混凝土结构用复合氟碳防护涂料的性能评价.pdf

全 国中文核心期刊 ㈨ } } ■㈣ ㈣ ⋯⋯ 钎 建巍 中 国 科 技 核 心 期 刊 混凝土结构用复合氟碳防护涂料的 性台 旨 评价 薛晓芳 ， 仇铄 ， 蒋正武 1 ． 贵州智诚混凝土有限公司， 贵州 贵阳5 5 0 0 0 0 ； 2 ． 同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室， 上 海2 0 0 0 9 2 摘要 通过测试涂覆复合氟碳防护涂料混凝土的吸水率、 耐腐蚀性、 冻融循环和透气性等指标， 对研制的钢筋混凝土结构防护 用复合氟碳防护涂料 的防护性 能进行测试评价， 并与硅烷防护材料进 行对 比。结果表明， 涂覆该复合氟碳 防护涂料 的混凝土试件与 基准组对 比吸水率大幅下降， 强腐蚀环境下的抗压强度耐蚀系数及冻融循环 2 5次后相对动弹性模量较基准 组均 有所提升 ， 且复合 氟碳防护涂料具有一定的透气 性。 关键词 复合； 氟碳涂料； 硅烷； 吸水率； 透气性 中图分类号 T U 5 6 1 ． 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 7 0 2 X 2 0 1 5 0 9 0 0 1 5 0 4 S t u d y o n p r o p e r t i e s e v a l u a tio n o f c o m p o s i t e flu o r o c a r b o n p r o t e c ti n g c o a ti n g f o r c o n c r e t e s t r u c t u r e s XU E X i a o f a n f， Q I U S h u o ， J I A NG Z h e n g w u 1 ． Gu i z ho u Z h i c h e ng Co n c r e t e C o ．L t d ． ， Gu i y a n g 5 5 0 0 0 0， Gu i z h o u， Ch i n a ； 2 ．K e y L a b o r a t o r y o f A d v a n c e d C i v i l E n g i n e e r i n g Ma t e ri a l s o f Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n ， T o n g j i U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ， C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ， t h e w a t e r a b s o r p t i o n ， c o r r o s i o n r e s i s t a n c e ， f r e e z i n g a n d t h a w i n g c y c l e an d g a s p e r me a b i l i t y w e r e c h o s e n t o b e t h e t e s t i n d e x t o e v alu a t e t h e p r o t e c t i n g p r o p e r t i e s o f t h e d e v e l o p e d k i n d o f c o mp o s i t e fl u o r o c a r b o n p r o t e c t i n g c o a t i n g s f o r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s ， wh i c h wa s ma d e o f flu o r o c a r b o n a n d s i l a n e ．An d i t s p r o p e rti e s we r e c o mp a r e d wi t h t h a t o f t h e s i l a n e p r o t e c t i n g c o a t i ng ．