聚氨酯和聚脲涂层对混凝土氯离子渗透性的影响.pdf

2 0 1 1年 第 6期 (总 第 2 6 0 期 ) N u mb e r 6 i n 2 0 1 1 ( T o t a l No 2 6 0) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AL AND ADM I NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 6 0 2 9 聚氨酯和聚脲涂层对混凝土氯离子渗透性的影响 黄微波，马红亮，李志高 ( 青岛理工大学 功能材料研究所 ，山东 青 岛 2 6 6 0 3 3 ) 摘要 ： 采用干湿循环法和 自然浸泡扩散法 ， 研究了聚氨酯 ( P U) 涂层 、 聚脲( s P u A) 涂层对混凝土氯离子渗透性的影响 以及氯离子扩散 规律。研究结果表明： 干湿循环 1 2 0 次， 与空白混凝土相比， P U涂层混凝土 D 降低了 7 6 6 ， S P U A混凝士 D a 降低了7 6 7 ； 自 然浸泡 1 2 0 d ， 与空白 昆 凝土相比， P U涂层混凝土 降低了6 7 8 ， S P U A涂层混凝土 D a 降低了 6 7 9 ； 研究结果证实： P U涂层和 S P U A涂层都 可以有效地降低混凝土的氯离子渗透性和扩散系数， 从而显著提高混凝土的耐久性 ； 混凝土和涂层混凝土的氯离子扩散规律服从“ 一阶线 性衰减函数” ， 相关系数在 0 9 8以上 。 关键词： 聚氨酯；聚脲；氯离子渗透性；扩散系数 ；干 湿循环法；自然浸泡 中图分类号 ： T U5 2 8 0 4 2 文献标志码： A 文章编 号： 1 0 0 2 3 5 5 O ( 2 0 1 1 ) 0 6 0 0 9 4 0 3 St u dy o n c hl or i d e pe ne t r a t i on o f di ffer e nt c oa t e d c on c r et e H U nG W e i b o， M A Ho n g - l i a n g， LI Z hi - g a o ( R e s e a r c hI n s t i tu t e o f F u n c t i o n a l Ma t e ri a l s ， Q i n g d a oT e c h n o lo g i c a l U n i v e r s it y， Q i n g d a o 2 6 6 0 3 3 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e c h l o ri d e p e r me a b i l i ty a n d d i f f u s i o n o f c o n c r e t e c o a t e d p o l y u r e a( S P U A) a n d p o l y u r e t h a n e( P U) w a s s t u d i e d i n t h i s p a p e r u s i n g d r y we t c i r c l e a n d n a t u r a l i mme r s e me t h o d s I t s h o ws t h a t t he c o n c r e t e c h l o rid e p e r me a b i l i ty wa s l o we d b y c o a t i n gAf t e r 1 2 0 d r y we t c ir c l e s ， t h e c h l o rid e d i ffu s i o n c oe ffic i e n t o fS P UA c o a t e d c o n c r e t e d e c r e a s e d b y 7 6 7 a n d t h e c h l o rid e d i ffu s i o n c o e ffic i e n t o fP U c o a t e d c o n c r e t e d e c r e a s e d b y 7 6 6 c o mp a ri n g t o u n c o a t e d c o n c r e t e T h e PU c o a t e d c o n c r e t e d e c r e a s e d by 6 7 8 a n d t h e S P UA c oa t e d c o n c r e t e d e c r e a s e d b y 6 7 9 c o m p a ri ng t O u n c o a t e d c o n c r e t e wh e n c o n c r e t e we r e s oa k e d 1 2 0 d a y s t h e c h l o rid e d i f fus i o n o f c o n c r e t e a n d c o a t e d c on c r e t e o b e i e s t h e r ul e o f fir s t o r d e r l