不同材料对混凝土防护效果研究

      混凝土广泛应用于建筑工程、公路桥梁、码头等领域，目前，对混凝土性能除强度要求外，混凝土的腐蚀性及耐久性已收到广泛的关注与研究。影响混凝土腐蚀性的因素有很多，包括物理因素和化学因素，物理因素主要是指外力撞击、结晶、溶解、冻融等引起的开裂、脱落等问题 。化学因素主要是指融雪盐中含有的氯离子、酸雨、汽车尾气、其他离子腐蚀等。这些因素可以破坏混凝土的碱性环境，使混凝土炭化腐蚀，从而出现开裂、粉化、剥落、强度降低等问题[1-2]。

目前关于混凝土防护，从机理上说分为两大类；..类为渗透性防护，即选用低分子量的硅烷偶联剂，可以渗透浸入混凝土的内部，其含有的硅羟基可以与混凝土内部的无机材料发生反应，从而对混凝土起到补强的作用，且有机硅材料较低的表面能赋予混凝土表面一定的疏水性，具有防水的作用。第二类为封闭性防护，如环氧涂层、丙烯酸聚氨酯涂层等在混凝土表面形成封闭涂层，阻止腐蚀介质渗入混凝土，但该方法封闭性太好，会影响混凝土的自由“呼吸”，当热胀冷缩或出现局部施工问题时，易引起涂层开裂、脱落等问题[3]。本实验对常用的混凝土防护材料进行对比测试，研究不同材料对混凝土的防护效果。

1、试验部分

1.1试验原料

      水性丙烯酸树脂，巴德富集团；环氧树脂，南亚环氧树脂有限公司；水性环氧树脂、水性环氧树脂固化剂，上海华谊精细化工销售有限公司；改性聚胺固化剂，上海君江新材料销售有限公司；钛白粉，攀枝花；分散剂、消泡剂，毕克；硅烷偶联剂，南京联硅化工有限公司；水泥砂浆块，标格达；聚酯多元醇、聚氨酯固化剂，万华化学；羟基丙烯酸树脂，苏州嘉祥树脂有限公司。

1.2试验仪器

      电子天平TC3K,常熟市双杰测试仪器厂；..拉伸机ASG­H，日本岛津公司；砂磨机QSM­II，天津是科联材料试验机有限公司；电子拉拔仪AT­A,美国；高速搅拌机SDF，上海维特电机有限公司。

1.3防护材料类型

      试验选用的防护材料及其配套涂层如表1所列。

表1防护材料类型

2、结果与讨论

2.1底漆附着力试验

      混凝土内部的多孔结构使其含水率比较高，空气中的二氧化硫、二氧化碳等气体以及融雪剂中的氯离子等物质可以渗透进入混凝土内部，破坏混凝土内部的碱性环境，破坏钢筋钝化膜，引起钢筋腐蚀，造成混凝土强度的降低、粉化、开裂等问题[4]。本实验选用有机硅渗透性底漆、溶剂型环氧防护底漆、水性环氧防护底漆，水性丙烯酸防护底漆4类材料对混凝土表面进行防护，并就这4种材料对混凝土的加固性能进行测试，结果如表2所列。

表2不同材料对混凝土附着力的影响

      由表2可知，空白混凝土基材的附着力为1.36 M Pa，有机硅渗透性材料附着力为2.93 M Pa，可以显著提高混凝土的附着力，这是因为有机硅类渗透性材料为硅烷类单体，其分子量小，可深度渗入混凝土内部，其无机结构可以与混凝土起到补强的作用，提高混凝土的附着力[5]。溶剂型环氧防护材料以及水性环氧防护材料均可以提高混凝土的强度，起到加固混凝土的作用，这是因为环氧防护材料多选用低分子量的环氧树脂，具有一定的渗透作用，且低分子量环氧树脂固化后交联密度大，硬度高，可以提高混凝土的附着力，且环氧树脂固化后含有的大量羟基对混凝土材料具有优异的附着性能，因此，环氧树脂可以加固混凝土，起到补强的作用。水性丙烯酸防护材料对混凝土的加固并不明显，这是因为水性丙烯酸树脂分子量比较大，渗透困难，可以在混凝土表面形成薄膜保护，但加固增强性较差。

2.2底漆耐碱性试验

      混凝土材料是由水泥、填充砂砾、助剂经水合浇筑形成的水合硅酸盐材料，呈碱性，因此要求底漆具有优异的抗泛碱性能，本实验对有机硅渗透性底漆、溶剂型环氧防护底漆、水性环氧防护底漆、水性丙烯酸防护底漆4类材料进行耐碱性测试，结果如表3所示。

表3不同材料对混凝土耐碱性的影响

      由表3可以看出，溶剂型环氧防护底漆以及水性环氧防护底漆具有优异的耐碱性能。这是因为环氧树脂涂膜交联密度高，成膜致密，具有优异的封闭抗渗透性能，因此，耐碱性能优异。而有机硅渗透性材料，可以渗透进混凝土内部，对混凝土起到补强的作用，但是其不能在混凝土表面形成连续的膜，抗渗透性能差，腐蚀介质仍可以进入混凝土内部，破坏混凝土内部稳定的环境，造成混凝土炭化腐蚀，且无机材料的耐碱性较差，造成涂膜起泡的问题。水性丙烯酸防护材料为单组分树脂，交联密度低，抗渗透性能差，不能起到更好的阻隔作用，因此会引起涂膜起泡的问题。