Re s u l t s s h o we d t h a t t h e wa t e r a b s o rpt i o n o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s i mp r o v e d o b v i o u s l y a f t e r u s e t h e c o mp o s i t e fl u o r o c arbo n p r o t e c t i n g c o a t i ng s An d t h e p e r f o rm an c e s o f t h e c o rro s i o n r e s i s t a nc e i n t he e x t r e me c o rro s i o n s u r r o u n d i n g s a n d t h e r e l a t i v e d y n a mi c e l a s t i c i t y mo d u l u s aft e r 2 5 t i me s f r e e z i n g a n d t h a wi n g c y c l e a l s o i mp r o v e d s h a r p l y， c o mp a r e d t o t h e r e f e r e n c e g r o up ．Th e c o mp o s i t e flu o r o c a r b o n p r o t e c t i n g c o a t i n g s a l s o l e ft c o n c r e t e g o o d g a s pe rm e a b i l i t y ． Ke y wor d s c o mp o s i t e ， flu o r o c arb o n c o a t i n g ， s i l a ne ， wa t e r a b s o r p t i o n， g a s p e r me a b i l i t y 一 般来说， 钢筋混凝土结构具有良好的长期性能与耐久 性。但混凝土结构的服役能力和时间会受到各种环境条件的 限制， 采取有效防护技术以防止混凝土的环境侵蚀、 维护混凝 土的使用性能， 对提高混凝土结构的耐久性与使用寿命具有 重要的现实意义。 基 金项 目 国家 9 7 3项 目 2 0 1 1 C B 0 1 3 8 0 5 ； 国家 自然科学基金资助项 目 5 1 2 7 8 3 6 0 、 5 1 3 O 8 4 0 7 国家科技支撑计划项 目 2 0 1 1 B A E1 4 B 0 6 ； 高等学校博士学科点专项科研基金项 目QO 1 3 o o 7 2 1 1 0 0 4 7 收稿 臼期 2 0 1 5 0 3 2 0 ； 修订 日期 2 0 1 5 0 8 1 3 作者简介 薛晓芳 ， 女 ， 1 9 7 5年生， 陕西白水人 ， 工程师 。通讯 作者 蒋 正武， 地址 2 0 1 8 0 4上海市曹安公路 4 8 0 0号 材料大楼 4 7 0室， E ma i l j z h w t o n g j i ． e d u ．c a 。 表面防护由于可以从源头防止有害介质进入混凝土内部 而表现出优良的防护性能，目前被广泛应用的混凝土结构防 护涂料种类繁多， 包括环氧树脂涂料『 1 _、 聚脲涂层 、 丙烯酸 酯涂料同 等。 硅烷和硅氧烷等有机硅浸渍材料因其突出的憎水 性和化学稳定性， 能在混凝土表面及毛细孔内壁形成保护膜， 有效防止水分的渗透和转移， 达到防腐的目的， 从而提高混凝 土结构耐久性和使用寿命[5 - 7 ／ 。氟碳涂料作为近几年飞速发展 的新型涂料，具有非常出色的耐老化性、耐磨性和抗冲击性 等， 并且具有自清洁能力， 因此在金属及复合材料的表面防护 领域已经有较为成熟的应用[8 - 9 1 。 复合氟碳防护涂料的制备和最佳配比的确定已由先前研 究所获得， 本文对该涂料的耐久性能进行评价， 以了解其对混 凝土的保护程度， 为提升混凝土耐久性， 延长其服役年限提供 理论依据。 N E W BUI L DI NG M ATE RI AL S 1 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 薛晓芳， 等 混凝土结构用复合氟碳防护涂料的性能评价 1 试验 1 ． 1 原材料 1 ． 1 ． 1 混凝土试件成型原料 水泥 海螺水泥有限公司生产的4 2 ． 5 R普通硅酸盐水泥 标准稠度用水量为2 8 ．4 ％； 砂 天然河砂， 表观密度2 5 9 2 k 咖 ， 堆积密度1 6 1 3 k 咖 ， 含泥量6 ． 2 5 ％， 细度模数为3 ．0 2 ， 上海建 工集团股份有限公司提供； 粗骨料 5 ～ 1 0 m m和 1 0 2 0 m m连续 级配人工碎石， 按质量比3 7 掺入进行试验， 含泥量小于2 ％； 减 水剂 萘系减水剂。 不同强度等级混凝土试件的配合比见表1 。 表 1 不同强度等级混凝土试件 的配合 比 实验中将涂料涂覆于混凝土试块表面， 以评价其性能。 