水工混凝土涂聚氨酯涂层的抗冻性能研究_孟庆宇.pdf

5 2022 年 第 12 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.12.2022 （第 50 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.50）水工混凝土涂聚氨酯涂层的抗冻性能研究孟庆宇（凌海市水利事务服务中心，辽宁 凌海 121200）摘 要：文章利用冻融循环试验、涂层耐低温性能试验和水汽渗透性试验，探讨了水工混凝土涂沥青改性聚氨酯涂层、聚氨酯涂层的抗冻性能。结果表明：聚氨酯涂层的防水性优于沥青改性聚氨酯涂层，其低温柔韧性也更好，对混凝土抗冻性和长效性改善效果更好；冻融循环达到 1000 次后混凝土相对动弹模量均 98%，但沥青改性聚氨酯涂层已失去防护作用发生冻融破坏，而聚氨酯涂层仍然完好未产生冻融破坏；单一的利用动弹模量很难反映涂层改善混凝土抗冻性的效果，应结合受冻融循环作用后涂层下表面是否剥落或粉化、混凝土与涂层间的黏结情况以及涂层自身状态等综合评定。关键词：聚氨酯涂层；冻融循环；水工混凝土；抗冻性能 中图分类号：TV431 文献标识码：B文章编号:1007-7596（2022）12-0005-03 收稿日期 2022-11-21作者简介 孟庆宇（1 9 7 2.1 2），男，辽宁凌海人，高级工程师，研究方向为水土保持、移民、监理等。寒区水工混凝土耐久性在很大程度上取决于其抗冻性能，中国东北部地区太阳辐射强、严寒干燥、昼夜温差大且有深覆盖层冻土，极端的气候条件使得水工构筑物普遍面临着冻融破坏问题，大大减弱了水工混凝土耐久性1-4。辽东山地丘陵水工混凝土使用 510a 后大多存在轻敲即碎、骨料外露、表面粉化等问题，大大降低了水工结构服役年限，给工程的长效运行埋下安全隐患。所以，有效增强混凝土抗冻性能，对于保证北方寒区水利工程服役年限极其重要5。Study on Frost Resistance of Hydraulic Concrete Coated with PolyurethaneStudy on Frost Resistance of Hydraulic Concrete Coated with PolyurethaneMENG Qing-yu(Linghai Urban Water Conservancy Affairs Service Center,Linghai 121200,China)Abstract:In this paper,the freeze-thaw cycle test,low temperature resistance test and water vapor permeability test were used to study the antifreezing performance of polyurethane coating modified by asphalt on hydraulic concrete.The results show that polyurethane coating has better water resistance than asphalt modified polyurethane coating,and its low temperature flexibility is also better,and the improvement effect on frost resistance and long-term performance of concrete is better.The relative dynamic modulus of concrete is not less than 98%after 1000 freeze-thaw cycles,but the asphalt modified polyurethane coating has lost its protective effect and freeze-thaw damage occurs,while the polyurethane