SK高耐候水泥基防护材料性能试验研究

孟川 杨庆胜 白振江

摘要：根据西北高寒地区水工混凝土建筑物表面防护要求，对新型SK高耐候水泥基防护材料进行了试验研究。为验证其耐候、附着、抗冻等关键性能，引入了市面常见的乙烯基酯防腐涂层和水泥基柔性防水涂层等同类防护涂料作为对比材料，分别进行了标准环境、高温海水浸泡、热氧老化、紫外光老化、低温环境下等不同条件的涂层力学性能测试、拉拔试验和冻融循环测试，并进行了结果分析。结果表明：SK高耐候水泥基防护材料与市面同类材料相比，综合耐候性能优异，附着性能突出，抗冻性能较传统聚合物水泥基材料有明显提升，适用于寒冷地区水工混凝土建筑物表层防护。

关键词：SK高耐候水泥;水工混凝土表面防护;聚合物水泥基防护涂层;加速老化试验;冻融

中图法分类号：TQ172.7

文献标志码：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.10.011

1 研究背景

混凝土坝、厂房、水闸、渠道、渡槽、桥柱、工作桥等水工建筑物，随着运行年限的增长，建筑结构的耐久性因环境影响而失效的现象增多，由于气候变化造成的环境变化对水工建筑耐久性的影响问题严峻[1]。根据水利工程结构特点及其服役环境的不同，水工混凝土常见病害主要包括物理性危害（裂缝、冻胀，冲磨空蚀等）和化学性危害（碱骨料反应、碳化、腐蚀、溶蚀等）。由于水工混凝土自身因素及其运行环境的差异，这几类病害对水工混凝土的危害程度也不相同[2-3]。在寒冷地区修建的水工混凝土建筑物，迎水面水位变化区工作条件极其苛刻。已有研究表明，混凝土温度骤降是产生和加重温度裂缝的最主要原因[4]。此外，冻融破坏也是我国寒冷地区水工混凝土建筑物的常见病害，普遍发生在寒冷地区经常与水接触的混凝土结构物，特别是水位变化区的水工和海工混凝土结构物。在我国东北、华北、西北地区，水工混凝土建筑物水位变化区域的混凝土几乎100%遭受不同程度的冻融破坏[5]，如东北地区的云峰水电站大坝、丰满水电站大坝、松月水库大坝、满台城水库大坝等均出现迎水面混凝土冻融剥蚀破坏现象。为了修复这些已建混凝土大坝的冻融剥蚀破坏，防止坝面开裂引起的高压水力劈裂和混凝土、钢筋性能劣化的隐患，提高大坝工程安全性和耐久性，在混凝土表面一定范围涂刷一层综合耐候性强且具备防渗和抗冻功能的涂料进行耐久性防护是非常必要的。为此，研究性能优越、造价低廉的涂层防护材料具有重要意义。

2 SK高耐候水泥基防护材料

传统聚合物水泥基防水涂料兼有聚合物和水泥的特点，既具备聚合物乳液优异的延伸性和防水性，也有水硬性胶凝材料强度高、与潮湿基层载结能力强等优点，在我国的多个建筑结构部位（如厕浴、厨房、建筑物屋面、地下室等）中得到广泛应用，目前已成为我国建筑防水材料领域中不可或缺的材料[6]，但也存在易出现耐水性变差、开裂等耐久性问题[7]。

SK高耐候水泥基防护材料是一种经过纳米填料改性的水性乳液与水泥、石英砂等粉料组成的聚合物水泥基复合材料。该材料中选用的乳液是一种采用纳米分散聚合物微乳液共聚技术制备，具有多支化骨架结构并接枝高反应活性官能团的水性环保树脂。由于该材料独有的分子结构能够形成致密漆膜，能有效阻断及减缓各类不利环境因素导致的老化进程，使其拥有超强的耐浸泡、耐老化、耐腐蚀性能，同时在施工中还兼具工艺灵活（可刮、可滚、可喷）、高效安全、成本低廉等特点，是一种具有高耐候性的新型混凝土防护材料。为验证SK高耐候水泥基防护材料的耐候性，同时引入2种市面常见的聚合物水泥基防水涂料（乙烯基酯防腐涂层和水泥基柔性防水涂层），作为对比材料，3种涂层材料的原料和配比见表1。

3 涂层耐候性能试验

涂层耐候性能试验包括海水腐蚀、热氧老化、紫外老化等主要气候环境劣化因素下的加速老化试验。对不同涂层按GB/T 16777-2008《建筑防水涂料试验方法》中拉伸性能试验方法进行测试，通过对比标准养护条件下和不同加速老化试验后的拉伸性能变化率，评价材料的耐候性能。

