渗透成膜型防护涂料对混凝土耐久性的影响.pdf

中国科技核心期刊 杆 建巍 滢蘑成膜型防护涂料对混凝土 喇久性B ,"J | ] lll 刘东 ， 陈雷 ， 陈星 ， 余剑英 ( 1 ． 唐山曹妃 甸发展投资集 团有限公司， 河北 唐山0 5 0 0 5 1 ； 2 ． 武汉理工大学 硅酸盐建筑材料 国家重点实验室 ， 湖北 武汉4 3 0 0 7 0 ) 摘要： 采用环氧树脂与低分子质量聚硅氧烷制备的渗透成膜型防护涂料对混凝土进行表面处理， 通过渗透深度、 氯离子扩散、 冻融和碳化试验 ， 研究 了渗透成膜型防护涂料对混凝 土耐久性 的影 响。结果表明， 渗透成膜 型防护涂料 能够显著提高混凝土的抗氯 离子渗透性 能， 增 强其抗冻融破坏能力 ， 明显降低其碳化速度和碳化深度 ， 有效改善混凝土的耐久性。 关键 词： 混凝土： 渗透成膜型防护涂料； 聚硅氧烷： 耐久性 中图分类号： T U 5 6 1 ． 6 5 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 1 — 7 0 2 X( 2 0 1 4 ) 0 1 — 0 0 9 0 — 0 3 Effe c t o f p e r me a b l e - fi l m- p r o t e c t i v e c o a t i n g o n t h e d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e L I U D o n ， C H E N L e i l ． C H E N X i n ， Y U J i a n y i n f ( 1 ． T a n g s h a n C a o f e i d i a n De v e l o p me n t I n v e s t me n t Gr o u p Co ．Lt d ． ， T a n g s h a n 0 5 0 05 1 ， He be i ， Ch i n a： 2 ． S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f S i l i c a t e Ma t e ria l s f o r Ar c h i t e c t u r e s ， Wu h a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y， Wu h a n 4 3 0 0 7 0， Hub e i ， Ch i n a ) Ab s t r a c t ： T h e p e r me a b l e - f i l m— p r o t e c t i v e c o a t i n g p r e p a r e d w i t h e p o x y r e s i n a n d l o w mo l e c u l a r w e i g h t p o l y s i l o x a n e w a s u s e d t o t r e a t t h e s u r f a c e o f c o n c r e t e ．Th e e ff e c t s o f t h e p e r me a b l e — f i l m— p r o t e c t i v e c o a t i n g o n t h e d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e we r e i n v e s t i g a t e d b y t h e t e s t s o f p e n e t r a t i o n a n d c arb o n a t i o n d e p t h ， c h l o r i d e i o n r e s i s t a n c e and f r e e z e - t h a w c y c l e ． Th e r e s u h s s h o w t h a t t h e r e s i s t a n c e o f p e rm e a b l e — fi l m-p r o t e c t i v e c o a t i n g t o c h l o rid e i o n pe n e t r a t i o n a n d f r e e z e — t h a w c y c l e i n c r e a s e s o b v i o us l y ．