coating is still intact and does not produce freeze-thaw damage.The single use of dynamic modulus can hardly reflect the effect of coating on improving the frost resistance of concrete.It should be comprehensively evaluated by considering whether the lower surface of the coating is peeled or chalky after the freeze-thaw cycle,the bond between the concrete and the coating,and the state of the coating itself.Key words:Polyurethane coating;cycle of freezing and thawing;hydraulic concrete;anti-frost property DOI:10.14122/ki.hskj.2022.12.004 6 2022 年 第 12 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.12.2022 （第 50 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.50）将硅粉、粉煤灰、钢纤维等活性矿物质或适量气泡引入水工混凝土中能改善抗冻性能，然而这些方法主要适用于新拌混凝土，对于既有构筑物一般选用涂刷涂料的方式，通过形成致密的薄膜阻止水分入渗来提升构筑物的抗冻耐久性6-9。研究表明：在混凝土表面涂刷硅烷、丙烯酸树脂、水性环氧树脂等涂层能够提升其抗冻等级至 F400 以上，涂刷聚氨酯、聚脲、环氧砂浆等涂层能够从 F150 提升至 F300 等级，砂浆表面涂刷聚脲材料能够保证抗冻等级达到 F250。鉴于此，文章利用室内试验探讨了沥青改性聚氨酯涂层和聚氨酯涂层的耐低温性能、水汽透过性及其改善混凝土抗冻性的效果，并进一步探讨了涂层长效防护水工构筑物的技术措施10-12。1 试验方法1.1 原材料性能试验选用沥青改性聚氨酯和聚氨酯两种涂层材料，涂层材料性能，见表 1。表 1 涂层材料性能涂层聚氨酯沥青改性聚氨酯拉伸强度/MPa10.06.5断裂伸长率/%161448黏结强度/MPa2.61.2抗冲击性能120cm 无裂纹120cm 无裂纹抗弯性能2mm 无裂纹2mm 无裂纹耐酸腐蚀性能无剥离、粉化、开裂和气泡无剥离、粉化、开裂和气泡耐碱腐蚀性能无剥离、粉化、开裂和气泡无剥离、粉化、开裂和气泡1.2 试验内容1）耐低温性能试验。两种涂层材料的玻璃化温度（Tg）可利用差示扫描量热法（DSC）进行测试，Tg 能够准确反映低温下涂层材料的柔韧性。一般地，玻璃化温度越低则材料的耐低温性能和柔韧性越好，其发生开裂的难度越大。试验仪器选用同步热分析仪，控制温升速率 2/min，温升范围-80100，选用氮气为惰性气体，样品质量510mg。2）水汽透过性试验。控制试验容器内的湿度95%、温度 25，涂层厚度(0.20.01)mm，将适量饱和 NH4H2PO4 溶液注入容器内，然后用涂层封闭容器上端，对容器每隔 24h 称一次质量，最后透过涂层的水汽量就是每次称量值与初始质量之差。3）冻融循环试验。设定水胶比 0.4，控制含气量 2.5%，坍落度 180mm，试验配合比设计，见表 2，试验配制长 100mm 宽 100mm 高 400mm 的 C30水工混凝土试样。表2 试验配合比设计 kg/m3原材料减水剂水水泥矿渣粉粉煤灰砂子碎石150275505075011403.5在标准养护 56d 后取出，混凝土表面用无水乙醇清洗用以终止水化，室温静置 24h 后，涂覆用量相同的两种涂料，涂覆过程中使用毛刷涂刷 2 遍，控制涂层厚度(0.20.01)mm。完成涂覆后，将各组试样放入相对湿度(505)%、温度(222)的环境中养护 7d，使涂层充分硬化并干燥，以备后续使用。