新型清水混凝土保护剂在路缘石上的应用技术研究

陈 军

(中国铁建港航局集团有限公司 广东珠海 519070)

1 前言

清水混凝土是一种不做任何装饰、一次浇筑成型的混凝土，因其不仅省去大量化工饰品，减少了环境污染，还最大程度地展现出混凝土本身的自然美感，如今作为装饰已被广泛应用于公共建筑以及市政路桥中[1-3]，如异形路缘石。由于异形路缘石一次成型，内部存在许多微孔间隙，导致其耐候性较差[4]。尤其在气候湿润的沿海城市中，空气中含有大量的水蒸气和CO2，异形清水混凝土路缘石在外部环境的侵蚀下会出现锈斑、发黄、破裂等不良缺陷，严重影响其寿命及外观质量，从而失去清水混凝土的装饰意义[5-6]。涂刷清水混凝土保护剂既能有效解决上述工程问题，又能满足现代发展的环保性理念。

最早的清水混凝土保护剂以丙烯酸为主材，出现在上个世纪60年代的日本。因丙烯酸类保护剂存在起效时间短、效果差等缺点，随后又研发出了有机硅树脂类以及氟碳聚合物类保护剂。这两种保护剂具有较好的耐久性、环保性等优点，但由于其价格昂贵、不利于大面积施工等缘故在国内未得到广泛应用[7]。因此我国现阶段清水混凝土保护剂仍主要使用丙烯酸类，处于价格竞争阶段[8]。

本文依托广东省珠海市洪湾物流园新建道路及既有道路景观提升工程(一期)项目，针对异形混凝土路缘石在本工程施工过程中存在黄变、色彩暗淡、污染物流痕等不良现象，通过方案优化和现场施工试验应用，研究了新型清水混凝土保护剂配比及应用于异形混凝土路缘石的新型施工方法。

2 新型保护剂配方优化研究

2.1 改性材料选择

本文提出一种新型清水混凝土保护剂，该保护剂以传统氟碳聚合物保护剂配方为基础，加入纳米改性材料来提高其性能。由于氟碳保护剂价格昂贵、无法大面积施工，因此改性材料的选择要考虑成本问题；在传统氟碳聚合物保护剂的基础上加入改性纳米材料来达到降低氟碳保护剂价格的目的。常用的改性纳米材料主要有纳米TiO2、纳米SiO2和纳米CaCO3等[9-10]。纳米TiO2和纳米SiO2来源比较局限、价格相对昂贵，工艺也比较复杂，不在本文考虑范围内；纳米CaCO3由于其广泛的来源[11]，价格相对较低，市场价格在10元/kg左右，且粒径小、比表面积大，能均匀分散到建筑涂料中，对膜层的耐水性、耐碱性、耐洗刷性等提升效果明显，因此本文的改性剂采用纳米CaCO3。

2.2 新型保护剂配方

本试验样品采用的氟碳树脂乳液具体技术指标如表1所示，新型保护剂设计配方如表2所示。

表1 氟碳乳液的技术指标

表2 保护剂配方

配方中改性剂为改性后的纳米CaCO3，所采用的光触媒为纳米TiO2，采用气相SiO2作为配方中的消光粉，采用丙醇作为助溶剂，分散剂选用1，3-丙二醇；试验中发现采用单一增稠剂时所需剂量较大，达不到价格低廉的目的，故采用羟乙基纤维素和羟丙基甲基纤维素的混合剂，混合比例为2∶1；选用消泡能力强、抑泡时间久的聚醚改性聚二甲基硅氧烷作为消泡剂；选用聚丙烯酸钠和烷基酚聚氧乙烯非离子表面活性剂作为润湿剂；为使保护剂在较低温度下仍然能增加塑性聚结成膜，另添加一定量的成膜助剂，成分为十二碳醇酯。

2.3 制备流程

在新型清水混凝土保护剂的制备过程中，经过多次试验与总结，按照以下流程(见图1)制备的保护剂储存状态最稳定。具体操作步骤如下:

图1 新型清水混凝土制备流程

(1)按照配比将增稠剂用助溶剂稀释；

(2)按照配比将改性剂、成膜助剂、分散剂加入助溶剂中，在常温下以1 500～2 000 r/min转速机械分散搅拌20～25 min至均匀；

(3)按照配比将氟碳树脂乳液、光触媒、消光粉、润湿剂、消泡剂及水加入步骤(2)所得溶液中，在温度60℃下以2 000～3 000 r/min转速搅拌30～35 min；

(4)搅拌完成后，逐滴缓慢加入增稠剂，并时刻注意观察稠度，将粘度调节至1 200 mPa·s左右为止，静置得到新型清水混凝土保护剂。

3 保护剂性能测试

3.1 基本性能测试

根据国家标准《合成树脂乳液外墙涂料》(GB/T 9755—2014)对新型清水混凝土保护剂进行性能指标检测，同时和传统氟碳保护剂进行对比，具体检测结果如表3所示。

表3 性能检测指标

从表3可以看出，新型清水混凝土保护剂各项指标均符合国家规范标准，在耐沾污性、耐洗刷性、耐碱性等性能方面均优于传统氟碳保护剂。

3.2 应用性能测试

3.2.1 吸水率测试

保护剂能在清水混凝土表面形成防水涂层从而降低其吸水能力，因此可通过试验测试涂刷保护剂后清水混凝土的吸水率来侧面反映保护剂的应用性能。浇筑尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的清水混凝土立方体试样，将其养护28 d后放入恒温干燥箱干燥至恒重，干燥温度50℃。参照标准《建筑表面用有机硅防水剂》(JC/T 902—2002)对不同保护剂处理的清水混凝土试样进行吸水率测试[12]，测试结果如图2所示。

