生态水泥基混凝土防腐增强涂料在道路基层上的应用

张靖宇

摘要 生态水泥具有优异的特性，拥有良好的缓凝性能、微膨胀性能和后期稳定性，可以达到道路工程水稳层施工设计要求，并且可以用于工程建设中的混凝土结构表面修复和耐腐蚀强化工程中。研究发现，不同配方的涂料对混凝土的稳定性有显著提升，抗碳化和抗渗性能增强，并能够显著提高构件的遮瑕作用、力学性能和抗碳化能力，将有利于生态水泥基混凝土防腐增强涂料在道路基层上的应用推广。

关键词 生态水泥基涂料；防腐增强；工程应用；道路

中图分类号 TU997文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）09-0053-03

0 引言

水泥基涂料是一类常见的保护涂料，其组成通常包含砂浆、硅灰、粉煤炭和石膏。王廷勋[1]利用硅丙乳液制造出了这种具有白色反射功能的屋面涂料，其不仅具有防腐和保护功能，而且还能够满足使用环境的苛刻要求。这种涂料的制造操作简单易行，施工和养护工序也十分简单。李成吾等人[2]利用改变砂浆、重质碳酸钙和石英砂的比例，大幅度地提升了聚合物水泥基防水涂料的延展特性。焦宝祥等人[3]则利用EVA加强涂料的黏附力，并采用减水剂和缓凝剂来减少其黏度和流动性损失，最终研发出这种可用作岛礁及沿海钢筋混凝土结构建筑中预先安装钢筋表面的防锈涂料。因此，该文拟提出一种新型的生态水泥基混凝土结构防锈强化材料。它的组成成分单一、绿色环保护，对人身和自然环境无任何不良影响。应用时，制备工艺简便，无需特殊养护，能够在严酷的自然环境中长期使用，极大地节约了原材料和人力成本。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

经过该次实验，该文制备出了一种生态水泥基混凝土结构防腐增强涂料。它由固态和液态两种组分搅拌而成。固态组分由砂浆基胶凝材料（由砂浆、粉煤灰、硅灰和石灰石粉构成）构成，其主要组成如表1所示。液相减水剂固浓度达到40%，而粉料品质分数的1%掺量可以有效降低减水率，达到35%～40%。搅拌水所用的饮用水应当确保无粒径杂物，且pH应当为中度或弱碱性。在实验中，该文选用了普通硅酸盐水泥、河砂和碎石颗粒制成的C30混凝土试块，并选择了食用级自来水进行拌和。

1.2 试验方法

按照《一般混凝土配合比设计方法》（JGJ55—2011），该文配制了C30混凝土结构，并按照《一般建筑材料力学性能试验方法标准》（GB/T50081—2002）开展了抗压抗折测试[4]。为了增加材料的强度，该文在水灰比为0.30的40 mm×40 mm×160 mm水泥净浆试验面上垂直于位置涂抹了两遍，空白组为水灰比为0.30的40 mm×40 mm

×160 mm水泥净浆试件。按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T50082—2009），使用RCM法检测C30钢筋的抗碳化性、抗水渗性和抗氯离子渗透性，将制成的材料涂抹在受侵蚀面上，然后将其自然组装成不经过处理的钢筋[5]。在28 d的标准养护房中，将生态砂浆及钢筋防锈强化材料刷涂，然后将混凝土试件脱模，经过24 h的成型期后，再开展各项检测。

按照《砌体工程现场检测技术标准》（GB/T50315—2000），该文对现场试验点开展了反应能力和碳化测试，并使用RigakuD/maX-1200x光线衍射仪（Cu靶）研究了涂料硬化体颗粒结构，同时还使用TESCAN VEEGA扫描电子显微镜观察了涂料表面的形态特征。

2 结果与讨论

2.1 最佳配方研究

通过将粉体物料与去离子水搅拌，可以制造出不同水灰比的涂料，其中包括0.30、0.35、0.40、0.45、0.50、0.55、0.60、0.65、0.70、0.75、0.80或者0.90，并使用黏度计测定其黏度值，具体结果见表2。将油漆均匀涂抹在户外混凝土平台上，每次涂抹面积约为100 cm2，涂抹完成后，观察3 min、3 h和3 d的表面效果，如图1所示。

当水灰比达到0.40时，涂料的黏度值达到最高，达到2 074.5 MPa，随着水灰比的提高，黏度也会相应降低。然而，当水灰比低于0.40时，涂料的黏度将会变得极低，甚至无法测量。在图1中，当水灰比低于0.40時，涂抹后3 min就会产生裂缝，而且涂抹过程极其艰难；而当水灰比低于0.60时，裂缝的长度和比例会逐渐增大；当水灰比低于0.75时，裂缝的形成会变得严重，随着水灰比的继续降低，裂缝的情况会变得更加严重。

经过3 d涂刷效果比较，该文认为，水灰比在0.70～0.90左右的喷涂结果最好。几年来，行业研究表明，水泥基复合材料的水灰比越小，制造出的复合材料越密实。为了验证这一结论，该文采用了水灰比为0.35的涂料，并在其中加入聚羧酸减水剂，使其得到0.85时的黏度值，然后与未加入减水剂时的涂料展开为期90 d的对比测试，最后喷涂完毕后，经过自然养护，涂料质量得到了显著改善。

2.2 生态水泥在路面基层的性能分析

在这项实验中，该文使用了4种不同的水泥剂量（4.0%、4.5%、5.0%和5.5%），碎石取自当地的混凝土站。根据《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20—2015），该文将矿料混合在一起，并将其掺入混合料中，得出了10～30 mm∶10～20 mm∶5～10 mm∶石粉=10∶35∶20∶35。研究表明，不同剂量的水泥可以显著改善道路地基稳定材料的力学性能。为此，该文开展了击实试验和7 d无侧限抗压强度试验，结果如表3所示，为应用脱硫灰渣水泥提出了有力的理论支撑和技术。