本 文混凝土成型试验所用模具规格为 1 0 0 m mx l 0 0 m mx l 0 0 m m ，为了便于在混凝土试块上进行涂覆和后续试验的开展， 同时为节省涂料， 试验中所用混凝土试块皆切割成5 0 m m x 5 0 m m x 5 0 m m使用。 1 ． 1 ． 2 防护涂料配制 氟碳涂料由F E V E氟碳树脂、 脂肪族聚异氰酸酯固化剂 和醋酸丁酯稀释剂按比例优化配制而成； 硅烷膏体的硅烷含 量为8 0 ％。复合氟碳涂料由氟碳涂料和硅烷组分按一定比例 复配而成， 复合氟碳防护涂料的基本配方见表2 。 表2 复合氟碳防护涂料的基本配方 1 ． 2 试验方案 1 ．2 ． 1 涂料涂覆方法 清除试件表面上的灰尘、 油污等有害物与污染物， 试块表 面应为面干状态。 将试块放置于电子天平上， 试块的被涂面水 平于桌面。 用毛刷由 左至右在试块被涂面均匀涂刷， 使被涂面 饱和并开始溢流，重复用毛刷从左至右在被涂面涂刷 3 7 次， 保持被涂面至少5 s 润湿状态。同时通过称量控制每个被 涂面的涂料用量。 观察被涂面表面达到表干状态 表面无溢流 且轻触不黏 时， 则可涂下一个表面。 1 ． 2 ． 2 性能测试方法 1 吸水率 吸水率参照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 进行测试。 l 6 新型建筑材料 2 0 1 5 ． 9 2 耐腐蚀性 耐腐蚀性测试包括水中养护和浸泡腐蚀，其中水中养护 指在试件成型拆模后在养护室中进行标准养护至规定龄期 后， 浸泡在水中进行浸泡养护； 浸泡腐蚀试验要求在试件成型 拆模后在养护室中进行标准养护至规定龄期后，在模拟地下 水及强酸性环境的复合腐蚀溶液 『 3 ． 5 ％ N a C l l 0 ％ N a 2 S O 4 H 2 S O 4 p H值 2 3 种溶液混合1 中进行浸泡养护。试验采用抗压、 抗 折强度耐腐蚀系数 与质量变化率S 为参考指标来确定试 件的耐腐蚀性。 3 冻融循环 将成型并切割后的试块放入标准养护室养护， 2 3 d 后取 出将其放在温度为 1 5 2 0 ℃的水中浸泡4 d ， 所有试件都在相 同条件下养护和浸泡， 以保证具有相同的初始强度。 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试验方法 中 的慢冻法， 对各组试件进行2 5 次冻融循环， 并采用C T S 一 2 5 型 非金属超声波检测仪测量其声速变化。 4 透气性 由于湿度对试块透气性影响较大， 将厚度为2 5 m m的混 凝土试块在烘箱中以4 0 ℃ 烘干， 以保证试块不含水。之后将 其放在除湿器中待测； 将适量甲醇加入容器中， 保证所有试样 甲醇量一致； 将混凝土试块置于容器上方并用硅酮胶环绕密 封， 避免任何可能的泄漏。待硅酮胶固化后， 首先测试整体质 量， 将试验装置放在恒温水浴箱中加热，要求水没过容器的 2 ／ 3 ， 即上面 1 ／ 3 部分暴露在空气中。记录不同时间间隔下甲 醇的质量损失， 直到稳定无变化为止。 透气性试验装置如图1 所示。 试样 口 蠹 翼蒹潮 誊 巍 基 强 垒警象 馘 ￡ ； 量 哮 ； 塑 翦圈 图 1 透气性试验装置示意 2 结果与讨论 2 ． 1 复合氟碳防护涂料对混凝土吸水率的影响 复合氟碳防护涂料按表2 配方制备。 1 3 复合氟碳防护 涂料涂刷组合见表3 ， 其中1 使用硅烷膏体 国泰华荣化工 WR G 一 9 0 8 ， 使用硅烷液体 道康宁Z - 6 4 0 3 异丁基三乙氧 基硅烷 ， 3 使用硅烷液体 道康宁Z - 6 3 4 1 正辛基三乙氧基 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 薛晓芳， 等 混凝土结构用复合氟碳防护涂料的性能评价 硅烷 ； 4 涂覆材料为丙烯酸乳液 下同 。不同防护涂料对混 凝土吸水率的影响见图2 ，涂覆3 种不同防护涂料C 5 0 试件 的吸水增量随时间变化曲线见图3 。 表 3 复合氟碳防护涂料涂刷组合 编号 氟碳组分 硅烷 组分 m 量 旨 糌 O1 O 0 08 0 0 6 0 0 4 0 02 0 基准组 1 2 3 4 图 2 涂覆不 同防护涂料对混凝土吸水率的影响 由图2 可见，涂覆防护涂料的试件吸水率普遍比基准试 件小1 个数量级， 以1 一 3 降低程度较大。取4 8 h 和 1 2 d的 吸水率作对比，基准试件的4 8 h 吸水率普遍高于 1 2 d的， 即 混凝土的吸水能力随时间延长而下降，这是由于混凝土本身 吸水值有限，基准试件最快趋于饱和而呈现增长速度降低的 状态； 1 L3 试件的1 2 d吸水率略高于4 8 h ， 说明涂覆防护涂 料的混凝土试件仍处在吸水率缓慢增大的阶段，这不仅能够 明显降低混凝土试件的吸水率，还能够延长其趋于饱和状态 的时间。 