Me a n wh i l e ， t he c arb o n a t i o n v e l o c i t y a n d c a r b o na t i o n d e p t h o f t h e c o n c r e t e c o a t e d wi t h t h e p e rm e ab l e — f i l m— p rot e c t i v e c o a t i n g d e c r e a s e ．T h e d u r a b i l i t y o f c o n — c r e t e C an b e i mp rov e d e f f e c t i v e l y b y t h e pe rm e abl e - f i l m— p r o t e c t i v e c o a t i n g ． Ke y wo r d s ： c o n c r e t e ： p e rm e a b l e - fi l m- p r o t e c t i v e c o a t i n g ： p o l y s i l o x a n e ； d u r ab i l i t y 混凝土的耐久性一般是指结构混凝土抵抗使用环境下的 各种物理、 化学及力学等破坏因素作用并保持原有质量和适 用性的性质或能力，混凝土耐久性的好坏直接决定着混凝土 结构的使用寿命 。由于海洋环境的复杂多样性， 海工混凝 土在氯离子渗透、 冻融循环和碳化等多种因素的作用下易出 现不同程度的病害， 许多构筑物因其耐久性不足而失效【 。 在混凝土表面 涂刷防 护涂料是提高混凝 土耐 久性的 有效 方法， 目前所使用的混凝土防护涂料主要有表面成膜型涂料 和渗透型涂料[5 - 6 ] 。表面成膜型涂料主要包括环氧树脂涂料、 聚氨酯弹性涂料、 丙烯酸树脂涂料、 氟碳涂料和氯化橡胶涂料 等 ， 这类涂料具有良 好的抗碳化性能 坷 、 耐水性、 机械性和 基金项 目： 唐 山市科技计划项 目 收稿 日期： 2 0 1 3 — 0 7 — 2 5 作者简介： 刘东， 男， 1 9 7 3 年生， 河北唐山人， 高级工程师。地址： 唐山 市曹妃甸工业区三加， E — m a i 1 ： t s l i u d o “ g @1 6 3 ． c o m。 9 O 新型建筑材料 2 0 1 4 ． 1 装饰性； 但在局部破坏或有施工缺陷时， 腐蚀性介质很容易进 入混凝土内部， 导致混凝土发生腐蚀破坏。 渗透型涂料主要指 有机硅类涂料， 具有良好的渗透性I l 1】 、 抗冻融破坏性[ 1 2 有效 降低混凝土氯离子扩散系数 和保持混凝土表面自然外观 等优点； 但气体腐蚀介质可以透过该类涂料进入混凝土内部， 对混凝土造成腐蚀， 从而影响其耐久性。 针对表面成膜型涂料 和渗透型涂料存在的不足，笔者以环氧树脂与低分子质量聚 硅氧烷为原料合成制各了既具有渗透性，又可形成涂膜的渗 透成膜型混凝土防护涂料， 以期更好地改善混凝土的耐久性。 本文采用所制备的渗透成膜型防护涂料对混凝土表面进 行处理， 通过渗透深度和氯离子扩散系数测试、 冻融和碳化试 验， 研究了渗透成膜型涂料对混凝土耐久性的影响， 并与硅烷 渗透型防护涂料进行了试验对比。 1 试验 1 ． 1 原材料 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 刘东， 等： 渗透成膜型防护涂料对混凝土耐久性的影响 水泥： 华新水泥股份有限公司生产的P 0 4 2 ． 5 水泥； 粉煤 灰： 武汉青山电厂生产的Ⅱ级粉煤灰； 砂： 细度模数为 3 ． O的 中砂； 碎石： 5 ～ 3 1 ． 5 m m连续级配； 矿粉： 湖北亚东水泥公司生 产的矿粉； 减水剂： 武汉港湾新材料公司生产的L N — S P型聚 羧酸高效减水剂； 渗透成膜型防护涂料： 采用环氧树脂与低分 子质量聚硅氧烷反应，分别制备了聚硅氧烷含量为 1 5 ％、 2 0 ％、 2 5 ％和3 0 ％的渗透成膜型涂料， 按聚硅氧烷含量分别记 为S 1 5 、 $ 2 0 、 $ 2 5 和S 3 0 ； 硅烷涂料： 异丁基三乙氧基硅烷。 1 ． 2 试验方法 1 ．2 ． 1 混凝土试样的制备 。 按表1 所示配合比配制混；疑土 ， 分别成型尺寸为 l 0 0 m m x 5 0 m m的氯离子渗透试验试件， 1 0 0 m m x l O 0 m m x 4 0 0 m m的 冻融试验试件和 1 0 0 m m x l O 0 m m x 4 0 0 m m的碳化试验试件， 养护2 8 d 后， 将不同聚硅氧烷含量的渗透成膜型涂料和硅烷 涂料均匀地涂刷在养护好的混凝土试样表面 分2 次施涂， 总 用量为5 0 0 g ／ m ， 2 次施涂间隔时间为 1 2 h ， 涂刷完成后放置 7 d ， 然后进行相关实验。 表 1 混凝土配合比 k g 1 ． 2 ． 2 渗透深度试验 依据J T J 2 7 5 --2 0 0 0 ~ 港工程混凝土结构防腐蚀技术规 范》 附录E ， 采用染料指示法测试不同聚硅氧烷含量的渗透成 膜型涂料和硅烷涂料的渗透深度。 