水工混凝土新型防护涂层抗冻融性试验研究

刘桐渤

(庄河市水务事务服务中心，辽宁 大连 116400)

中国东北部高寒地区具有独特的环境条件和地理位置，相对于其它地区存在大风日数频繁、深覆盖层冻土、日温差大、严寒干燥等特点[1]。水工混凝土病害多样，并以冻融破坏为主要裂化形式，冻融破坏会加速碳化、溶蚀、冲蚀等裂化进程，加速其它不利因素作用[2-3]。

在混凝土表面喷涂一种耐腐蚀、抗渗透涂料，从而形成一层能够隔离水、CO2、氯盐等有害介质侵入的防水保护层，能够弥补结构内部多孔缺陷，有效抑制混凝土的开裂、承载力下降或刚度降低，改善混凝土耐久性，延长工程服役年限[4-10]。文章结合北方高寒地区特点，利用加速冻融试验探讨了3种涂层材料的抗冻性，并以现场生产性试验验证了其适用性。

1 试验方法

1.1 原材料与配合比

依据《水工混凝土试验规程》相关操作流程制备水泥砂浆、混凝土试件，并标养至规定的龄期以备使用。砂浆试件尺寸为160mm×40mm×40mm，试验用砂为ISO标准砂，水泥选用中热水泥，水灰比为0.50，自来水；混凝土试件配合比，见表1，试件尺寸为400mm×100mm×100mm。

表1 混凝土试件配合比

本试验选用聚脲涂层体系(JNTC)、聚酯树脂(JZSZ)、耐候性环氧涂层(NHHY)三种防护材料，聚以脂肪族聚脲和环氧胶泥作为聚脲涂层体系的面漆、底漆。为保证试件与涂料间的有效黏结，涂刷前先将试件表面用抛光打磨机处理，保证表面平整度和无孔洞；然后清洗干净表面污物并静置放干，对混凝土试件利用聚酯树脂涂刷厚2mm，并分别用聚脲涂层、耐候性环氧涂层涂刷水泥砂浆试件2mm厚，其中聚脲面漆、环氧胶泥底漆的涂刷时间间隔≥8h。完成以上供需后，在相对湿度50±5%、室温22±2℃条件下按照《建筑防水涂料试验方法》养护7d备用。

1.2 试验设备与方法

严格按照试验规范推荐的方法和操作流程，利用MIT-683-063型全自动冻融试验机和AG-IC-100kN型万能试验开展相关试验，测定试件的抗冻性、抗折、抗压和抗拉强度等。该规程规定了试验停止条件，即满足质量损失率≥5%、相对动弹性模量减少至60%以下或冻融循环达到300次时停止试验。

2 结果与分析

2.1 抗拉性能影响

涂层抗拉和黏结强度严格按照《建筑防水涂料试验方法》进行测试，并选用综合性能较好的材料开展冻融试验。

以《建筑防水涂料试验方法》为依据测试防护涂层的抗拉、黏结强度，并选用抗拉强度、黏结性能较好的涂层开展抗冻融试验。依据水泥砂浆试件和混凝土试件(均已涂覆防护涂层)的相对动弹性模量、质量损失率，以《水工混凝土试验规程》为依据评判其抗冻等级，最终按照抗压、抗折强度测试结果确定防护效果[11-12]。

经多次反复试配调整，确定抗拉性能较好的JNTC、JZSZ、NHHY涂层配比，抗拉强度依次为11.35MPa、28.12MPa、24.07MPa。然后测试以上涂层的黏结性能，结果显示耐候性环氧涂层(NHHY)破坏大多出现在混凝土基体上，其黏结力超过3.8MPa，其次为聚脲涂层(JNTC)，以环氧胶泥为底漆可以明显提升与混凝土的黏结力。此外，水工混凝土与聚酯树脂(JZSZ)之间的黏结力<2.0MPa，抗拉破坏主要集中于界面交界处。

试件经多次冻融循环后的抗拉强度，涂层材料的抗拉性能，见图1。结果显示涂耐候性环氧涂层(NHHY)的试件经150次冻融后依然具有较高的抗拉强度，当达到200次冻融后开始明显下降。涂聚脲涂层(JNTC)的试件抗拉强度受冻融破坏影响小，经300次循环后抗拉强度近减少12.33%，并且冻融循环在300次以内时表面未出现明显裂纹或收缩变形的情况。

图1 涂层材料的抗拉性能

2.2 抗冻性能测试

采用室内加速冻融试验测试未涂防护材料(试验对照组1)、涂聚脲材料(组2)、涂耐候性环氧材料(组3)的水泥砂浆试件抗冻性，试验对照组1的抗冻性，见表2；涂防护材料的抗冻性能，见表3。

表2 试验对照组1的抗冻性

由表2可知，经100次循环后试验对照组时间的动弹性模量减小至11.82%，质量损失率达到43.19%，试件表明出现严重破坏。

表3 涂防护材料的抗冻性能

由表3可知，涂耐候性环氧材料试件的抗冻等级达到F150，200次冻融循环后才逐渐出现裂缝；涂聚脲材料试件的抗冻等级为F250，经300次冻融循环后仍未出现明显裂缝，可见这种材料能够大大增强抗冻性。经冻融循环，水泥砂浆试件的相对动弹性模量和质量出现一定的增大，深入分析发现可能与聚脲材料表面吸附的水分有关。

2.3 力学性能分析

在试件表面单独涂刷聚脲材料和耐候性环氧材料，并按照规范要求测试力学性能。结果发现，水泥砂浆与两种涂层均具有较强的界面黏结力，冻融作用未引起明显的应变力，界面黏结较好，即水泥砂浆与涂层材料具有较好的温度变形协调性[13-15]。

经多次冻融循环，单独涂不同防护材料试件的抗压和抗折强度，水泥砂浆试件力学性能，见图2。由图2(a)可知，涂耐候性环氧材料试件的力学性能经150次冻融循环后变化减小；经200次循环后，因涂层出现裂缝试件内部开始渗水，从而增强了冻融破坏，使得其力学性能开始下降，该变化趋势与抗拉强度基本相似。

(a)涂耐候性环氧材料 (b)涂聚脲材料

由图2(b)可知，随冻融次数的增大涂聚脲材料试件的抗压、抗拉强度均呈现出下降趋势，并且抗折曲线下降幅度要高于抗压强度曲线。涂聚脲材料试件的抗压和抗折强度，经100次冻融后剩余92.25%、87.74%，经200次冻融后剩余75.77%、42.42%，经300次冻融后剩余70.82%、3.32%。

2.4 现场生产性试验

为进一步检验水利工程实际应用中新型聚脲涂层的康动容防护效果，在庄河市朱隈水库等除险加固工程中相继开展现场生产性试验。现场观测资料显示，使用新型聚脲材料能够有效减轻冲蚀、渗漏和冻融破坏作用，在很大程度上抑制混凝土剥蚀脱落和裂纹的形成。

3 结 论

水工混凝土病害多样，并以冻融破坏为主要裂化形式，冻融破坏会加速碳化、溶蚀、冲蚀等裂化进程和其它不利因素作用。对此，文章利用室内加速冻融试验研究了3种新型防护涂层的抗冻性能。结果显示，新型聚脲涂层体系的抗冻性能最好，使用新型聚脲材料能够有效减轻冲蚀、渗漏和冻融破坏作用，在很大程度上抑制混凝土剥蚀脱落和裂纹的形成。因此，该材料有利于改善水工混凝土耐久性，可为东北部高寒地区水工结构表面防护提供一种新的方法。