待混凝土表面涂覆涂料 7d 后放入水中浸泡 4d，然后依据水工混凝土试验规程、水工混凝土耐久性技术规范中的要求测试 1000 次冻融循环时混凝土的质量损失率和相对动弹模量。2 结果与分析2.1 涂层耐低温性能涂层水汽透过量变化曲线，见图 1。结果表明沥青改性聚氨酯涂层和聚氨酯涂层的玻璃化温度依次为-61.2、-65.0，因此玻璃化温度较高的是沥青改性聚氨酯涂层。究其原因是沥青改性聚氨酯涂层中含有的沥青分子链段柔韧性较差，在玻璃化温度较低的聚氨酯中加入沥青改性会提高其原有玻璃化温度，所以低温时沥青改性聚氨酯涂层更脆、更易开裂破坏，外界环境水更易透过涂层裂隙渗入内部，使得涂层防护混凝土的效应下降。图 1 涂层水汽透过量变化曲线2.2 涂层水汽透过性 7 2022 年 第 12 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.12.2022 （第 50 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.50）随着时间的推移沥青改性聚氨酯涂层和聚氨酯，涂层的水汽透过量变化曲线，见图 2。结果显示两种涂层水汽透过量在初始的 8h 内基本相同，但沥青改性聚氨酯涂层的水汽透过速率随着时间的推移呈加快趋势，两种涂层的水汽透过量明显增加。试验 216h 时，沥青改性聚氨酯涂层和聚氨酯涂层的水汽透过量依次为 0.78g、0.55g，即后者的防水性优于前者。究其原因，水汽分子与沥青改性聚氨酯中的OH、COO等极性基团更易形成氢键，对涂层的穿透溶解能力更强，使得水汽透过量相对较高。聚氨酯涂层的防水性更好，能够大大降低水分的渗透作用，有效抑制混凝土内部水与外界环境水的交换，减少内部可冻结水量及其对混凝土微结构的损伤作用。图 2 涂层水汽透过量变化曲线2.3 混凝土抗冻性能水工混凝土表面未涂、涂覆沥青改性聚氨酯和聚氨酯涂层的相对动弹模量和质量损失率试验结果，水工混凝土抗冻性能试验，见图 3。图 3 水工混凝土抗冻性能试验结果表明：1）冻融循环达到 450 次时，未涂覆涂层的水工混凝土相对动弹模量减小到 40.5%，质量损失率达到 0.18%，由此表明混凝土内部已出现冻融破坏。2）冻融循环达到 1000 次时，涂覆沥青改性聚氨酯涂层的水工混凝土质量损失率为-0.51%，相对动弹模量整体在 98%以上，经 1000 次冻融循环后涂沥青改性聚氨酯涂层的试件质量范围增加0.51%。深入分析可知，冻融循环达到 450 次时涂层就出现起鼓、开裂、剥落现象，外界水从破损处渗入致使混凝土表面涂层内出现粉化，所以试件质量有所增大，这也说明沥青改性聚氨酯涂层在冻融循环达到 450 次就基本丧失了防护功能。3）冻融循环达到 1000 次时，涂覆聚氨酯涂层的水工混凝土总质量基本保持稳定，相对动弹模量整体在 98%以上，混凝土与涂层间黏结牢固，表面无起鼓或开裂，涂层揭开后未出现剥落、粉化现象，说明聚氨酯涂层的防护效果较好。4）冻融循环达到 1000 次时，涂覆涂层的混凝土相对动弹模量均 90%，但不同涂层的防护效果存在明显差异13-16。因此，对于受冻融循环作用的水工混凝土抗冻性能，单一的利用相对动弹模量很难准确反映涂层的改善效果，应结合混凝土表面涂层下是否出现剥落、粉化现象以及混凝土与涂层间的黏结情况、涂层自身状态等综合判定。3 结 论1）聚氨酯涂层相比于沥青改性聚氨酯涂层，其玻璃化温度更低，防水汽透过性也更优。聚氨酯涂层既能有效抑制水分的渗透，降低冻融破坏程度，还具有优异的耐低温性，特别是在低温下的柔韧性更好，经多次冻融作用依然不会开裂，并且聚氨酯涂层与混凝土的黏结性良好，其改善混凝土抗冻性能更优。（下转第 92 页）92 2022 年 第 12 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.12.2022 （第 50 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.50）由前面的分析可知，在设计水平年P=80%时，东片可旱涝保收农田 687.07hm2，南片可旱涝保收农田 0.1834 万 hm2，西片可旱涝保收农田 0.117 万hm2，合计可旱涝保收农田 0.369 万 hm2。