3.1 标准养护条件下涂层拉伸性能

表2为涂层在标准养护条件下不同龄期的拉伸性能试验结果，可以看出：随龄期增加，3种涂层的拉伸强度（TS）增大、断裂伸长率（Eb）下降，但性能变化并不明显。这表明，水泥基类涂层成膜速度相对较快，在水泥发生水化反应并与聚合物涂膜形成互穿网络结构后便基本达到最终性能。3种材料中SK高耐候水泥基防护材料力学性能与其他材料相比并无明显优势，同时，断裂伸长率随龄期快速下降，材料整体偏向刚性。乙烯基酯防腐涂层由于乳液组分中含有环氧基团，拉伸强度明显高于其他两种材料，但柔性也最差。水泥基柔性防水涂层选用的巴斯夫乳液成膜后本身具有极高韧性，且粉料中没有加入石英砂，因此材料整体柔韧性最好。

3.2 高温海水浸泡后涂层拉伸性能

海水成分复杂，可以与水泥基材料形成难溶物质，导致结晶膨胀性腐蚀。高温环境则可以加速老化反应速度、加重材料劣化程度。因此，高温海水浸泡试验可以很好地验证材料耐浸泡、耐腐蚀性能。表3为各参比涂层在高温海水浸泡条件下不同龄期的拉伸性能试验结果。乙烯基酯防腐涂层在浸泡7d龄期时涂层性能就大幅下降至原始强度的1/5，表面出现起泡、开裂现象。水泥基柔性防水涂层外观在浸泡后没有明显劣化，拉伸强度随浸泡龄期先增加后缓慢下降，而断裂伸长率则呈快速下降趋势，到28 d龄期时性能劣化率已达到70%。高耐候水泥基防护材料在浸泡后，拉伸强度和断裂伸长率分别下降了22%和11%，相比前两种材料性能变化很轻微，表现出良好的耐腐蚀、耐浸泡性能。

3.3 热氧老化后涂层拉伸性能

热氧老化主要是由空气中的氧气在高温条件下与有机材料分子中的活泼基团反应产生游离基并发生分子链断裂，导致材料力学性能下降的老化现象。表4为各参比涂层在热氧老化条件下不同龄期的拉伸性能试验结果，可以看出：随老化龄期增加，各参比涂层拉伸性能变化趋势均表现为拉伸强度增大，断裂伸长率下降。对于水泥基材料，高温环境促进了聚合物分子链进一步交联，其中，乙烯基酯防腐涂层拉伸强度达到11.6 MPa，已接近油性涂層的拉伸性能。高耐候水泥基防护材料和水泥基柔性防水涂层的强度也有一定程度提高。由于水泥基材料内部存在的大量无机填料对聚合物也起到一定隔离保护作用，在热氧老化环境下材料性能劣化并不明显。

3.4 紫外老化后涂层拉伸性能

阳光中的紫外线是造成涂层外观发生褪色、失光、黄变、粉化等劣化的主要原因。各参比涂层在紫外老化条件下不同龄期的拉伸性能试验结果如表5所示，可以看出：高耐候水泥基防护材料和乙烯基酯防腐涂层老化后外观均未出现明显劣化;在力学性能方面，拉伸强度随老化龄期增加，断裂伸长率略有下降，表现出较强的耐紫外老化性能。水泥基柔性防水涂层在紫外老化28 d后，样条中段出现失光和发白褪色现象，与两侧未受光照部分形成鲜明对比;在力学性能方面同样有很大波动，拉伸强度下降了61%，断裂伸长率上升了76%，说明该材料对紫外光老化的耐受性较差。

4 涂层附着性能试验

4.1 标准养护条件下涂层附着性能

表6为各参比涂层在标准条件下养护28 d后附着性能试验结果，可以看出：乙烯基酯防腐涂层和水泥基柔性防水涂层经标准条件养护后拉拔强度均较低，只达到1.16 MPa和1.35 MPa，拉拔时界面破坏形式为界面一本体混合破坏，说明这两种材料本体强度与黏接效果均不够理想。高耐候水泥基防护材料在经标准条件养护后拉拔强度则能达到2.03 MPa.拉拔时界面破坏形式为混凝土破坏，其附着性能明显优于其他两种材料。

4.2 长期浸泡条件下涂层附着性能

表7为各参比涂层在65 ℃自来水中浸泡3个月后附着性能试验结果，可以看出：经过长期高温浸泡后，参比涂层的附着性都有不同程度的下降。其中，乙烯基酯防腐涂层和水泥基柔性防水涂层拉拔强度分别下降了36%和50%，乙烯基酯防腐涂层拉拔破坏类型为本体断裂。水泥基柔性防水涂层还在浸泡50d左右时发生表面变软、大量起泡和脱层现象，拉拔时破坏类型为界面破坏，表明其耐浸泡性能相对较差。高耐候水泥基防护材料在浸泡后表观无明显劣化现象，且拉拔强度仅下降了6%，拉拔破坏类型仍为混凝土破坏，在参比涂层中耐浸泡性能最为突出。

