新型水工混凝土表面防护涂层抗冻融性能研究.pdf

第 4 6卷 第 2 2期 2 0 1 5年 1 1月 人 民 长 江 Ya n g t z e Ri v e r Vo 1 46， No 2 2 No v ， 2 01 5 文 章 编 号 ： 1 0 0 14 1 7 9( 2 0 1 5) 2 20 0 7 9一O 4 新型水工混凝土表面防护涂层抗冻融性能研究 梁 慧 ， 汪 在 芹2 ， 李 珍2 ( 1 河海大学 水利 水电学院， 江苏 南京 2 0 1 1 9 8 ； 2 长江水利委员会 长江科学院 ， 湖北 武汉 4 3 0 0 1 0 ； 3 国家大坝安全工程技术研 究中心 ， 湖北 武汉 4 3 0 0 1 0 ； 4 三峡地 区地质 灾害与生态环 境湖北省协 同创新 中心 ， 湖北 宜 昌 4 4 3 0 0 0 ) 摘要 ： 西部高寒地 区地理位 置独特 ， 水文地质 气候条件 复杂 ， 自然环境 恶劣， 造成 该 区域 内水利工程混凝 土材 料 易发 生冻融劣化破坏 。对此 ， 选取课题 组 已研 发的 3种新型水工混凝 土表 面 防护 涂层材料 ( 耐候型 环氧涂 层 、 不饱 和聚酯树 脂和聚脲 涂层 体 系) ， 进行 室 内加速 冻融试 验。试验 结果表 明 ， 以环氧胶 泥为底漆 ， 聚脲 材 料 为面漆 的水 工混凝 土表 面防护涂层 的抗 冻性 能最优 。随后在 西藏地 区水利 水 电工程进 行 了现场 生产性试 验 ， 通过 观测发现 ， 新型聚脲材料起到 了很好 的抗 冻防护效果 。该材料 有望应 用于西部 高寒地 区水 工建筑物 的表 面防护 ， 提 高水利水电工程建筑物的耐久性。 关键词 ： 水工混凝土 ；冻融循环 ； 表 面防护涂层 ；西部 高寒地 区 中图法分类号 ： T V 4 3 1 文献标 志码 ： A D OI ： 1 0 1 6 2 3 2 j c n k i 1 0 0 1 4 1 7 9 2 0 1 5 2 2 0 1 8 l 研究背景 西 部高寒 地 区地理 位 置独特 ， 地质 气候 复杂 ， 自然 环境恶劣。与其他地 区相 比， 西部高寒地 区特别是西 藏地区的主要特点是严寒干燥、 日温差大、 深覆盖层冻 土 、 紫外线辐射强烈、 大风 日数频繁等 。该地区混 凝土材料的病害形式多种多样 ， 主要 的劣化形式为混 凝土的冻融破坏 ， 且冻融破坏会加速其他破坏因素的 作 用 ， 加快 劣化进 程 ， 如 冲刷 、 溶 蚀及碳 化 过程 。 水 工混 凝土 表面 防护是 近年 来兴 起 的提高 混凝 土 耐久性措施之一 ， 即通过在混凝土表面喷涂抗渗 、 耐腐 的涂料 ， 使 水工 混凝 土表 面形 成 一层 防水 不 透 气 的 保 护层 ， 隔离外部环境因子如空气 、 水和氯盐等对水工混 凝 土 的侵 害 ， 弥 补混凝 土 的多孔 缺 陷 ， 有效 阻止 结构 刚 度降低 、 承载力下降或开裂 ， 从而提高混凝土耐久性 ， 延 长水 利工 程使 用 寿命 。 本文选取课题组已研发的 3种新型水工混凝土表 面 防护涂 层材 料 ， 开展混 凝 土试件 室 内加速 冻融 试验 ， 对 比不 同防 护涂层 的抗 冻性 能 ， 并进 行 现 场 生 产 性试 验 ， 从而判断制备的涂层材料是否适用于西部高寒地 区水 利工 程 。 2 试验材料及方法 2 1 原材料及试样 制备 室 内加 速冻融 试 验 所 用混 凝 土 试 件 、 水 泥 砂 浆试 件的成型和养护均按照 S L 3 5 22 0 0 6 水工混凝土试 验规程 进行 。混凝土试件配合 比见表 1 ， 试件 尺寸为 1 0 0 m m 1 0 0 mm4 0 0 m m； 砂 浆 试 件 配 合 比见 表 2 ， 尺 寸为 4 0 m m 4 0 mm1 6 0 m m。 分别 选 择耐候 性 环氧涂 层 、 不饱 和 聚酯树脂 、 水 工 混凝土聚脲涂层体 系作为抗冻涂层 ， 其中水工混凝土 聚脲涂 层体 系采用 环 氧胶 泥作 为底漆 、自制 的脂肪 族 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 7 0 3 基金项 目： 水利部公益性行 业专项“ 西部高寒地 区水利工程劣化防护措施研 究” ( 2 0 1 3 0 1 0 2 3 ) ； 中央 高校基本科研业务 费专项 资金资助项 目“ 西部 高寒地 区聚脲 类水工混凝 土防护涂层 的劣化 及防护机 理” ( 2 0 1 4 B 3 7 3 1 4 ) ； 科技部 国际科技合作 计划专项“ 水工新 型防护涂层材料制备 与应 用的合 作研 究” ( 2 0 1 0 D F B 7 0 4 7 0 ) 作者简介 ： 梁 慧 ， 女 ， 博 士研 究生， 研究方向为新型水工建筑材料 。