50 mm使用。

1.1.2防护涂料配制

氟碳涂料由FEVE氟碳树脂、脂肪族聚异氰酸酯固化剂和醋酸丁酯稀释剂按比例优化配制而成；硅烷膏体的硅烷含量为80%。复合氟碳涂料由氟碳涂料和硅烷组分按一定比例复配而成，复合氟碳防护涂料的基本配方见表2。

表2　复合氟碳防护涂料的基本配方

1.2试验方案

1.2.1涂料涂覆方法

清除试件表面上的灰尘、油污等有害物与污染物，试块表面应为面干状态。将试块放置于电子天平上，试块的被涂面水平于桌面。用毛刷由左至右在试块被涂面均匀涂刷，使被涂面饱和并开始溢流，重复用毛刷从左至右在被涂面涂刷3～7次，保持被涂面至少5 s润湿状态。同时通过称量控制每个被涂面的涂料用量。观察被涂面表面达到表干状态（表面无溢流且轻触不黏）时，则可涂下一个表面。

1.2.2性能测试方法

（1）吸水率

吸水率参照JTJ 275—2000《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》进行测试。

（2）耐腐蚀性

耐腐蚀性测试包括水中养护和浸泡腐蚀，其中水中养护指在试件成型拆模后在养护室中进行标准养护至规定龄期后，浸泡在水中进行浸泡养护；浸泡腐蚀试验要求在试件成型拆模后在养护室中进行标准养护至规定龄期后，在模拟地下水及强酸性环境的复合腐蚀溶液［3.5%NaCl+10%Na2SO4+H2SO4（pH值=2）3种溶液混合］中进行浸泡养护。试验采用抗压、抗折强度耐腐蚀系数K与质量变化率S为参考指标来确定试件的耐腐蚀性。

（3）冻融循环

将成型并切割后的试块放入标准养护室养护，23 d后取出将其放在温度为15～20℃的水中浸泡4 d，所有试件都在相同条件下养护和浸泡，以保证具有相同的初始强度。依据GB/ T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》中的慢冻法，对各组试件进行25次冻融循环，并采用CTS-25型非金属超声波检测仪测量其声速变化。

（4）透气性

由于湿度对试块透气性影响较大，将厚度为25 mm的混凝土试块在烘箱中以40℃烘干，以保证试块不含水。之后将其放在除湿器中待测；将适量甲醇加入容器中，保证所有试样甲醇量一致；将混凝土试块置于容器上方并用硅酮胶环绕密封，避免任何可能的泄漏。待硅酮胶固化后，首先测试整体质量，将试验装置放在恒温水浴箱中加热，要求水没过容器的2/3，即上面1/3部分暴露在空气中。记录不同时间间隔下甲醇的质量损失，直到稳定无变化为止。透气性试验装置如图1所示。

图1　透气性试验装置示意

2　结果与讨论

2.1复合氟碳防护涂料对混凝土吸水率的影响

复合氟碳防护涂料按表2配方制备。1#～3#复合氟碳防护涂料涂刷组合见表3，其中1#使用硅烷膏体（国泰华荣化工WRG-908），2#使用硅烷液体（道康宁Z-6403异丁基三乙氧基硅烷），3#使用硅烷液体（道康宁Z-6341正辛基三乙氧基硅烷）；4#涂覆材料为丙烯酸乳液（下同）。不同防护涂料对混凝土吸水率的影响见图2，涂覆3种不同防护涂料C50试件的吸水增量随时间变化曲线见图3。

表3　复合氟碳防护涂料涂刷组合

图2　涂覆不同防护涂料对混凝土吸水率的影响

由图2可见，涂覆防护涂料的试件吸水率普遍比基准试件小1个数量级，以1#～3#降低程度较大。取48 h和12 d的吸水率作对比，基准试件的48 h吸水率普遍高于12 d的，即混凝土的吸水能力随时间延长而下降，这是由于混凝土本身吸水值有限，基准试件最快趋于饱和而呈现增长速度降低的状态；1#～3#试件的12 d吸水率略高于48 h，说明涂覆防护涂料的混凝土试件仍处在吸水率缓慢增大的阶段，这不仅能够明显降低混凝土试件的吸水率，还能够延长其趋于饱和状态的时间。C20较C50混凝土试件的吸水率略高，这是由于其本身密实程度较低所致。