根据表3的数据，伴随混凝土用量的增长，无机结合料的最佳含水量也会随之提高。这是因为伴随着混凝土用量的增长，拌和料中的细料会越来越多，而流化床固硫灰渣的粒度大都呈无序状态，表面有大量的连通孔，而且经过粉磨处理后，它们的微观形态基本上不会产生改变，因此，伴随混凝土用量的增长，最佳含水量也会呈上升态势。伴随混凝土掺入的增长，最高干密度也会相应提高。这是因为水泥细度较高，水化反应速度也更快，在击实试验中，有些混凝土会产生水化反应，形成混凝土石，从而提高混合料的比例，从而使混合料的干密度也随之提高。由于水泥掺量的提升，7 d无侧限强度也呈现出明显的上升趋势，这是因为混凝土结构中添加的水化硅酸钙和水化铝酸钙的比例有所提高，使得机体的硬度获得了提升。

2.3 性能提升机理

所用粉末由粉煤灰、二氧化硅和石灰石粉复掺。粉煤灰由于其火山灰效应、微骨料效应和形态效应，在水泥浆中具有许多优点。粉煤灰细，玻璃离子聚集度低，玻璃微珠多。光滑的球形颗粒在水泥浆体中起到润滑和滚动的作用。吸附在颗粒表面形成的双层结构改善了润滑度，改善了流动性和可加工性，提高了保水性和均匀性。硅灰具有很高的活性，其非常微小的颗粒性质能够在水泥浆中高度分散，填充水泥颗粒之间的空隙，使水泥浆更加致密，利用其火山灰效应和充填效果，提高水泥浆强度，使体系更加致密。石灰石粉的加入使得水泥基材料形成致密的充填结构和自黏细观堆积体系，从而有效提高了水泥基材料的综合性能，既提高了力学性能，又提高了水泥基材料的力学性能和耐久性。分散在水泥浆中的石灰石粉在水泥水化体系中起到成核作用，加速水化过程，提高水化产物的均一性，使水泥结构更加致密。在光滑和坚硬的球形颗粒之间的石灰石粉可以起到“珠”的作用，以增加水泥浆的迁移率。石灰石粉的密度低于水泥，更换搅拌机后，可以得到更多体积的胶凝材料浆料，从而提高混合料的流动性。

3 工程应用

将水灰比调节至0.40，并加入聚羧酸减水剂，使涂料的黏度达到350 MPa·s，最終制备的涂料可用于工程应用。

2021年4月，南京市某公路路基结构完成了验收。而在5月份，为了检验其抗压能力，在泵站环境最复杂的路基两侧进行了测试，其中一侧挡墙采用了C30级别的涂料，而另一侧则在相同位置进行了空白对比，最终完成了为期90 d的测试。经过评估，该文发现混凝土表面的裂纹、蜂窝麻面遮盖效果、回弹强度和碳化深度都达到了预期的标准。

图2展示了路基挡墙的原始状态。其中，（a）表面上出现了蜂窝状麻面和严重的裂缝，而（b）和（c）则依次是涂抹了3 d和90 d后的效果图。涂抹后，3 d涂料对水泥表层的遮瑕效应也已十分显著，而90 d涂料的遮瑕效应仍然十分突出，原来粗糙度不均且布满裂缝的水泥表层被涂料平整地遮盖，没有出现新的裂缝。经过测试，涂料厚薄超过1.20 mm，用料介于1.6～2.0 kg/m2，挡墙设计硬度为C30，喷涂90 d后，硬度改变与碳化状况如图3所示。实测回弹强度达到了42 MPa，比原来提高了23.5%，碳化深度为0，碳化程度也达到了1.22 mm。

扫描电镜观察7 d至28 d的混凝土胶砂水化反应显微形态如图4所示，发现大量的钙矾石的形成，这不仅有助于提高混凝土胶砂的强度，而且还会使其具有微扩张的特性，局部会有微小颗粒物充填及局部胶凝材料的形成，进一步提升了混凝土胶砂的强度。观察28 d混凝土胶砂水化反应的显微形态，显示水泥水化反应一般是由硅铝相物料与溶解度在液相中的钙离子之间发生综合化学反应，水泥细度越大，水化反应的速度也就越快，而且水化过程的多少和类型也会影响胶凝材料的活力，灰渣中包含大量的活性物质也提高了混凝土的力学性能。

4 结语

生态水泥基混凝土防腐增强涂料不仅可以有效地防止渗漏和遮盖瑕疵，还能够有效地提升混凝土结构的耐久性和强度，而且它的应用生产成本较低，拥有极高的经济效益和广阔的应用前景。

参考文献

[1]林通敏， 陈玲， 黄榜彪， 等. 对掺废弃烧结页岩砖粉末制备生态水泥的研究[J]. 四川建材， 2022（11）： 3-4+7.

[2]车红卫. 循环流化床灰渣制备道路缓凝专用生态水泥及其在道路基层上应用[J]. 山西交通科技， 2021（4）： 1-3.

[3]李田雨， 王伟， 李磊， 等. 生态水泥基混凝土防腐增强涂料的制备及应用[J]. 粉煤灰综合利用， 2018（6）： 44-51.

[4]佘晓燕， 林勇康， 吴小淦， 等. 煅烧煤矸石-页岩制备生态水泥的试验研究[J]. 新型建筑材料， 2014（1）： 46-49.

[5]段光斗. 矿渣废弃物制备生态水泥的研究进展[J]. 中国锰业， 2013（2）： 5-7.