聚氨酯防水涂层对混凝土抗冻性能的影响

刘竞 张旭 李广辉 徐永杰 王有能 赵彦旭 郑新国

1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.中国铁路乌鲁木齐局集团有限公司，乌鲁木齐 830011；3.中国铁路上海局集团有限公司，上海 200071；4.中铁二十一局集团有限公司，兰州 730070

混凝土抗冻性能是影响寒区混凝土耐久性的重要因素。中国西部高海拔地区昼夜温差大、严寒干燥、太阳强辐射且存在深覆盖层冻土，极端的气候使得混凝土遭受着严重的冻融破坏，极大降低了混凝土的耐久性［1-3］。在青藏高原混凝土建筑材料使用5～10年后会出现混凝土表面粉化、骨料外露、轻敲即碎等问题，混凝土结构服役寿命显著缩短并带来安全隐患，因此改善西部高寒地区混凝土的抗冻性能，对于提升其服役寿命至关重要［4］。

在混凝土中引入气泡，掺入钢纤维或粉煤灰、硅粉等活性矿物质均可以提高混凝土的抗冻性能［5-6］。以上方法适用于新建混凝土构筑物抗冻耐久性的提升，对于既有混凝土构筑物，在混凝土表面涂刷涂料形成致密的薄层可阻止水分进入混凝土内部［7-8］。涂刷水性环氧树脂、丙烯酸树脂、硅烷等涂层可将混凝土抗冻等级最高提升至F400以上［9］，环氧砂浆、聚脲、聚氨酯等涂层可将混凝土抗冻等级从F150提升至F300［10］，涂刷聚脲材料的砂浆试件抗冻等级可达到F250［11］。使用硅烷和环氧树脂材料作为涂层的混凝土经快速冻融循环后，其相对动弹性模量和质量损失率均有所降低，抗冻性能显著增强［12-13］。本文通过试验对比分析聚氨酯涂层、沥青改性聚氨酯涂层的水汽透过性、耐低温性能及其对混凝土抗冻性能的改善效果，并探讨涂层对混凝土的长效防护技术措施。

1 室内试验

1.1 试验材料

混凝土表面涂层材料分别为自主研制的聚氨酯和沥青改性聚氨酯。涂层的基本性能见表1。

表1 涂层的基本性能

1.2 试验内容

1）涂层水汽透过性试验。试验容器内温度25℃、湿度94%，两种涂层厚度均为（0.2±0.01）mm。将盛有一定量饱和NH4H2PO4溶液的容器上端用涂层封闭（图1），每隔24 h称一次容器的总质量。通过与初始质量之差得到透过涂层的水汽量。

图1 涂层水汽透过性试验

2）涂层材料耐低温性能试验。采用差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry，DSC）测试两种涂层材料的玻璃化温度（Tg）。Tg可用于表征涂层材料在低温下的柔韧性。一种材料的玻璃化温度越低，耐低温性能越好，则其在低温下的柔韧性越好，越不易开裂。使用的设备为美国TA公司生产的同步热分析仪，样品质量为5～10 mg，惰性气体选用氮气，升温范围为-80～100℃，升温速率为3℃/min。

3）冻融循环试验。基准混凝土试件为标准养护56 d的C30混凝土，水胶比0.4，坍落度175 mm，含气量2.8%，试件尺寸为100 mm（长）×100 mm（宽）×400 mm（高）。其配合比见表2。

表2 基准混凝土配合比 kg·m-3

基准混凝土养护56 d后，从标准养护室取出，使用丙酮对混凝土表面进行清洗，在室温下放置1 d后涂覆涂料。每种涂料的涂覆量相同，使用干净毛刷来回涂刷2遍。两种涂层厚度均控制在（0.2±0.01）mm。涂覆完毕后，在温度为（22±2）℃和相对湿度为50%±5%的空气中放置7 d，使其完全固化并干燥后备用。

将涂覆涂料7 d后的混凝土泡水4 d，然后进行冻融循环试验。按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中要求测试冻融循环1000次过程中混凝土的相对动弹性模量和质量损失率。

2 试验结果分析

2.1 涂层水汽透过性

聚氨酯涂层和沥青改性聚氨酯涂层的水汽透过量随时间变化曲线见图2。可知，在起初的8 h内两种涂层水汽透过量几乎一致，但随着时间的推移，沥青改性聚氨酯涂层的水汽透过速率明显加快，两者的水汽透过量差异逐渐增大。216 h时聚氨酯涂层和沥青改性聚氨酯涂层的水汽透过量分别为0.57、0.77 g，前者防水性好于后者。这是因为沥青改性聚氨酯中的极性基团（—COO—和—OH）较多，水汽分子更易与这些极性基团形成氢键，然后溶解透过涂层，从而造成水汽透过量更多。