E ma i l ： a c h o i g 1 6 3 c o rn 通讯作者 ： 汪在 芹 ， 男， 教授级 高级 工程 师， 博士生导师 ， 研 究方向为水工建筑材 料。E m a i l ： w a n g z q m a i l c r s r i a n 8 0 人 民 长 江 表 1 中热水泥混凝土配合比 水灰 比 水 mL 中热水泥 g I S O标准砂 g 聚脲作为面漆。 为增加涂料与试件之间的粘合力， 在涂刷涂料之 前 ， 需用电动抛光打磨机打磨试件表面 ， 直至试件表面 无孔洞且平整 ， 并洗去污物。待试件干燥后 ， 混凝土试 件分 别 涂 刷 2 mm厚 的聚 脲涂 料 、 不 饱 和 聚 酯树 脂 涂 料 ； 水 泥砂浆试件分别涂刷 2 mm厚 的耐候性环氧涂 层 、 聚脲 防护 涂层 体 系 ( 1 m m环 氧胶 泥 底涂 、 1 mm 聚 脲 面 漆 ) ， 涂 刷 两 次 ， 且 两 次 涂 刷 之 间至 少 间 隔 8 h 。 上述 工作 完成 后 ， 按 照 G B T 1 6 7 7 7 2 0 0 8 ( 建筑 防 水涂 料试 验方 法， 在 室温 为 ( 2 3 2 ) 、 相 对湿 度 为 ( 5 0 5 ) 条件 下养 护 7 d备 用 。 2 2试验设备及方法 利用全 自动混凝 土冻融试验机 (日本 圆井公 司， Mr r一 6 8 3 0 6 3型) 按照 S L 3 5 2 2 0 0 6 ( 水工混凝土 试验规程 中的混凝 土抗冻性试验 、 水泥砂浆抗 冻性 试验方法进行冻融试验。此规范规定遇到下列情况之 一 即可停止试验： 已达到 3 0 0次冻融循环 ； 相对 动弹性模量下降到 6 0 以下 ； 质量损失率不小于 5 。利用 万能试 验机 (日本 岛津 公 司生 产 ，A G I C l O 0 k N型 ) 测试 材料 的抗 拉 、 抗 折 和抗压 性能 。 3 结果与讨论 根据 G B T 1 6 7 7 7 2 0 0 8 ( 建筑防水涂料试验方法 测试涂层材料的粘接强度和抗拉强度 ， 并选择粘接性 能 、 抗拉 性能较 好 的涂层 材 料 进 行冻 融 试 验 。再 依 照 S L 3 5 2 2 0 0 6 ( 水工混凝土试验规程 ， 利用质量损失 率和相对动弹性模量变化量来评判涂刷了表面防护涂 层材料的混凝土、 水泥砂浆试件的抗冻等级 ， 并测试试 件的抗折、 抗压强度 ， 评价涂层材料对水工混凝土的保 护效果 。 在大量 配合 比试 验 基础 上 ， 可 选 取 抗 拉性 能 较 好 的耐候性环氧涂层、 不饱和聚酯树脂和聚脲涂层材料 的配 比， 其抗拉强度分别为 2 3 0 1 ， 2 8 0 2 MP a和l 0 9 1 MP a。 再对 上述涂 层材 料 进 行 粘接 性 能 测试 ， 发 现耐 候 性环氧涂层粘接力大于 3 5 MP a ， 且破坏多发生在混 凝土基体上 ； 聚脲涂层材料与混凝土的粘接性能次之。 若 以环氧胶 泥为底涂 ， 可提高聚脲材料 的粘接性 能。 此外 ， 聚酯 与混凝 土粘接 性较 差 ， 破 坏位 置在 混凝 土与 涂层之 间 ， 粘 接力 小于 2 0 MP a 。 对耐候性环氧涂层材料在冻融破坏后的抗拉性能 测试可发现 ( 见图 1 ) ， 经 1 5 0次冻融循环后 ， 其抗拉性 能依然表现 良好 ； 但当冻融次数大于 2 0 0次后 ， 抗拉强 度开始明显下降。对于聚脲材料本身而言 ， 冻融破坏 对其 抗拉 性能影 响较 小 ， 经 过 3 0 0次冻 融循 环后 ， 其抗 拉强度仍为初始抗 拉强度的 8 8 8 9 。而且 ， 聚脲材 料在 3 0 0次冻融循环期 间， 材料表面未发生 明显收缩 变 形或裂 纹 现象 。 图 1 冻 融 破 坏 对 涂 层 材 料 抗 拉 性 能 的 影 响 3 1 质量损失率与相对动弹性模量 分别对未涂刷任何防护涂层及涂刷了耐候性环氧 涂层 、 聚脲类表面防护涂层体系 的水泥砂浆试件进行 室 内加速冻融实验。 