5 涂层抗冻性能试验

5.1 低温条件下涂层拉伸性能

我国北方高寒地区冬季平均气温在-20℃左右，材料在低温条件下分子链凍结活动受限，变硬变脆。因此，低温韧性也是判断材料是否适合应用在高寒地区的关键性能。各参比涂层在不同温度下的拉伸性能试验结果如表8所示，可以看出：在-10℃时，各参比涂层断裂伸长率仅下降20%左右，对材料力学性能影响有限。试验温度下降到-20℃时，各参比涂层脆化现象更加严重，其中高耐候水泥基防护材料和乙烯基酯防腐涂层的断裂伸长率保持在5%左右，水泥基柔性防水涂层断裂伸长率下降幅度最高，达到50%，但因其伸长率初始值高，仍是参比材料中低温柔性最好的材料。

5.2 涂层抗冻性能

针对冻融循环对混凝土产生破坏的程度，采用SL 352-2006《水工混凝土试验规程》4.23节给出的混凝土试件相对动弹模量Pn进行表征，按式（1）进行计算，以3个测量点试验结果的平均值为测定值。

对于各参比涂层，对抗冻试件防护后进行了不同周期冻融循环后的自振频率（fn）测试，结果见表9。按照试验规程中的判定要求，当相对动弹性模量下降至原始值的60%以下时，认定试件已经破坏。由图1可以看出，由于试验抗冻试件为低强度混凝土，内部结构松散，很容易受到冻融循环破坏，在不进行涂层防护的情况下运行50次后，循环后便达到判定极限。采用乙烯基酯防腐涂层和水泥基柔性防水涂层防护后，混凝土试件分别可抵御冻融循环75次和100次左右，具有一定防冻融效果。采用高耐候水泥基防护材料防护的试件则最多可抵御冻融循环200次左右，与传统聚合物水涂层相比，抗冻性能有了显著提升。冻融循环至300次时，乙烯基酯防腐涂层和高耐候水泥基防护材料的破坏形式主要为涂层开裂和局部破损;水泥基柔性防水涂层韧性较好，破坏形式以大面积脱空为主。可见涂层韧性主要影响破坏类型，涂层的附着和抗渗性能才是提高抗冻能力的关键指标。

6 结论

（1）涂层耐候性能试验表明：SK高耐候水泥基防护材料的耐高温海水浸泡、耐紫外老化性能较乙烯基酯防腐涂层和水泥基柔性防水涂层优异;耐热氧老化性能与乙烯基酯防腐涂层和水泥基柔性防水涂层基本相当。SK高耐候水泥基防护材料的综合耐候性能优于参比同类水泥基涂层。

（2）涂层附着性能试验表明：标准条件下SK高耐候水泥基防护材料黏接强度可达2.03 MPa。经高温长期浸泡后黏接强度仅降低了6.47%，表观无变化。无论标准条件还是长期浸泡后，与混凝土基面的附着性能相比，同类水泥基涂层都有明显优势。

（3）涂层抗冻性能试验表明：低温环境对SK高耐候水泥基防护材料拉伸性能影响较小。采用该新型材料进行防护后混凝土试件可有效抵御200次冻融循环，相比传统同类材料抗冻性能有显著提升。涂层韧性主要影响破坏类型，涂层的附着和抗渗性能才是提高抗冻能力的关键指标。

（4）SK高耐候水泥防护材料耐候性能突出，综合性能优异，建议应用于水工混凝土建筑物外立面、河堤护岸、隧洞内壁及防渗面板的表面缺陷修补及混凝土防碳化。对于西北寒冷地区面板防护，只要施工时满足基材表面温度不低于露点，环境温度>5 ℃，相对湿度<85%的施工条件，保证材料成膜固化质量，后期低温环境对涂层耐候性影响不大。

参考文献：

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[5]郭利军，朱新民，李征.聚脲在寒冷地区水工混凝土冻融破坏修复中的工程运用[C]//中国工程建设标准化协会.中国工程建设标准化协会防水防护专业委员会换届年会暨2016工程建设新型防水防护学术技术交流会论文集，2016：580-583.

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[7]王宏霞，王志新，聚合物水泥防水涂料的耐久性研究进展[J].中国建材科技，2019，28（6）：36-38.

（编辑：李慧）

作者简介：孟川，男，工程师，硕士，主要从事水工材料研究工作。E-mail：mengriver@aliyun.com