图3　涂覆3种不同防护涂料C50试件的吸水增量

由图3可见，未涂覆防护涂料的C50基准混凝土试件吸水增量随时间变化最大，而涂覆3种不同防护涂料的试件都能够不同程度地使吸水增量降低，其中以涂覆复合氟碳防护涂料（1#）的防护效果最明显。

2.2复合氟碳防护涂料对混凝土耐腐蚀性的影响

采用1#复合氟碳防护涂料对C50混凝土进行表面防护，考察复合氟碳防护涂料对混凝土耐腐蚀性的影响。

2.2.1对混凝土抗压强度耐蚀系数的影响（见图4）

图4　复合氟碳防护涂料对混凝土抗压强度耐蚀系数的影响

由图4可见，相对于基准试件，表面涂覆1#复合氟碳涂料的试验组其抗压强度耐蚀系数较大，即涂覆了复合氟碳涂料的混凝土试件与同龄期基准混凝土的抗压强度相比，提高约4%。说明该复合氟碳防护涂料的存在不仅阻碍了混凝土试件与外界强腐蚀环境的直接接触，同时涂料的强疏水性使作为有害离子载体的水对混凝土试件造成的损伤减小。

2.2.2对混凝土质量变化率的影响

复合氟碳防护涂料对混凝土质量变化率的影响见图5，图中质量变化率为负数时表示相应龄期下混凝土质量增大，正数表示质量减小。

图5　复合氟碳防护涂料对混凝土质量变化率的影响

从图5（a）可见，在水中浸泡的混凝土试件表现为随养护龄期增长，其质量越大；从图5（b）可见，在模拟地下水腐蚀溶液中，混凝土试件的28 d质量增大，且表面涂覆复合涂料的混凝土试件质量变化小于基准试件，之后随着腐蚀龄期的延长，表面涂覆复合涂料的混凝土试件质量损失小于基准试件。说明复合氟碳防护涂料不仅能减少有害离子对混凝土结构的破坏，同时还能够一定程度阻碍混凝土内部已被侵蚀部分的溶出，减缓孔隙增加的速度。

2.3复合氟碳防护涂料对混凝土耐冻融循环性能的影响

采用不同防护涂料对C50混凝土进行表面防护，考察经25次冻融循环后防护涂料对混凝土耐冻融循环性能的影响，结果见图6。

图6　涂覆不同防护涂料对经25次冻融循环后混凝土相对动弹模量的影响

由图6可见，经25次冻融循环后，涂覆1#～3#复合氟碳防护涂料的C50混凝土试件其相对动弹模量集中在95%～97%，效果优于4#，远高于基准组的86.49%。这是由于在试件表面涂覆涂料的防护手段能够防止外界环境对混凝土结构的腐蚀和侵害，在混凝土表面阻断其与外界直接接触的通道。冻融循环对其造成的破坏与外界水环境存在与否关系极大，如果水分渗透进入混凝土内部，会在温度交替下在毛细孔中膨胀收缩，所以能够大幅降低混凝土吸水率的表面防护措施更能够很好地抗冻融循环。

2.4复合氟碳防护涂料对混凝土透气性的影响

甲醇是结构最为简单的饱和一元醇，是无色易挥发有酒精气味的液体。试验利用甲醇作为气源测试混凝土结构的透气性主要是基于其沸点仅为64.7℃。按1.2.2节所述方法进行透气性试验，结果见图7、图8。

由图7可见，甲醇质量损失随时间延长而增大。强度等级分别为C20和C50的2种混凝土基体试件，在没有涂覆复合氟碳防护涂料（1#）时，C50试件的甲醇质量损失要始终小于C20试件的，这是由于高强度试件自身的密实度较高，甲醇蒸汽透过试件的难度要高于C20；涂覆了1#复合氟碳防护涂料的C20、C50试件，其质量损失小于C20和C50基准试件，说明复合氟碳防护涂料在一定程度上阻碍了甲醇蒸汽透过基体传向外界。

由图8可见，涂覆了硅烷膏体的C50混凝土试件在试验中的甲醇质量损失相较基准试件没有明显下降，与基准试件的甲醇质量损失处于交替上升的状态；涂覆氟碳涂料的试件相较基准试件，甲醇质量损失明显下降；涂覆复合氟碳防护涂料后，甲醇质量损失对比基准试件也下降，但下降程度不及氟碳涂料。

