清水混凝土保护剂对混凝土抗冻性能的影响研究

张志增 ，张云鹏 ，李松凡 ，陈一飞 ，李芳 ，柳志丹 ，陈军程 ，秦钰娟

（1.中原工学院 建筑工程学院，河南 郑州 450007；2.玉溪市江通高速公路有限公司，云南 玉溪 652600；3.河南高速公路发展有限责任公司，河南 郑州 450052）

0 引言

清水混凝土保护剂是指既能够提高混凝土的耐久性，又能保留混凝土本色与质地的一种高新技术产品[1]。清水混凝土保护剂通过表面成膜或发生一系列物理化学反应生成新物质，从而达到良好的防护效果。在我国很多标志性清水混凝土建筑在后期均采用涂刷清水混凝土保护剂来提高其耐久性[2]。

清水混凝土保护剂根据其使用的环境，应具有比较突出的一种或几种性能，例如寒冷地区对混凝土的抗冻性要求很高等[3]。在我国北方寒冷地区，混凝土的冻融破坏已经表现的日益突出，因此，选用对混凝土抗冻融效果好的清水混凝土保护剂非常重要。

目前，市场上的清水混凝土保护剂主要有丙烯酸树脂、有机硅树脂和氟碳聚合物等[4]，大量实践证明，清水混凝土保护剂确实对混凝土的抗冻融能力有一定的影响，但缺乏足够的数据证明在混凝土抗冻融方面的具体情况，从而制约了清水混凝土保护剂的进一步发展，开展清水混凝土保护剂对混凝土抗冻融性能的评价十分有必要。本研究采用目前市场上主流的几种清水混凝土保护剂，考察其对混凝土抗冻融性能的影响。

1 试验

1.1 试件的制备和养护

水泥：郑州天瑞P·O42.5水泥；河砂：表观密度2600 kg/m3，堆积密度1580 kg/m3，细度模数2.48，含泥量5.3%；碎石：5～20 mm连续级配，表观密度2890 kg/m3，堆积密度1600 kg/m3，吸水率1.9%；减水剂：德国西卡，主要成分聚羧酸盐，减水率30%。混凝土强度按C40配制，水灰比为0.5，经过多次适配，得到具体配合比见表1。

表1 混凝土的配合比 kg/m3

成型100 mm×100 mm×400 mm的长方体混凝土试块，为了不影响混凝土表面涂装，浇筑时不使用脱模剂[5]。试块成型48 h后拆模，将其放入温度20℃、相对湿度95%的标准养护室养护至28 d龄期，然后放入60℃的烘箱中干燥48 h，取出试件待冷却至室温后备用。

1.2 试件的涂装

本试验采用丙烯酸类清水混凝土保护剂体系为QD-700丙烯酸树脂透明保护底漆和QD-900丙烯酸树脂透明保护面漆，深圳市清典建材科技有限公司；有机硅类清水混凝土保护剂体系为LB有机硅清水混凝土保护剂底漆和LB有机硅清水混凝土保护剂面漆，北京市蓝宝新技术股份有限公司；氟碳类清水混凝土保护剂体系为QD-100氟碳树脂透明保护剂底漆和QD-300氟碳树脂透明保护剂面漆，深圳市清典建材科技有限公司。试件涂刷步骤如下：

（1）将养护至28 d的混凝土试件取出，用砂纸、锉刀对其表面进行打磨，清理表面的空鼓、砂包等缺陷，并将混凝土试件表面的棱角进行倒角处理，然后用干抹布擦干净待用[6]。

（2）混凝土试件采用辊涂处理，先涂刷底漆，后涂刷面漆，每种类别清水混凝土保护剂分5种涂刷方式，分别为：①2层底漆；②2层面漆；③1层底漆+1层面漆；④2层底漆+2层面漆；⑤3层底漆+3层面漆。采用每个涂层横竖各涂刷1遍的方法，尽量保证涂刷均匀且无遗漏，参照保护剂厂家提供资料，上一道涂层与下一道涂层涂刷间隔为6 h。

（3）待涂层混凝土试件表面漆刷完毕后，放置于室内干燥环境72 h，另外制作空白试件（无涂层）用作对比。

1.3 混凝土的冻融循环试验

（1）根据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》中的快冻法测试混凝土试件在水冻水融条件下，经受相同的快速冻融循环次数后的性能变化来表示抗冻性能。

（2）采用100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体混凝土试件，每组3块，对试件进行编号，称量初始质量记为W0i，测试横向基频初始值记为f0i。