图2 吸水率与浸泡时间的关系

从图2中可以看出，涂刷保护剂后，清水混凝土试样的吸水率远小于未处理的空白试样，这主要是因为保护剂在试样表面形成了致密的防水涂层，阻止了试样的进一步吸水；普通清水混凝土试样的吸水率随浸泡时间的增加而增加，而涂刷保护剂后其吸水率基本保持不变，说明保护剂的防水效果具有持续性；与传统氟碳保护剂相比，使用新型保护剂后清水混凝土的吸水率进一步降低，说明新型保护剂形成的防水涂层更为致密，保护效果更优。

3.2.2 抗碳化性能测试

清水混凝土的碳化现象会使其表面产生裂纹、锈斑等，严重影响其外观质量，因此检测新型保护剂对其抗碳化性能的影响具有很好的实际意义。碳化现象是指混凝土中的水化产物Ca(OH)2遇到空气中的CO2后生成CaCO3，导致其碱性降低从而更易被侵蚀[13]，因此经常采用酚酞试剂对其进行碳化程度测试。将不同处理后的清水混凝土试样放入SJ-2标准碳化箱进行碳化试验，碳化结束后将试样沿中线切成两半，在横截断面喷涂酚酞试剂，显红区域最外侧边缘距试样边缘的距离即为碳化深度。新型保护剂对清水混凝土抗碳化性能影响结果如图3所示。

图3 碳化深度与碳化时间的关系

从图3中可以看出，涂刷氟碳保护剂和新型保护剂的清水混凝土试样在各个阶段的碳化深度都远小于未处理的空白试样，说明清水混凝土保护剂可有效降低混凝土的碳化现象；新型保护剂的碳化深度比传统氟碳保护剂更低，说明新型清水混凝土保护剂形成的涂层更为致密，保护效果更加优异。

3.3 分析与讨论

通过上述性能对比测试试验，可以看出加入改性材料纳米CaCO3的新型清水混凝土保护剂在常规测试满足规范要求的同时，还具备更优异的性能。分析其原因是纳米CaCO3的加入使保护剂在形成涂层时通过多种键合方式封闭表面的水溶性基团，从而提高了涂层的耐水性和耐碱性；另外纳米材料粒径小，且具有更大的比表面积，加入到传统的氟碳保护剂中能有效填充涂层表面缺陷，致使涂层更致密，因此在吸水率和抗碳化性能方面表现优异。

4 工程应用

4.1 工程概况

广东省珠海市洪湾物流园新建道路及既有道路景观提升工程(一期)，道路总长4 209.576 m，红线宽度16～30 m，全部采用清水混凝土异形路缘石。由于工程所处环境空气湿度大、日照充足，因此路缘石清水混凝土的外观质量是该工程的质量控制重点，具体施工现状见图4。

图4 施工现状

4.2 施工工法

在现有清水混凝土保护剂施工工程的特点和工程实例的基础上，结合该工程具体概况制订出一套详尽的施工工法；该工法对设计和施工进行动态控制，在确保清水混凝土质量达标的同时保障清水混凝土表面的美观效果。本项目采用具体包括以下步骤:

(1)清水混凝土基面清理。对异形路缘石表面进行砂纸打磨，除去浮尘、锈迹、盐类析出物等，再用高压水枪冲洗路缘石，直至基面清理干净。

(2)清水混凝土表面修补。对高压水枪冲洗过后的路缘石进行晾晒，完全干燥后采用水泥灰浆对裂纹、孔缝、露筋等情况进行修补，仅需修补肉眼可见的明显缺陷即可。

(3)新型保护剂稀释。按照配比将新型保护剂配置完成，常用的涂刷方式有喷涂和辊涂两种，根据不同的施工方式对保护剂进行适当地加水稀释。

(4)新型保护剂涂刷。将稀释后的保护剂均匀喷洒或辊涂到异形清水混凝土路缘石表面，直至路缘石表层完全湿润，静置等待保护剂被完全吸收。根据实际施工效果，清水混凝土保护剂需重复涂刷2～3遍，以充分发挥其保护作用。

4.3 造价分析

对上述工程中新型清水混凝土保护剂的实际应用情况进行造价分析，结合市场行情与传统氟碳类保护剂进行对比分析，论证其可大面积应用的可行性。从表4可以看出新型清水混凝土保护剂的造价仅为5.7～15元/m2，与传统氟碳保护剂相比降低了大约62%，说明该新型保护剂的大面积应用具备可行性。

表4 保护剂造价

5 结论

(1)纳米CaCO3来源广泛、价格低廉、效果明显，可用于改性清水混凝土保护剂，进而提高异形路缘石外观质量；

(2)该新型清水混凝土保护剂性能稳定，满足规范要求，同时在耐水性、抗碳化性方面均优于传统的氟碳保护剂；

(3)通过在广东省珠海市洪湾物流园新建道路及既有道路景观提升工程(一期)的现场试验和施工，工程中的异形路缘石外观质量达标，且成本低廉，因此，将新型清水混凝土保护剂应用于异形混凝土路缘石具备可行性。