结果 显示 ， 经历 1 0 0次冻 融循环 后 ， 未涂刷 任何 防 护涂层材料的水泥砂浆试件表面 已严重破坏 ； 试件质 量损失达 4 2 1 6 ， 相对动弹性模量降至 1 1 7 7 ， 抗 冻等级低于 F I O 0 ( 见表 3 ) 。 表 3未涂任何 防护材料 的水泥砂浆试件抗冻性能 对只涂刷耐候性环氧涂层的水泥砂浆试件进行室 内加速冻融实验， 发现试件从 2 0 0次冻融循环后开始 出现裂隙， 抗冻等级大于 F 1 5 0 ( 见表 4 ) 。 涂刷聚脲体系材料的水泥砂浆试件经 2 0 0次甚至 3 0 0次冻融循环后表面未发现裂缝或损伤 ， 可见聚脲 涂层明显改善了试件的抗冻性能。涂刷聚脲的试件抗 冻 等级 大于 F 2 5 0 ； 冻融后 质量 和相 对 动 弹性模 量 出现 第 2 2期 梁 慧 ， 等 ： 新型水工混凝土表面 防护涂层抗冻 融性能研 究 8 l 小 幅增加 ( 见 表 5 ) ， 可 能 是 由于 聚脲 材 料 表 面 吸 附 了 少量 水分 所致 。 表 4 涂刷环氧胶泥材料的水泥砂浆试件抗冻性能 表 5 涂刷聚脲材料 的水泥砂浆试件抗冻性能 3 2 力学性 能 分别将单一的耐候性环氧涂层和聚脲防护涂层体 系涂刷到砂浆试 件表面 ， 并开展三点 弯曲抗 折测试 。 结 果显 示 ， 两 种涂 层与 水泥 砂浆 之 间界 面粘 接均 较好 ， 未 出现 因冻 融作 用产 生 应 变 差异 而 出现 的 界 面破 坏 ， 表 明这 两种 涂层 材料 与水 泥砂浆 均具 有较 协 同的温 度 变 形率 。 图 2为 涂刷 耐候性 环氧 涂层 的水 泥砂浆 试件 经 历 不 同冻 融 循 环 次 数 后 的力 学 性 能 变 化 曲 线 。可 以 看 出， 此水泥砂浆试件经受 1 5 0次冻融循环期间， 其抗折 强度和抗压强度变化甚微。从 2 0 0次冻融循环后， 由 于环氧涂层出现裂隙， 试件 内部的水泥砂浆浸水 ， 使得 其冻融破坏加剧 ， 试件整体 的抗折和抗压性能降低 ， 该 图 2冻融破坏对涂刷耐候性环氯涂层材料的 水泥砂 浆试件力学性能影响 结果 与耐 候性 环氧 涂层材 料 经冻融 循环 破坏 后 的抗拉 效果 一致 。 图 3为涂刷聚脲防护涂层体系的水泥砂浆试件经 历不 同冻 融循 环次 数后 的力 学性 能变化 曲线 。随着冻 融次数的增加 ， 该水泥砂浆试件强度特性呈下 降趋势 ， 其中抗折强度下降幅度较大 ， 而抗压强度下降趋势略 缓。从冻融循环 1 0 0次的情况来看， 试件抗折强度剩 余 8 7 5 ， 抗压强度剩余 9 1 1 5 ； 2 0 0次循环后抗折 强度剩余 3 1 1 8 ， 抗 压强度剩余 7 4 6 3 ； 3 0 0次循 环后抗折强度剩余 1 7 ， 抗压强度剩余 7 4 4 3 。 图 3 冻 融 破 坏 对 涂 刷 聚 脲 防 护 涂 层 体 系 的 水 泥砂 浆试 件性 能影响 3 3现场 生产性试验 为验证新型聚脲涂层在水利水 电工程中实际应用 的抗冻融 防护效果 ， 2 0 1 4年陆续在藏木水 电站、 满拉 水库 、 丹江 口水 电站等水利水电工程进行现场生产性 试验 。经过观测发现 ， 新型聚脲防护涂层体系不仅可 以有效防止水工混凝土表面因冻融产生剥蚀和裂纹 ， 而且还能阻止渗漏和冲蚀 ， 进一步防止冻融破坏 。 4 结 语 针对西部地区的高寒特性 ， 本文选取课题组 已研 制的耐候性环氧涂层材料、 新型聚脲 防护体系涂层材 料和不饱和聚酯树脂材料 ， 通过室内加速冻融试验对 比发现 ， 以环 氧胶 泥为底 漆 、 聚脲 材料 为面 涂 的水工 混 凝土表面防护涂层 的抗冻性能最优。西藏藏木等水电 站 进行 的现 场生产 性 试 验 结果 表 明 ， 新 型聚 脲 材 料 初 步起到了抗冻效果。因此 ， 该材料有望应用于西部高 寒地区水工建筑物 的表面防护， 提高水利水 电工程建 筑 物 的耐久 性 。 参考 文献 ： 1 周世华， 汪在 芹， 李家正， 等 西藏地 区的 气候特 征及 对混凝土 的 影响 J 水力发 电， 2 0 1 2 ， 3 8 ( 6) ： 4 44 7 2 董瑞琨 ， 许 兆义， 杨成永 ， 等 青 藏高原 的冻融侵蚀 问题 J 人 民 长江 ， 2 0 0 0 ， 3 1 ( 9 ) ： 3 9 4 1 f 3 商怀帅 。 