由表可知，银湾桥水库可以满足全灌区水量平衡要求。6 结 语银湾桥灌区现状渠系水利用系数 0.40，渠系设施完善后，渠系水利用系数可达 0.65，灌溉保证率80%。通过对灌区水量供需水平衡详细分析计算，在设计水平年 P=80%情况下，灌区上游来水量大于需水量，可以满足灌区设计灌溉面积 0.369 万hm2农田用水需求。参考文献：1 杜晓丽.龙潭中型灌区灌溉水量平衡分析 J.地下 水.2021,43(03):105-107.2 李战国.南疆地区沙雅县渭干河灌区供需水平衡分析 J.陕西水利.2022(02):68-69,74.3 盛国利.天镇县兰玉堡灌区续建配套水量供需平衡分析 J.山西水利.2022,(01):32-34,46.4 王振军,刘涛.雷惠渠灌区节水改造水资源供需平衡分析 J.陕西水利.2020,(09):90-92.5 韩雪.和平灌区水量供需平衡分析 J.黑龙江水利科 技.2017,45(07):60-62.2）冻融循环达到 450 次时，未涂覆涂层的水工混凝土相对动弹模量减小到 40.5%，质量损失率达到 0.18%，混凝土内部已出现冻融破坏；冻融循环达到 1000 次时，涂覆沥青改性聚氨酯涂层的水工混凝土质量反而增加 0.51%，相对动弹模量整体在 98%以上，这是由于涂层出现起鼓、开裂、剥落现象，外界水渗入使得涂层失去防护功能；冻融循环达到 1000 次时，水工混凝土与聚氨酯涂层间黏结牢固，表面无起鼓或开裂，涂层揭开后未出现剥落、粉化现象，聚氨酯涂层的防护效果较好，对改善混凝土抗冻性和长效性效果良好。3）对于受冻融循环作用的水工混凝土抗冻性能，单一的利用相对动弹模量很难准确反映涂层的改善效果，应结合混凝土表面涂层下是否出现剥落、粉化现象以及混凝土与涂层间的黏结情况、涂层自身状态等综合判定。参考文献：1宋立元 两款混凝土表面防护涂料性能对比试验及应用J 水利技术监督，2018(05):23-25，2242 张铖，李维红，吴长龙，等防护涂层对东北沿海 地区混凝土结构抗冻性能的影响 J建筑技术，2019，50(1):106-1093 张爱勤，贾坚，刘芝敏，等环氧树脂对混凝土抗盐冻 能力的影响研究 J硅酸盐通报，2019，38(4):1278-12834 靳昊，潘龙江，易忠来，等 严寒地区无砟轨道底座板 混凝土粉化整治技术 J铁道建筑，2020，60(2)：116-1195 王世闰，杨泽宇，王梓淳，等 聚合物水泥防水涂料 对混凝土耐久性能的影响 J 武汉轻工大学学报，2020，39(1)：97-100，1106 高超，宋冰泉，王毓晋，等 不同表面涂层对管桩混凝 土耐久性的提升研究 J 建材世界，2021，42(1)：38-417 梁慧，汪在芹，李珍新型水工混凝土表面防护涂层抗 冻融性能研究 J人民长江，2015，46(22)：79-828 孙红尧，张兴铎，李森林，等防护涂料在钢筋混凝土 结构表面的国内应用现状 J涂料工业，2019，49(05):79-879 谢宇晨，翁兴中，刘鹏程，等 表层强化混凝土抗冻耐 久性研究 J铁道科学与工程学报，2017，14(9)：1878-188510 张军硅烷浸渍技术在先张法预应力混凝土空心板梁梁 端防腐中的应用 J铁道建筑，2016，56(08)：57-5911 廖波，袁江，董建军，等 高耐候性抗碳化氟碳涂层 材料的研制 J 人民长江，2011，42(03):99-102 12 刘军，邢锋，董必钦，等混凝土的微观孔结构及对渗 透性能的影响 J混凝土，2009(2):32-3413 姜东岩.水利工程规划设计生态指标体系研究 J.水土 保持应用技术，2019(02)：15-17.14 金庆日.塔里木河上游典型河岸稳定性分析 J.水土保 持应用技术，2019(06)：24-26.15 马立平.水利施工中混凝土裂缝的主要原因及防治技术 J.黑龙江水利科技,2018,46(06):175-177.16 康存锁.水利施工中混凝土裂缝的防治技术 J.黑龙江 水利科技,2017,45(02):183-185.（上接第 7 页）