1 ．2 ．3 氯离子渗透性试验 依据 G B ／ T 5 0 0 8 2 --2 0 0 9 《 普通混凝土长期性能和耐久性 能试验方法标准》 ， 采用 R C M法分别测试涂刷渗透成膜型涂 料和硅烷涂料的混凝土氯离子扩散系数。 1 ．2 ．4 抗冻融性能试验 依据 G B ／ T 5 0 0 8 2 --2 0 0 9 ， 采用慢冻法对涂刷渗透成膜型 涂料和硅烷涂料的混凝土分别冻融5 0 次和 1 0 0次， 然后测试 冻融前后混凝土试件的抗压强度和抗折强度，计算抗压强度 保留率和抗折强度保留率。 1 ． 2 ． 5 碳化试验 依据G B ／ T 5 0 0 8 2 --2 0 0 9 ， 采用S J 一 2 型标准碳化箱， 分别 测试涂刷渗 透成 膜型 涂料和硅烷涂料的 混凝土在7 、 1 4 、 2 8 和 5 6 d 时的碳化深度。 表 2 涂刷不同涂料的混凝土试件渗透深度 从表2 可以看出， 渗透成膜型涂料具有优良的渗透性， 随 着涂料中聚硅氧烷含量的增加， 其渗透深度逐渐增大。 当聚硅 氧烷含量达到2 0 ％时， 渗透成膜型涂料的渗透深度已大于硅 烷涂料。这是由于渗透成膜型涂料所使用的聚硅氧烷具有较 低的表面张力和表面能， 在混凝土中的渗透能力强。 2 ． 2 渗透成膜型涂料对混凝土抗氯离子渗透能力 的影响 表3为涂刷渗透成膜型涂料和硅烷涂料的混凝土试件养 护5 6 d 后的氯离子扩散系数。 表3 涂刷不同涂料的混凝土试件氯离子扩散系数 由表3 可知，表面涂刷渗透成膜型涂料的混凝土试件的 氯离子扩散系数均小于涂刷硅烷涂料的，且随着渗透成膜型 涂料中 聚硅氧烷含量的 增大， 氯离 子扩散系数快速减小。 当 聚 硅氧烷含量为2 0 ％时， 混凝土的氯离子扩散系数仅为涂硅烷 涂料的 1 ／ 2 左右， 而当聚硅氧烷含量为3 0 ％时， 其氯离子扩散 系数仅为硅烷涂料的1 ／ 4 。这是因为， 渗透成膜型涂料不仅能 在混凝土表面形成1 层防护膜， 而且可以渗透到混凝土内部， 有效阻止氯离子扩散进入混凝土中，使混凝土抗氯离子渗透 性能显著提高，从而大大延长钢筋表面钝化膜因氯离子的侵 入而破坏的时间， 显著提高钢筋混凝土结构的耐久性。 2 ． 3 渗透成膜型涂料对混凝土抗冻融能力的影响 表4为涂刷不同涂料的混凝土冻融循环后抗压强度和抗 折强度保留率。 表 4 不同冻融循环次数下混凝土的强度保留率 项目 抗压强度 5 0 7 4 8 8 2 4 8 9 7 9 2 1 ．9 3- 4 9 56 保 留率， ％ 1 0 0 6 3 ．8 71 ．8 8 1 ．5 8 4．5 8 6．4 8 9．0 抗折强度 5 0 5 4 O 6 7 5 7 1 -5 7 2 -3 7 5 I 7 6 -4 保留率 1 0 0 4 2 ．5 5 7 ． 4 6 8．4 6 9．5 7 2．6 7 4 ． 3 2 结果与讨论 由 表4 可 见 ，表面无防护涂料的普通混凝土( K ) 冻融循 2 ． 1 聚硅氧烷含量对渗透成膜型涂料渗透性能的 环 1 0 0次时，其抗压强度保留率和抗折强度保留率分别为 影响 ( 见表2 ) ’ ． 6 3 ． 8 ％ 和4 2 ． 5 ％， 涂刷防护涂料后的混凝土抗压强度和抗折强 N E W BUI L DI NG M ATE RI AL S 91 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 刘东， 等： 渗透成膜型防护涂料对混凝土耐久性的影响 度保留率均大大提高。 相比于硅烷涂料， 渗透成膜型涂料对混 凝土抗压强度和抗折强度保留率的提高幅度更大，当渗透成 膜型涂料中聚硅氧烷含量为 3 0 ％时，涂刷该涂料的混凝土 1 0 0次冻融循环后抗压强度和抗折强度保留率分别为 8 9 ． 0 ％ 和7 4 ． 3 ％， 分别较涂刷硅烷涂料高1 7 ． 2 和1 6 ． 9 个百分点。 从表4 还可发现，涂刷不同防护涂料的混凝土在冻融循 环5 0次和 1 0 0 次的抗压强度和抗折强度保留率也有较大差 异， 涂刷硅烷涂料的混凝土冻融5 0次较冻融 1 0 0 次的抗压强 度和抗折强度保留率降低值分别为1 0 ． 6 和1 0 ． 1 个百分点； 而 涂刷渗透成膜型涂料的混凝土冻融 5 0 次和 1 0 0 次的抗压强 度和抗折强度保留率降低值明显减小，如涂刷$ 3 0 涂料的混 凝土冻融5 0 次较冻融 1 0 0次的抗压强度和抗折强度保留率 降低值分别为6 ． 6 和2 ． 1 个百分点， 表现出非常优良的抗冻融 能力。这可归因于渗透成膜型涂料可以更好地阻止外部水分 向混凝土内部的扩散， 从而有效地提高混凝土的抗冻融能力。 2 ． 4 渗透成膜型涂料对混凝土抗碳化能力的影响 图1 为标准碳化条件下涂刷不同 涂料的混凝土碳化深度 与时间的关系。 ( 2 ) 渗透成膜型涂料能够大幅度提高混凝土的抗氯离子 渗透能力。 与硅烷涂料相比， 涂刷渗透成膜型涂料混凝土的氯 离子扩散系数显著降低。 ( 3 ) 渗透成膜型涂料能有效提高混凝土抗冻融破坏能力。 涂刷渗透成膜型涂料的混凝土冻融循环 1 0 0 次后，其抗压强 度和抗折强度保留率远高于涂刷硅烷涂料的混凝土。 ( 4 ) 渗透成膜型涂料能够有效延缓混凝土的碳化速度， 降 低混凝土的碳化深度， 从而有效改善混凝土的耐久性。 参考文献： 【 1 】 陈改新． 混凝土耐久性的研 究、 应用和发展【 J J ． 中国水 利水 电科学 研究院学报 ， 2 0 0 9 ， 7 ( 2 ) ： 2 8 0 — 2 8 5 ． 【 2 ] 金伟 良． 混凝土结构耐久性【 M】 B 京 ： 科学 出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 3 ] 向晓峰 ， 郭志 昆． 海工混凝土 结构 的腐蚀与 防护 } J I． 混凝 土 ， 2 0 0 4 ( 2 )： 2 5— 2 7 ． 】 潘琳 ， 吕平 ， 赵铁军， 等_ l海工钢 筋混凝土的腐蚀与防护f J 1 ． 全面腐 蚀控 制， 2 0 0 6( 2 0 ) ： 1 3 — 1 6 ． [ 5 1 X u X X， S u n C J ， C h e n X， e t o 1 ． I n v e s t i g a t i o n o n t h e a g i n g p r o p e ~ i e s o f s i l i c o n e c o ati n g i n m a rin e c o n c r e t e [ J ] ．Ad v a n c e d Ma t e r i a l Re s e a r c h ， 2 01 1 ， 3 6 6： 2 9 6 —3 0 0． 【 6 】 Z h a n g J Z ， Mc l a u g h l i n I M， B u e n f e l d N R ． Mo d e l i n g o f c h l o r i d e d i f f u s i o n i n t o s u r f a c e — t r e a t e d c o n c r e t e[ J I ． C e me n t a n d C o n c r e t e C o mpo s i t e s ， 1 9 9 8， 2 0 ： 2 5 3 — 2 61 ． [ 7 】 Al m u s a l l a m A A， K h a n F M， D u l a i j a n S U ． E f f e c t i v e n e s s o f s u r - f a c e c o a t i n g s i n i mp r o v i n g c o n c r e t e d u r a b i l i t y l J J． C e me n t a n d Co n c r e t e Co mp o s i t e s ， 2 0 03 ， 2 5( 4- 5 )： 4 7 3 - 4 81 ． 【 8 】 黄微 波， 吕平． 聚天冬氨酸酯聚脲涂层混凝土 的附着性及氯离子 扩散性研究【 J ] ． 武汉理工大学学报， 2 0 1 1 ， 3 0 ( 1 O ) ： 7 3 — 7 7 ． 【 9 ] 石亮， 刘建忠， 刘加平． 聚合物涂层对混凝土碳化的影响及作用 机理l J l _ 东南 大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 1 0 ( 1 1 ) ： 2 0 8 — 2 1 3 ． 【 1 o ] 柳俊哲 ． 混凝 土碳化研究与进展 ( 1 ) 一 碳化机 理及碳化程度评价 『 J ] ． 混凝土， 2 0 0 5( 1 1 ) ： 1 0 — 1 3 ． [ 1 1 】 孙顺杰 ， 洪永顺， 张琳． 建筑表面有机硅 防水剂的制备及性能研 究[J J ． 化学建材， 2 0 0 8 ， 2 4 ( 3 ) ： 3 2 — 3 5 ． 【 1 2 】 汪在芹， 李家正 ， 石妍． 冻融循环过程 中混 凝土内部微观结构 的 演变『 J ] ． 混凝土， 2 0 1 2( 1 ) ： 1 3 — 1 4 ． [ 1 3 】 朱淮军． 建筑用有机硅防水剂【 J J ． 有机硅材料， 2 0 0 7 ， 2 1 ( 6 ) ： 3 3 8 —3 4 0． 【 1 4 】 赵东和． 新老混凝土中氯离子渗透性能研究[ J 1 ． 混凝土， 2 0 1 1 ( 1 1 )： 4 4 — 46 ． [ 1 5 ] 蒋正武 ， 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