尹全贤 宋玉普 ， 等 冻 融循 环后普 通混凝 土变形特性 的 8 2 人 民 长 江 2 0 1 5生 4 5 6 7 试验研 究 J 人 民长江， 2 0 0 6 ， 3 7 ( 4 )： 5 86 1 韩炜， 杜科 ， 李珍 ， 等 大坝混凝 土裂缝修补材 料的制备研 究 J 人 民长江， 2 0 1 1 ， 4 2 ( 1 O ) ： 8 0 8 6 C h e n L， L i Z， Xi a o C J， e t a 1 S i z ec o n t r o l l e d s y n t h e s i s o f h i g h l y d i s - p e r s e d s i l v e r p a r t i c l e s J J o u rna l o f M a t e r i a l s S c i e n c e ： Ma t e r i a l s i n E l e c t r o n i c s ， 2 0 1 3 ， ( 2 4 ) ： 1 4 6 91 4 7 4 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 ， 2 0 1 1 ， 4 2 ( 3 )： 9 91 0 2 王卫英 。 于志鹏， 吕平 ， 等 钢筋混凝 土的腐蚀与 防护 J 海岸 工 程 ， 2 0 0 3， 2 2 ( 2) ： 1 0 41 0 8 8 冯菁， 韩炜， 李珍 ， 等 新型聚脲 混凝 土保 护材料 开发及 工程应 用 研究 J 长江科学院院报 ， 2 0 1 2， 2 9 ( 2 ) ： 6 46 7 9 刘磊 ， 陈亮 ， 汪在 芹， 等 水工金属结 构水性无机 富锌涂料研 究进 展 J 人 民长江， 2 0 1 3 ， 4 4 ( 2 0 ) ： 6 1 6 5 1 0 魏涛 ， 廖灵敏 ， 韩炜。 等 C W 系列混凝土表 面保 护修补材料研 究 与应用 J 长江科 学院院报， 2 0 1 1 ， 2 8 ( 1 0 ) ： 1 7 51 7 9 ( 编辑 ： 胡 旭 东 ) S t u dy o n f r e e z e t ha w r e s i s t a n c e pr o p e r t y o f n e w s u r f a c e pr o t e c t i v e c o a t i n g s o f h y dr a u l i c c o nc r e t e L I ANG Hu i ， ， - W ANG Za i q i n ， 。 L I Zh e n ， ， ( 1 C o l l e g e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d Hy d r o e l e c t r i c E n g i n e e r i n g， Ho h a i U n iv e r s i t y， Na n j i n g 2 1 0 0 9 8，C h i n a ；2 C h a n g j i a n g Ri v e r S c i e n t c R e s e a r c h I n s t i t u t e ， C h a n g j i a n g Wa t e r R e s o u r c e s C o m m i s s i o n ，W u h a n 4 3 0 0 1 0 ，C h i n a ； 3 N a t i o n a l D a m S a f e t y R e s e a r c h C e n t e r ，W u h a n 4 3 0 0 1 0 ， C h i n a ； 4 C o l l a b o r a t iv e I n n o v a t i o n C e n t e r f o r G e o h a z a r d s a n d E c o E n v i r o n m e n t i n T h r e e G o t - g e s A r e a， Hu b e i Pr o v i n c e ，Y i c h a n g 4 4 3 0 0 0，C h i n a ) Abs t r a c t：Th e g e o g r