2.3面漆柔韧性试验

      混凝土材料除了受到化学腐蚀引起开裂、粉化、脱落以外，还经常受到机械的破坏引起开裂，包括冲击、超重、震动等[6]。，因此混凝土防护涂层需要具有优异的柔韧性。本实验选用弹性聚硅氧烷面漆、水性丙烯酸面漆、丙烯酸聚氨酯面漆、弹性聚氨酯面漆，测试几种材料的拉伸强度及断裂伸长率，结果如表4所示。

表4不同材料弹性测试

      由表4可知，选用低T g的弹性丙烯酸树脂，其涂层具有优异的弹性，断裂生产伸长率可高达800%，在混凝土遭到冲击、震动时，不易出现开裂，对混凝土表面起到优异的防护及装饰作用。弹性聚硅氧烷面漆中含有的Si-o-Si键赋予涂层优异的抗氧化性能及耐候性能，因此大量应用于混凝土的防护中，且聚硅氧烷面漆具有优异的弹性，对混凝土出现的腐蚀问题能起到有效的保护作用。丙烯酸聚氨酯面漆及弹性聚氨酯面漆均为双组分涂料，因此其弹性较差，断裂伸长率较低，很可能由于局部的破坏，导致腐蚀介质的浸入，从而引起更严重的腐蚀破坏。

2.4面漆耐腐蚀性试验

      混凝土受空气中二氧化碳、融雪盐中的氯离子、汽车尾气等的侵蚀，破坏混凝土中的碱性环境，造成混凝土腐蚀炭化，引起开裂、粉化、脱落、强度降低等问题。本试验对弹性聚硅氧烷面漆、水性丙烯酸面漆、丙烯酸聚氨酯面漆、弹性聚氨酯面漆的耐腐蚀性进行测试，结果如表5所示。

表5不同材料的耐腐蚀性

2.5配套涂层性能测试

      结合以上研究，本试验设计3种配套体系，分别为：配套1---硅类体系（有机硅渗透性底漆+弹性聚硅氧烷面漆）；配套2---溶剂型环氧丙烯酸聚氨酯体系（溶剂型环氧防护底漆+溶剂型丙烯酸聚氨酯面漆）；配套3---水性体系（水性环氧防护底漆+水性丙烯酸面漆）。对这3种配套体系的混凝土防护性能进行测试，结果见表6所示。

      由表6可以看出，溶剂型环氧丙烯酸聚氨酯配套体系选用溶剂型环氧底漆与弹性丙烯酸聚氨酯面漆配套，这两种涂料都是双组分，交联密度高，具有优异的屏蔽性能，但是屏蔽性能太好，易影响涂层的呼吸性能，在混凝土内部气压发生变化时，易引起涂膜脱落开裂，从而引起混凝土的腐蚀、炭化，且当该配套涂层出现机械破坏、局部破坏时，腐蚀介质浸入混凝土内部，引起混凝土的炭化腐蚀。硅类配套体系选用有机硅渗透性底漆及弹性聚硅氧烷面漆，有机硅渗透性底漆选  用的是小分子量的硅烷偶联剂，可以渗透进入混凝土内部，但并不会封堵混凝土内部的孔隙，腐蚀介质仍可以渗透进入混凝土内部，引起混凝土的炭化腐蚀，弹性聚硅氧烷面漆交联密度低，抗渗透性能差，屏蔽性能差，因此其配套体系的混凝土防腐性能较差。水性混凝土配套体系包括水性环氧防护底漆和弹性水性丙烯酸面漆，水性环氧防护底漆涂膜交联密度高，具有优异的屏蔽性能，丙烯酸面漆弹性好，断裂伸长率高达800%，该配套体系保证了涂层屏蔽性及呼吸性能的平衡，使涂层具有优异的防腐性能，且高弹性的面漆可以在混凝土经物理撞击开裂时仍具有优异的防护屏蔽作用。

3、 结语

      通过上述试验，可以得出以下结论：

      1）有机硅氧烷类渗透性防护底漆可以深入渗入混凝土内部，起到补强的作用，但是并不会填充混凝土内部的空隙，其涂膜是不连续的，腐蚀介质仍可以渗入混凝土内部，引起混凝土的炭化腐蚀。

     2）溶剂型环氧涂层、丙烯酸聚氨酯涂层对混凝土可以起到封闭保护的作用，但封闭性太好，混凝土内部的气压变化会导致涂层起泡脱落，从而引起混凝土的腐蚀炭化。

     3）水性弹性丙烯酸涂层断裂伸长率高达800%，对于物理、化学破坏引起的开裂等问题具有很好的封闭保护作用，且不影响混凝土的自由呼吸，可达到涂层屏蔽性及呼吸性能的平衡，具有优异的混凝土防腐性能。