C 2 0 较C 5 0 混凝土试件的吸水率略高， 这是由于其本 身密实程度较低所致。 - C 5 0 基准组 C 5 0 涂覆硅烷 膏体组 皿 Ⅲ 4 靶 0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 3 0 0 0 时间／ m i n 图 3 涂覆 3种不同防护涂料C 5 0试件的吸水增 量 由图3 可见， 未涂覆防护涂料的C 5 0 基准混凝土试件吸 水增量随时间变化最大，而涂覆3 种不同防护涂料的试件都 能够不同程度地使吸水增量降低，其中以涂覆复合氟碳防护 涂料 1 9的防护效果最明显。 2 ．2 复合氟碳防护涂料对混凝土耐腐蚀性的影响 采用l 复合氟碳防护涂料对C 5 0 混凝土进行表面防护， 考察复合氟碳防护涂料对混凝土耐腐蚀性的影响 2 ．2 ． 1 对混凝土抗压强度耐蚀系数的影响 见图4 籁 茸 翟 慧 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 时间／ d 图4 复合氟碳防护涂料对混凝土抗压强度耐蚀系数的影响 由图4 可见， 相对于基准试件， 表面涂覆 1 复合氟碳涂 料的试验组其抗压强度耐蚀系数较大，即涂覆了复合氟碳涂 料的混凝土试件与同龄期基准混凝土的抗压强度相比，提高 约4 ％。说明该复合氟碳防护涂料的存在不仅阻碍了混凝土 试件与外界强腐蚀环境的直接接触，同时涂料的强疏水性使 作为有害离子载体的水对混凝土试件造成的损伤减小。 2 ．2 ． 2 对混凝土质量变化率的影响 复合氟碳防护涂料对混凝土质量变化率的影响见图5 ， 图中质量变化率为负数时表示相应龄期下混凝土质量增大， 正数表示质量减小。 时 间 ／ d 一 0 ． 2 槲 _ 0 4 删 蜓 一 0 6 基准组 一 口 1 一 _ | ] _ } ] ] 一 r e。 ∞ b 复合腐蚀环境 图 5 复合氟碳防护涂 料对 混凝 土质量变化率 的影响 从图5 a 可见， 在水中浸泡的混凝土试件表现为随养护 N E W BUI L Df NG MAT E RI AL S 1 7 m ∞ 舌 ；踮 舳 } 2 l 0 0 O O O 0 ＼ 料 咖蟮 一 n 一 组 组 - ． ▲ T L 料 料 一 涂 涂 一 碳 合 一 氟 复 _ 1 覆 覆 。 ． ▲ T一 涂 涂 一 ∞ ∞ - C C 一 ▲ T ■ ● ▲ ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 薛晓芳， 等 混凝土结构用复合氟碳防护涂料的性能评价 龄期增长， 其质量越大； 从图5 b 可见， 在模拟地下水腐蚀溶 液中， 混凝土试件的2 8 d 质量增大， 且表面涂覆复合涂料的 混凝土试件质量变化小于基准试件，之后随着腐蚀龄期的延 长， 表面涂覆复合涂料的混凝土试件质量损失小于基准试件。 说明复合氟碳防护涂料不仅能减少有害离子对混凝土结构的 破坏，同时还能够一定程度阻碍混凝土内部己被侵蚀部分的 溶出， 减缓孔隙增加的速度。 2 - 3 复合氟碳防护涂料对混凝土耐冻融循环 性能的影响 采用不同防护涂料对C 5 0 混凝土进行表面防护， 考察经 2 5 次冻融循环后防护涂料对混凝土耐冻融循环性能的影响， 结果见图6 。 1 00 9 6 篓 9 2 暮 8 8 靛 8 4 8 0 基 准 组 1 2 3 4 图 6 涂覆不同防护涂料对经 2 5次冻融循环后混凝土 相对动弹模量的影响 由图6 可见， 经 2 5次冻融循环后， 涂覆 1 一 3 复合氟碳 防护涂料的 C 5 0混凝土试件其相对动弹模量集中在 9 5 ％～ 9 7 ％， 效果优于4 ， 远高于基准组的8 6 ．4 9 ％。 这是由于在试件 表面涂覆涂料的防护手段能够防止外界环境对混凝土结构的 腐蚀和侵害， 在混凝土表面阻断其与外界直接接触的通道。 冻 融循环对其造成的破坏与外界水环境存在与否关系极大， 如 果水分渗透进入混凝土内部，会在温度交替下在毛细孔中膨 胀收缩，所以能够大幅降低混凝土吸水率的表面防护措施更 能够很好地抗冻融循环。 2 ． 4 复合氟碳防护涂料对混凝土透气性的影响 甲醇是结构最为简单的饱和一元醇，是无色易挥发有酒 精气味的液体。试验利用甲醇作为气源测试混凝土结构的透 气性主要是基于其沸点仅为6 4 ． 7 。按1 ． 2 ． 2 节所述方法进 行透气性试验， 结果见图7 、 图8 。 由图7 可见， 甲醇质量损失随时问延长而增大。 