a p hi c p o s i t i o n o f a l p i nec o l d r e g i o n o f we s t Chi n a i s un i q u e，t h e h y d r o l o g i c a l c o nd i t i o n s a nd c l i ma t i c c o n d i t i o ns a r e c o mp l e x a n d t h e na t u r a l e nv i r o n me n t t h e r e i s ha r s h，t h e r e for e t h e f r e e z et ha w d a ma g e o f t h e c o nc r e t e ma t e r i a l s o c c ur s f r e q u e n t l y F r e e z et h a w r e s i s t a n c e p r o p e r t y t e s t s we r e c o n du c t e d f 0 r t h r e e n e wl yde v e l o p e d s ur f a c e pr o t e c t i v e c oa t i ng ma t e ria l s o f h y d r a u l i c c o n c r e t e，n a me l y t he we a t he rin g e p o x y c o a t i n g，u n s a t u r a t e d po l y e s t e r r e s i n a n d po l y u r e a c o a t i n g s y s t e m Th e f r e e z et ha w r e s i s t a n c e pr o pe r t y o f t h e po l y u r e a c o a t i n g s y s t e m ，u s i n g e po x y mo rta r a s p rime r ，p o l y u r e a ma t e r i a l a s p a i nt ， ha s t he be s t e f f e c t s un d e r i nd o o r a c c e l e r a t e d f r e e z et h a w t e s t s An d i t i s pr o v e d by t h e fie l d p r o d uc t i o n t e s t t h a t t h e ma t e r i a l c a n p r o t e c t t he h y d r a u l i c c o n c r e t e e f f e c t i v e l y i n Ti be t r e g i o n，wh i c h i s e x p e c t e d t o b e a pp l i e d t o t h e s ur f a e e pr o t e c t i o n o f hy dr a u l i c s t r u c t u r e s f o r i mp r o v i n g t h e d u r a b i l i t y o f wa t e r c o n s e r v a n c y a n d h y d r o p o we r p r o j e c t s i n a l p i n ec o l d r e g i o n s o f we s t C h i n a Ke y wo r ds：h y d r a u l i c c o n c r e t e；f r e e z et h a w c y c l e；s urfa c e p r o t e c t i v e c o a t i ng；we s t e r n a l p i nec o l d r e g i o n ( 上接第 7 8页) Ap pl i c a t i o n o f we a t he r i n g m o d e l i n pa r t i c l e b r e a k a g e s t u dy o f