图7　涂覆复合涂料不同强度等级混凝土试件的透气性

图8　涂覆不同防护涂料C50混凝土试件的透气性

3　结论

（1）涂覆了复合氟碳防护涂料的混凝土试件，短期（48 h）吸水率较基准试件普遍降低，且其达到吸水饱和的速度减缓。

（2）使用复合氟碳防护涂料防护表面的混凝土试件，相对于相同环境中的基准试件，抗压强度耐蚀系数明显增大；腐蚀条件下的质量先增后减，而水养条件下其质量随龄期延长而增大，涂覆复合氟碳防护涂料的混凝土试件质量变化均较基准试件缓慢且变化率较小。

（3）涂覆复合氟碳防护涂料能显著降低混凝土试件的冻融循环破坏，尤其在外界有水环境下，这与其能够大幅降低混凝土试件吸水率有关。

（4）复合氟碳防护涂料的透气性较基准试件有所降低，由于其中的硅烷小分子能够渗透进入混凝土内部而非堵塞孔隙，故下降幅度不大。对于C50试件，涂覆复合氟碳防护涂料的试件吸水率下降幅度最大。这说明复合氟碳防护涂料能使混凝土结构在具有低吸水率的同时兼具一定的透气性。

［1］Stehlik M.Influence of the age of epoxy dispersion on the effectiveness of protection of concrete surfaces［J］.Engineering Structures and Technologies，2012，4（2）：37-44.

［2］孙志恒，李萌.混凝土面板坝表面喷涂聚脲防护试验研究［J］.大坝与安全，2009（3）：71-77.

［3］黄微波，李志高，吕平.海工混凝土聚脲涂层防护研究进展［J］.腐蚀与防护，2010（1）：82-84.

［4］Aguiar J B，Camões A，Moreira P M.Camoes.Coatings for concrete protection against aggressive environments［J］.Journal of Advanced Concrete Technology，2008（1）：243-250.

［5］岑文杰，潘峻.硅烷浸渍材料在混凝土防腐工程中的应用［J］.华南港工，2009，117（4）：40-43.

［6］戴建才，李建中.硅烷膏体防护剂在提高混凝土结构耐久性中的应用［J］.混凝土，2010（5）：70-72.

［7］田周宪，尚朝杰，韩艳玲.混凝土硅烷防护剂在港口码头的施工技术［J］.港口，2010，24（1）：35-38.

［8］Barbucci A，Delucchi M，Goretta L，et al.Electrochemical and physic-chemical characterization of fluorinated organic coatings forsteelandconcreteprotection：influenceofthepigment volume concentration［J］.Progress in Organic Coatings，1998，33：139-148.

［9］萧以德，张三平，李耀玺，等.氟碳涂料耐候及防腐性能的研究［J］.材料保护，2010（10）：103-109.

Study on properties evaluation of composite fluorocarbon protecting coating for concrete structures

XUE Xiaofang1，QIU Shuo2，JIANG Zhengwu2
（1.Guizhou Zhicheng Concrete Co.Ltd.，Guiyang 550000，Guizhou，China；

2.Key Laboratory of Advanced Civil Engineering Materials of Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 200092，China）

In this paper，the water absorption，corrosion resistance，freezing and thawing cycle and gas permeability were chosen to be the test index to evaluate the protecting properties of the developed kind of composite fluorocarbon protecting coatings for reinforced concrete structures，which was made of fluorocarbon and silane.And its properties were compared with that of the silane protecting coating.Results showed that the water absorption of concrete structures improved obviously after use the composite fluorocarbon protecting coatings.And the performances of the corrosion resistance in the extreme corrosion surroundings and the relative dynamic elasticity modulus after 25 times freezing and thawing cycle also improved sharply，compared to the reference group.The composite fluorocarbon protecting coatings also left concrete good gas permeability.

composite，fluorocarbon coating，silane，water absorption，gas permeability

TU56+1.6

A

1001-702X（2015）09-0015-04

国家973项目（2011CB013805）；国家自然科学基金资助项目（51278360、51308407）国家科技支撑计划项目（2011BAE14B06）；高等学校博士学科点专项科研基金项目（20130072110047）

2015-03-20；

2015-08-13

薛晓芳，女，1975年生，陕西白水人，工程师。