强度等级 分别为C 2 0 和C 5 0 的2 种混凝土基体试件， 在没有涂覆复合 氟碳防护涂料 1 9时， C 5 0试件的甲醇质量损失要始终小于 C 2 0 试件的， 这是由于高强度试件自身的密实度较高， 甲醇蒸 汽透过试件的难度要高于C 2 0 ； 涂覆了1 复合氟碳防护涂料 的C 2 0 、 C 5 0试件， 其质量损失小于C 2 0 和 C 5 0 基准试件， 说 1 8 新型建筑材料 2 0 1 5 9 - C 2 0 基准组 图 7 涂覆复合涂料不同强度等级混凝土试件的透气性 1 - 0 b o 0． 8 e O ． 2 O 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 时间／ m i n 图 8 涂覆不 同防护涂料 C 5 0混凝土试件 的透气性 明复合氟碳防护涂料在一定程度上阻碍了甲醇蒸汽透过基体 传向 外界。 由图8 可见， 涂覆了硅烷膏体的C 5 0 混凝土试件在试验中 的甲醇质量损失相较基准试件没有明显下降， 与基准试件的甲 醇质量损失处于交替上升的状态； 涂覆氟碳涂料的试件相较基 准试件， 甲醇质量损失明显下降； 涂覆复合氟碳防护涂料后， 甲 醇质量损失对比 基准试件也下降， 但下降 程度不及氟碳涂料。 3 结论 1 涂覆了复合氟碳防护涂料的混凝土试件， 短期 4 8 h 吸水率较基准试件普遍降低， 且其达到吸水饱和的速度减缓。 2 使用复合氟碳防护涂料防护表面的混凝土试件， 相对 于相同环境中的基准试件， 抗压强度耐蚀系数明显增大； 腐蚀 条件下的质量先增后减，而水养条件下其质量随龄期延长而 增大，涂覆复合氟碳防护涂料的混凝土试件质量变化均较基 准试件缓慢且变化率较小。 3 涂覆复合氟碳防护涂料能显著降低混凝土试件的冻 融循环破坏， 尤其在外界有水环境下， 这与其能够大幅降低混 凝土试件吸水率有关。 4 复合氟碳防护涂料的透气性较基准试件有所降低， 由 于其中的硅烷小分子能够渗透进入混凝土内部而非堵塞孔隙， 故下降幅度不大。对于 C 5 0试件， 涂覆复合氟碳防护涂料 一 F 转 第 3 0页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王楚妍 ， 等 钡盐对 仪 一 高强石 膏凝结时间的影响及作用机理 d 后充分水化的石膏硬化体的X R D图谱， 结果如图8 所示。 ● Ca S0 42 H2 0 ◆ B a S O d 1 0 2 O 3 0 4 0 5 O 6 O 7 O 2 0／ 。 图 8 掺 8 ． 0 ％钡盐与空 白样 石膏硬化体的 X R D图谱 由图8 可以看出， 未添加钡盐缓凝剂的 一 高强石膏充分 水化后主要相仍为C a S O 4 “ 2 H O ， 而掺加8 ． 0 ％ B a C O 和B a S i O 的仅 一 高强石膏在水化7 d 后有明显的B a S O 相生成， 说H ] B a 与S 0 4 2 一 反应生成不溶于水的硫酸钡包裹在石膏颗粒表面， 抑 制了 石膏水化进程， 从而达到缓凝的作用。 除了B a S O 的生成 外， B a C O 3 生成的C a C O 3 ， B a 2 S i O 生成的C a 2 S i O 均是不溶物， 也起到阻止水化进程的作用， 其中水化硅酸钙以C S H凝 胶形态存在于石膏中， 起到了增强石膏强度的作用， 因此相同 掺量的石膏硬化体， 掺B a 2 S i O 的强度损失小于掺B a C O 3 的。 3 结论 1 钡盐中B a 与石膏主要成分C a S O 中的S O 4 2 _ 反应生成 难溶物包裹在石膏颗粒表面抑制石膏水化， 导致水化放热延 迟， 并且放热量减少， 因此起到明显的缓凝作用。 2 相同掺量的B a 2 S i O 较B a C O ， 缓凝作用更为明显， 且 强度损失较小， B a 2 S i O 掺量为0 ． 1 ％ 2 ． 2 ％时， 石膏的绝干抗压 强度明显高于空白样石膏， 主要是因为B a 2 S i 0 和C a S O 反应 生成C S H凝胶有效地起到了弥补强度的作用。 3 钡盐掺入一般会降低石膏硬化体强度， 且随着缓凝剂 掺量的增加强度下降明显。但掺加B a S i O 具有对 一 高强石 膏强度的损失较小、 缓凝时间长的特点， 在方便施工的前提下， 可用于石膏基自 流平砂浆和石膏模具的制作。 参考文献 [ 1 ] 吴莉， 彭家惠 ， 万体智 ， 等． 缓凝剂对建筑石膏水化过程和硬化体 微结构 的影n l J [ J ] ． 新型建筑材料 ， 2 0 0 3 7 1 - 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