i n e a r a t t e n u a t i o n f u n c t i o n Th e p o l y u r e c o a t i n g h a v e g o o d p e r s o n a l i ty t o r e s i s t c h l o rid e p e ne t r a t i o n Ke y wor ds ： p o l y u r e a ； p o l y u r e t h a ne ； c h l o rid e p e r me a bi l i t y； d i ffu s i o n c o e ffic i e n t ； d r y we t c i r c l e ； n a t u r a l i mme r s e 0 引言 氯离子是影响海工混凝土结构耐久性的主要原因之一 1 】。 有机涂层能够有效 阻隔氯离子渗人混凝土 ， 延缓钢筋周 围的氯 离子浓度达到其临界状态 ， 还可明显地减少氧气、 水分 、 二氧化 碳等有 害介 质渗入混凝土 中 ， 从而降低 钢筋的腐蚀速度 ， 同时 有机涂层还 可防止混凝土碳化2 1 。 近年来 ， 对混凝土表面处 理剂 抗氯离子渗透性能的研究较多， 但其中很少涉及到有机高分子 涂层对混凝 土抵抗氯离子渗透能力的影响 ， 特别是对 目前 新型 的聚脲( S P UA) 防护涂层的研究， 更是鲜有报道。 本研究采用传统的氯离子渗透性研究方法， 即自然浸泡和 干湿循环法 ， 对聚氨酯( P U) 涂层和聚脲 ( S P U A) 涂层进行 了氯 离子渗透性研究。 1 试 验 方 法 本研究采用干湿循环法和自然浸泡扩散法研究 P U和 S P U A 涂层， 对混凝土的氯离子渗透性的影响 ， 并与未涂覆涂层的混凝土 试件( 空白试件 ) 进行对比， 从而评价 P U和 S P U A涂层对混凝土 氯离子渗透性的影响， 以及两种方法对混凝土的腐蚀程度的大小。 1 1 试 件制备 采用干 湿循环法和 自然扩散法进行 试验 ， 试验所采用的混 收稿 日期 ：2 0 1 0 1 2 - 2 2 9 4 凝土试件是 1 0 0 m mx l 0 0 mmx l 0 0 I I I iT I 的试块 ， 试块制作水泥采 用 P I I 5 2 5 级水 泥； 石子采用最 大粒 径为 2 5 l n n l 的碎石 ； 砂采 用河砂， 细度模数为 2 8的中砂， 并添加 C W 型外加剂， 混凝土 配合比为水泥： 细骨料 ：粗骨料： 水： 粉煤灰 ： 矿粉： 外加剂 = 1 9 8 ： 6 9 0 ： 9 9 5 ： 1 7 5 ： 2 2 2 ： 7 4 ： 1 9 7 6 。 在试样制备过程 中， 对 于混凝土表面覆盖 涂层 的试件 ， 为了确保涂料 与试样之 问的黏合力 ， 用纱布蘸丙 酮对样品待处理面进行清洗， 洗去油渍和脏物， 干燥 ； 然后将试 件的9 0 。 直角打磨成为 4 5 。 斜面。 首先， 采用“ Q T E C H 一 1 1 2全天候基材处理系统” 修复试块 表面 的， 将试块 的孔 洞及 缺陷找平 ， 封闭试件表面的微小针孔 ， 均匀刷涂底漆 ， 增加附着力 ， 自然晾干备用 。 P U涂层系 由三道环 氧 中间层和两道聚氨酯面漆组成 ， 漆膜总厚度控制在 4 0 0 Ix m； S P U A涂层喷涂厚度控 制在 ( 1 5 0 2 ) mm。 自然条件下养护 7 d 后进行试验。 1 2渗透性 试验 干 湿循环法试验方案6 1 ： 设计空 白试件 、 P U涂层试件和 S P U A涂层试件， 三组共同进行干 湿循环试验6 1 ， 试件在 3 5 的 盐水中浸泡 1 6 h ， 然后常温晾干 1 h ， 接着放进 5 0。 C的烘箱中烘 干 6 h ， 然后冷却 1 、 2 4h 为一个循环， 分别在 3 0 、 6 0 、 9 0 、 1 2 0个循 环结束时每 2 mn l 取粉， 然后进行 c 1 稍i 定。 自然浸泡扩散法采用实验 室浸 泡的方法口 1 ， 溶 液选用 3 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 的 N a C ! 溶液 ， 浸泡空白试件 、 P U涂层试件和 S P U A涂层试件 ， 所 有试件只有一个表面暴露于氯化钠溶液中， 其他表面都用石蜡密 封 ， 浸泡 1 、 2 、 3 、 4个月后， 每 2 mm进行取粉， 然后进行 C 1 谪 定。 1 3 氯 离子含量测定及氯离子扩散 系数 通过规定龄期的干 湿循环试验和自然浸泡试验后， 将不同 龄期( 3 0 、 6 O 、 9 0 、 1 2 0 d ) 的试件去除表面涂层后进行钻粉取样 ， 然后进行氯离子滴定 ， 测得氯离子含量随扩散深度的变化情况， 试验分别钻取 0 2 ton i 、 2 ,- -4 mm、 4 - 6 r n n l 、 6 8 mm 和 8 - 1 0 mm 深度的混凝土粉 ， 进行氯离子含量研究 。 氯离子扩散系数是表征氯离子侵入混凝土内部速率的重 要参数， 本研究采用数据处理软件 Ma t l a b中的“ 自定义非线性 拟合函数” 功能， 按照F i c k第二定律的解析解 ， 用最小二乘法对 试验数据进行非线性回归5 1 ， 计算出氯离子表观扩散系数 D 。 