（3）将混凝土试件放入冻融箱的试件盒内并注入清水，且盒内水位高度高于试件顶面5 mm。

（4）运行混凝土快速冻融系统，并设置试件中心最低温度-18℃，最高8℃，融解时间60 min，冷冻时间100 min。

（5）每25次冻融循环取出试件，清洗并擦干表面水分后，测量试件的质量Wni及横向基频fni。

凡达到以下3种情况之一即可停止试验：①已达到300次循环；②相对动弹性模量下降到60%以下；③质量损失率达5%。

2 结果与讨论

将静置完毕的涂层混凝土试件放入冻融箱试件盒内开始试验，冻融循环次数达到150次时，取出试件进行抗冻性测试。

2.1 涂刷2层底漆对混凝土抗冻性的影响（见图1）

图1 涂刷2层保护剂底漆对混凝土抗冻性的影响

由图1（a）可以看出，涂有清水混凝土保护剂的混凝土试件相比基准试件质量损失率均有所减小，混凝土试块的质量均为先略有增加，达到一定的冻融循环次数后质量开始减小。当冻融循环达到150次时，涂刷氟碳类、有机硅类和丙烯酸类清水混凝土保护剂底漆的试件质量损失率分别为1.09%、1.12%、1.42%，其中涂刷氟碳类和有机硅类清水混凝土保护剂底漆的质量损失率相差不大，效果略好于涂刷丙烯酸类清水混凝土保护剂底漆的。主要原因是在冻融循环初期，进行水冻水溶的混凝土试件孔隙不断吸水导致其质量略有增加，随着冻融循环次数的增加，混凝土表面及内部结构损伤导致局部开始脱落，致使混凝土试件质量开始减小，氟碳类清水混凝土保护剂底漆由于其为有机硅乳液和氟碳树脂的复合，优异的性能使其具备很好抗冻效果，有机硅类清水混凝土保护剂底漆在本质上为硅烷，有较好的防水效果，故二者的质量损失率相差不大，且高于涂刷丙烯酸类清水混凝土保护剂的。

由图1（b）可以看出，随着冻融循环次数的增加，混凝土试件的相对动弹性模量均呈下降趋势，在初期下降速度较为缓慢且彼此相差不大，后期下降速度略有加快且逐渐差异化，涂刷3种清水混凝土保护剂底漆均在一定程度上减缓了相对动弹性模量的下降速度。当冻融循环达到150次时，涂刷氟碳类、有机硅类和丙烯酸类清水混凝土保护剂底漆的试件相对动弹性模量分别为71.1%、72.2%和66.8%，其中氟碳类和有机硅类清水混凝土保护剂底漆效果最好且相差不大，丙烯酸类清水混凝土保护剂底漆效果略差。主要原因是冻融循环前期保护剂可以有效阻止水分等有害介质的侵蚀，随着冻融循环次数的增加，混凝土试件不断遭到热胀冷缩作用的破坏，使得混凝土试件的动弹性模量逐渐增大，其中氟碳类清水混凝土保护剂底漆为结合了有机硅乳液和氟碳树脂的复合保护剂，而有机硅类清水混凝土保护剂底漆在本质上为硅烷，硅烷可以渗透到混凝土内部形成憎水层，从而在一定程度上阻止了水分在混凝土内部的渗透和运动，减少了混凝土膨胀造成的拉应力以及水分迁移和重排形成的压应力。

2.2 涂刷2层面漆对混凝土抗冻性的影响（见图2）

图2 涂刷2层保护剂面漆对混凝土抗冻性的影响

由图2（a）可以看出，当冻融循环达到150次时，涂刷氟碳类、有机硅类和丙烯酸类清水混凝土保护剂面漆的试件质量损失率分别为0.81%、1.07%、1.21%，对比涂刷同类别清水混凝土底漆的其质量损失率均有所减小。由图2（b）可以看出，3种清水混凝土保护剂面漆均能在一定程度上减缓混凝土试件相对动弹性模量的下降速度。当冻融循环达到150次时，涂刷氟碳类、有机硅类和丙烯酸类清水混凝土保护剂面漆的试件相对动弹性模量分别为78.7%、73.4%和69.2%，其中氟碳类和有机硅类清水混凝土保护剂面漆效果最好且相差不大，丙烯酸类清水混凝土保护剂面漆抗冻效果较差。

综合图1和图2可以看出，同类别清水混凝土保护剂面漆具有更好的抗冻能力。

2.3 涂刷1层底漆+1层面漆对混凝土抗冻性的影响（见图3）

图3 涂刷1层底漆+1层面漆对混凝土抗冻性的影响

由图3（a）可以看出，涂刷3种清水混凝土保护剂的试件相比基准试件质量损失率均有所减小。当冻融循环达到150次时，涂刷氟碳类、有机硅类和丙烯酸类清水混凝土保护剂的试件质量损失率分别为0.71%、0.82%和1.12%，抗冻效果由好到坏依次为氟碳类＞有机硅类＞丙烯酸类。由图3（b）可以看出，3种清水混凝土保护剂体系底漆面漆各1层均能在一定程度上减缓混凝土试件相对动弹性模量的下降速度。当冻融循环达到150次时，涂刷氟碳类、有机硅类和丙烯酸类清水混凝土保护剂体系的试件相对动弹性模量分别为79.6%、77.3%和68.6%，其中氟碳类和有机硅类清水混凝土保护剂体系效果最好且相差不大，丙烯酸类清水混凝土保护剂体系抗冻效果稍差。