图2 两种涂层水汽透过量随时间变化曲线

防水性更好的聚氨酯涂层可以有效阻止水分进入混凝土内部，显著降低外界环境水与混凝土内部水的交换能力，减小混凝土内部可冻结水量，从而减弱水冻结对混凝土微结构的损伤。

2.2 涂层材料的耐低温性能

两种涂层材料的DSC曲线见图3。

图3 两种涂层材料的DSC曲线

由图3可知，聚氨酯涂层材料、沥青改性聚氨酯涂层材料的玻璃化温度分别为-66.0、-61.6℃。沥青改性聚氨酯涂层材料的玻璃化温度较高。这是因为其中含有沥青，沥青的分子链段柔顺性较聚氨酯要差，将其加入玻璃化温度较低的聚氨酯中进行改性，则会提高聚氨酯的玻璃化温度，因此沥青改性聚氨酯在低温时更脆，更易破坏、开裂，进而导致外界环境水更易通过涂层裂隙进入混凝土内部，从而降低涂层对混凝土的防护效果。

2.3 混凝土抗冻性能

未涂、涂覆两种涂层混凝土试件的抗冻性能试验结果见图4。可见：①未涂覆涂层的混凝土试件经历325次冻融循环后相对动弹性模量降至41.8%，质量损失率为0.17%，说明试件内部已发生冻融损伤破坏。②在经受1000次冻融循环试验过程中，沥青改性聚氨酯涂层混凝土试件的相对动弹性模量一直大于98%。经受1000次冻融循环后试件的质量损失率为-0.57%，即沥青改性聚氨酯涂层混凝土试件的质量不仅未损失，反而增加了0.57%。经检查试件状态发现，经受425次冻融循环后沥青改性聚氨酯涂层发生开裂和起鼓，且已与混凝土表面剥离，外界水通过涂层破损处进入混凝土内部，导致涂层内混凝土表面出现粉化现象，混凝土质量增加。这说明了经受425次冻融循环后沥青改性聚氨酯涂层对混凝土的防护功能已基本丧失。③在经受1000次冻融循环试验过程中，聚氨酯涂层混凝土试件的相对动弹性模量一直大于98%，总质量基本保持稳定，且涂层与混凝土黏结牢固、无开裂、无起鼓，揭开涂层后未发现混凝土表面出现粉化、剥落现象，这说明聚氨酯涂层对混凝土具有较好的防护效果。该试验结果与涂层玻璃化温度的测试结果一致。④经受1000次冻融循环后，虽然两种涂层混凝土试件的相对动弹性模量均保持在90%以上，但两种涂层对混凝土的保护效果迥异。由此可见，即使经受1000次冻融循环，仅以相对动弹性模量数据难以准确评判不同涂层对混凝土抗冻性能改善效果的优劣，须结合经受冻融循环作用后涂层自身状态、涂层与混凝土间的黏结情况以及涂层下混凝土表面是否出现粉化、剥落等现象综合评判。

图4 未涂、涂覆两种涂层混凝土试件的抗冻性能试验结果

3 结论

1）与沥青改性聚氨酯涂层相比，聚氨酯涂层的防水汽透过性更好，玻璃化温度更低。聚氨酯涂层一方面可以有效阻碍水分进入混凝土内部，减轻冻融对混凝土的损伤；另一方面拥有更优异的耐低温性能，其在低温下具有更好的柔韧性，经反复冻融不易开裂，并与混凝土保持良好的黏结状态，从而对混凝土抗冻性能具有更好的改善效果。

2）经受325次冻融循环后，未涂覆涂层的混凝土相对动弹性模量降至41.8%，发生了冻融破坏；经受1000次冻融循环后，虽然涂覆沥青改性聚氨酯涂层的混凝土相对动弹性模量大于90%，但其质量增加了0.57%，涂层发生了开裂和起鼓，且已与混凝土剥离，外界水渗入涂层，致使其防护功能基本丧失；涂覆聚氨酯涂层的混凝土相对动弹性模量虽然也大于90%，但涂层无开裂或起鼓，且与混凝土黏结牢固，具有良好的抗冻融防护性能。1000次冻融循环试验验证了聚氨酯涂层对混凝土抗冻性能改善效果的长效性。

3）仅以混凝土相对动弹性模量数据难以直接准确评判不同涂层对混凝土抗冻性能改善效果的优劣，须结合经受冻融循环作用后涂层自身状态、涂层与混凝土间的黏结情况以及涂层下混凝土表面是否出现粉化、剥落等现象综合评判。