2结果 及 讨论 表 l 是经过 自然浸 泡试验后测得 的无涂层 对 比试 样 、 P U 涂层混凝土和聚脲涂层混凝土不同深度 的氯离子含量 ， 从 表中 可以看出， 无涂层对 比试件氯离子的含量随着浸泡时间的延长 ， 不断增大 ， 不同浸泡时间内在 0 - 2 m l T l 深度范围内的氯离子含量 分别为0 1 7 7 3 、 0 1 8 6 1 、 0 2 1 2 7 和 0 2 4 8 2 ， 而涂层混凝 土试样在 0 - 2 mm深度范围内的氯离子含量 在 O 0 3 0 2 以下 ； 表 2是经过干湿循环试验后测得 的无 涂层对 比试样 、 P U涂层 混凝土和聚脲涂层混凝土不同深度的氯离子含量 。 从表中可以 看出 ， 无涂层 对比试 件氯离子的含量随循环 次数 的增 加 ， 不断 增大， 不同浸泡时间内在 0 2 IT l m深度范围内的氯离子含量分别 表 1 自然浸泡法混凝土不同深度的可溶性氯离子含量 浸泡龄期 d O 2mm 2 4mm 4 6mm 6 - 8mm 8 - 1 0mm 注 ： 4 - 6 mm深度数据为试验结果分析比较 中采用的数据 ， 下同。 表 2 干湿循环法混凝土不同深度的可溶性氯离子含量 浸泡龄期 ， d 0 - 2mm 2 4mm 4 - 6mm 6 - 8 IT IF fl 8 -1 0mm 为 O 3 0 1 3 、 O 3 3 6 8 、 0 3 9 4 7 0 o 和 0 4 4 2 2 ， 而涂层混凝土试样 在 O 2 mm深度范围内的氯离子含量在 0 0 2 6 9 以下。 2 1 不同浸泡龄期对氯 离子渗透性的影响 图 1 是经过 自然浸泡 于湿循环试验后测得的无涂层对 比 试 件、 P U涂层试件和 S P UA涂层试件混凝土 内部 4 - 6 mm处的 氯离子含量随浸泡龄期的变化规律。 由图可以看出， 随着浸泡龄 期和干湿循环次数的增加 ， 氯离子含量随之不断增大， 无涂层 空白试样经 自然浸泡的氯离 子含量分别为 0 0 7 3 6 、 O 0 9 3 3 、 0 1 0 2 2 和 0 1 2 1 1 ， 涂层混凝土试样 的氯离子含量 随浸泡时 间延长变化不大 ， 在 O 0 0 6 4 0 0 1 2 2 范围波动 ， 氯离子含量 由于保护涂层的存在明显减少， 说明混凝土保护涂层对氯离子渗 透性有良好的阻碍作用； 干湿循环的氯离子含量分别为0 1 7 3 4 、 0 1 9 8 1 、 0 2 0 1 2 和 0 2 3 5 5 ， 而涂层混凝土试 样的氯离子含 量随着浸泡时间延长变化不大 ， 在 0 0 0 6 5 一 0 0 1 3 3 范围波动 ， 氯离子含量 由于保护涂层的存在 明显减少 ， 说 明混凝土保护涂 层具有 良好耐干湿循环能力。 芝 托 褪 掣 链 O 1 2 l O 0 8 06 04 02 芝 避 缸 镀 逛 2 4 20 16 l2 08 04 0 3 0 6 0 9 0 l 2 0 0 3 0 6 0 9 0 l 2 O 浸泡 时间 d 浸 泡时 间 d ( a ) 自然浸泡 ( b ) 十湿循 环法 图 1 混凝土 内部 4 6 mm处的氯离子含量的变化规律 上述试验结果表明： P U涂层和 S P U A涂层可以阻挡氯离 子进入混凝土内部， 能够有效地降低氯离子对混凝土的渗透性， 从而提高海工混凝土抵抗钢筋锈蚀的能力， 从而提高海工混凝 土的防腐蚀寿命。 原因是有机高分子涂层能在混凝土表面形成 弹性， 致密 、 连续 、 无接缝的覆盖层 ， 因此就会大大减少海水中 氯离子对混凝土的渗透和腐蚀作用 。 2 2 涂层混凝土不同深度的氯离子含量分布规律 通过表 1和表 2可以看出， 与对比试样相比， 涂层混凝土 试样各层的氯离子 含量明显降低 ， 这说明涂层的存在 对氯离子 渗透性有明显的阻碍作用。 以 自然浸泡试验为例分析 ， 采用 Ma t l a b对上述表 中对 比试 样 和聚脲涂层在不 同深度 上可溶性 氯离子含量试验数据进 行 拟合 。 图 2和表 3为对 比试样在不 同龄期的氯离子扩散规 律和 拟合结果 ， 图 3和表 4为聚脲 涂层混凝土不同龄期的氯离子扩 散规律和拟合参数。 A f 一 c 1 ) _ = = = = 【 r J j ( 1 x P 2 L 、 J l 通过图 2和表 3 可 以看 出， 对 比试样不同深度的氯离子含 量在不 同的浸泡龄期 内均服从 “ 一 阶指数衰减函数” ， 并具有很 好的相关性 ， 相关参数 R z 均在 0 9 7 3以上。 通过图 2和表 3 可 以看出 ， 聚脲涂层混凝土不同龄期 在不 同深度的氯离子含量均服从“ 一阶指数衰减函数” ， 并具有很好 的相关性， 相关参数 均在 O 9 7 6以上。 由图 3可知 ， 在 同一深度 上( 4 6 l l l i n ) ， 浸泡 3 0 d时的氯离 子含量 0 0 0 6 4 ， 浸泡 6 O d时氯离子含量增加到 O 0 0 9 8 ， 浸 泡 9 0 d 时氯离子含量增加 到 0 0 1 0 9 ， 浸泡 1 2 0 d时氯离子含 95 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m