整体来看，对比同类别清水混凝土保护剂面漆效果相差不大，但效果好于同类别底漆。主要原因是，氟碳类保护剂成膜致密性高，有效阻止了水分等有害介质的侵害从而在源头上减少了冻害的发生，较好保护混凝土试件，而且配套的清水混凝土保护剂体系结合性能好，更能从整体发挥保护作用。

2.4 涂刷2层底漆+2层面漆对混凝土抗冻性的影响（见图4）

图4 涂刷2层底漆+2层面漆对混凝土抗冻性的影响

由图4（a）可以看出，涂刷3种清水混凝土保护剂的试件相比基准试件质量损失率均有所减小。当冻融循环达到150次时，涂刷氟碳类、有机硅类和丙烯酸类清水混凝土保护剂体系的质量损失率分别为0.53%、0.63%和1.02%。抗冻效果由好到坏依次为氟碳类＞有机硅类＞丙烯酸类。综合图3（a）和图4（a）可以看出，随着涂刷层数的增加，同类别清水混凝土保护剂体系的质量损失率稳步下降。主要原因是，冻融循环前期，涂层较少的混凝土试件容易较早出现保护层破坏，从而使抗冻能力下降，而增加涂层则可以较好的延缓保护层的破坏，从而提升混凝土试件的抗冻能力，混凝土脱落面积减少，质量损失率减少。由图4（b）可以看出，涂刷3种清水混凝土保护剂体系底漆面漆各2层均有效减缓了混凝土试件的相对动弹性模量的下降速度。当冻融循环达到150次时，涂刷氟碳类、有机硅类和丙烯酸类清水混凝土保护剂体系的试件相对动弹性模量分别为83.3%、80.4%和72.9%，其中氟碳类和有机硅类清水混凝土保护剂体系效果最好且相差不大，丙烯酸类清水混凝土保护剂体系抗冻效果稍差。整体来看，比涂刷同类别清水混凝土保护剂体系底漆面漆各1层效果有较大提升，说明增加涂刷层数可以进一步提高冻融循环环境下混凝土的相对动弹性模量。

2.5 涂刷3层底漆+3层面漆对混凝土抗冻性的影响（见图5）

由图5（a）可以看出，涂刷3种清水混凝土保护剂的试件相比基准试件质量损失率均有所减小。当冻融循环达到150次时，涂刷氟碳类、有机硅类和丙烯酸类清水混凝土保护剂的试件的质量损失率分别为0.32%、0.45%、0.91%。抗冻效果由好到坏依次为氟碳类＞有机硅类＞丙烯酸类。由图5（b）可以看出，涂刷3种清水混凝土保护剂体系底漆面漆各3层可以很好的减缓混凝土试件相对动弹性模量的下降速度。当冻融循环达到150次时，涂刷氟碳类、有机硅类和丙烯酸类清水混凝土保护剂体系的试件相对动弹性模量分别为86.7%、83.2%和74.3%，其中氟碳类和有机硅类清水混凝土保护剂体系效果最好且相差不大，丙烯酸类清水混凝土保护剂体系抗冻效果稍差。比涂刷同种类别清水混凝土保护剂体系底漆面漆各2层的保护效果有一定的提升，说明清水混凝土保护剂体系底漆面漆各2层没有完全发挥保护剂抗冻效果，增加涂层仍然可以进一步提升混凝土抗冻效果。

2.6 综合分析

根据以上混凝土冻融循环试验结果可知，3种清水混凝土保护剂体系均能降低混凝土的质量损失率，减缓混凝土的相对动弹性模量下降速度。当冻融循环次数达到150次时，面漆的抗冻效果优于底漆；3种清水混凝土保护剂中，氟碳类清水混凝土保护剂体系抗冻性能最好，有机硅类清水混凝土保护剂体系抗冻性能次之，丙烯酸类清水混凝土保护剂体系抗冻性能最差；随着清水混凝土保护剂体系涂刷层数的增加，3种清水混凝土保护剂体系的抗冻效果逐渐提升。

3 结论

（1）3种清水混凝土保护剂体系均能在一定程度上提高混凝土的抗冻性能。

（2）清水混凝土保护剂体系面漆对混凝土抗冻性能的提高要强于底漆。

（3）氟碳类清水混凝土保护剂体系对混凝土的抗冻效果最好，有机硅类清水混凝土保护剂体系次之，丙烯酸类清水混凝土保护剂体系效果最差。

（4）随着清水混凝土保护剂体系涂刷层数的增加，3种清水混凝土保护剂体系的抗冻效果逐渐提升。