c o a r s e g r a nu l a r s o i l J I A Yu f e n g W ANG Bi n g s he n CHI S h i c hu n ( I n s t i t u t e o f H y d r a u l i c E n g i n e e r i n g ， D a l i a n U n i v e r s i t y of T e c h n o l o g y ， D a l i a n 1 1 6 0 2 4 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：The p a r t i c l e b r e a k a g e t e s t s we r e c a r rie d o u t t o t h e b a s a l t c o a r s e g r a n ul a r s o i l o f Gus h ui c o n c r e t e f a ee r o c k fil l d a m The r e l a t i o n s hi p b e t we e n t he pa r a me t e r s o f we a t he ring mo de l a nd pa r t i c l e b r e a ka g e wa s s t ud i e d a c c o r d i ng t o t he g r a d i n g c urve s o f t he s o i l b e f o r e a n d a f t e r t he t e s t s The s t u dy s h o ws t ha t t he we a t h e rin g mo d e l c a n we l l s i mu l a t e t h e g r a d i ng c u r v e s o f t h e s o i l b e f o r e a n d a f t e r t h e t e s t s ， e s p e c i a l l y fo r t h e p a rt i c l e w i t h l a r g e d i a m e t e r( 1 a r g e r t h a n 5 m m) ，t h e s i mu l a t i o n e f f e c t o f w e a t h e r i n g mo d e l i s b e t t e r t ha n t ha t o f t h e f r ac t a l mo de 1 Th e we a t h e r i n g mo de l p a r a me t e r r e fle c t s t he s i z e a nd d i s t ribu t i o n o f t h e a r e a e n c l o s e d b y t h e g r a di n g C u r v e a nd t he l a r g e s t p a rti c l e s i z e c ur v e The r e l a t i v e b r e a k a g e pa r a me t e r o f Br ，a f u nc t i o n o f t h e p a r a me t e r o f t h e we a t h e ring mo d e l ，c a n be d i r e c t l y c a l c ul a t e d by us i n g t h e we a t he rin g mo d e l pa r a me t e r s o f t he g r a d i n g c ur v e s o f t he s o i l be for e a n d a f t e rt h e t e s t s Ke y wo r ds ： c o a r s e g r a n ul a r s o i l ；p a rti c l e b r e a k a g e；we a t h e ring mo d e l ；r e l a t i v e b r e a k a g e p a r a me t e r