混凝土保護塗層的性能測試研究

混凝土保護塗層的性能測試研究李志高 劉旭東 呂 平 黃微波 （ 青島理工大學土木工程學院 266033）0 引言鋼筋混凝土是工程中用量最大的建築材料，也是世界上應用最為廣泛的結構形式。我國每年耗費在混凝土結構上的費用超過千億元，而由於鋼筋混凝土結構失效造成的直接經濟損失為6 000 億元/a，混凝土的耐久性問題日益嚴峻。混凝土保護塗層技術作為一種能有效提高混凝土結構耐久性的方法而逐漸受到人們的關注。但是當前有關混凝土保護塗層材料的性能和防護效果的測試及評價方法還不成熟，嚴重製約了這類材料的健康發展和應用。1 塗層混凝土的性能測試方法隨著混凝土保護塗層材料的發展及其在工程上的廣泛應用，混凝土保護塗層的性能測試和評價方法越來越成為生產廠家和工程單位關心的問題。國內有關塗層材料的性能指標還僅局限於材料本身，對於塗層材料在使用中（特別是在某一特定環境中）的性能及防護效果指標要求卻很少。以下介紹幾種塗層混凝土的測試方法，為評價塗層材料提供參考依據。1.1 塗層混凝土鹽霧循環老化試驗在海洋環境下，鹽霧腐蝕是導致混凝土結構破壞的一個重要因素。混凝土保護塗層已逐漸成為海工混凝土防護的重要措施，效果非常明顯，但是國內有關塗層混凝土耐鹽霧腐蝕試驗的研究很少。LU Ping 採用掃描電鏡（SEM）和Fourier 變換紅外光譜（FTIR），通過考察經鹽霧循環老化後塗層的表面形貌和結構形態，研究了聚天冬氨酸酯（Polyaspartic esters，PAE）聚脲塗層在加速氣候老化條件下的老化行為見圖1、2。

圖1 是塗層經鹽霧老化70 d 和200 d 後的SEM 圖。在鹽霧箱中暴露70 d 後（圖1a），塗層表面密實、連續，表明這個階段的鹽霧腐蝕沒有對塗層產生影響；從腐蝕200 d 的斷面形貌圖（圖1b）看出，塗層表面仍保持密實狀態，未出現局部腐蝕；而且，塗層與砂漿基材粘結牢固，沒有產生界面破壞。說明PAE 聚脲塗層能很好地抵抗鹽霧侵蝕。圖2 是PAE 聚脲塗層老化前及鹽霧循環老化200 d 後的ATR-FTIR 譜圖，變化很小，即老化前後塗層表面形貌及耐蝕性沒有明顯變化。說明PAE 聚脲塗層具有優異的耐鹽霧腐蝕性能，與前面的結論一致。同時還研究了鹽霧老化對塗層混凝土抗凍性的影響。通過測量混凝土的相對彈性模量來判斷其抗凍性，經300 d 鹽霧老化後，對塗層混凝土的抗凍性影響較小，表明PAE 聚脲塗層提高了混凝土的抗凍性。通過考察塗層混凝土經鹽霧老化試驗後有否損及其附著性，可分析其老化性能。隨著鹽霧老化時間的延長，不同保護塗層的混凝土附著力有不同程度的減小，但是對PAE 聚脲塗層混凝土的附著力影響很小，說明PAE 塗層耐鹽霧老化性能優於常規防腐塗層。1.2 塗層混凝土附著力測試法塗層材料的關鍵特性之一就是對基材的粘接力或附著力。當塗層與基材粘接不緊密時，就會脫落，喪失其保護作用，而使基材受到破壞。通過測量塗層與混凝土之間的附著力可以很好地評價塗層的優劣。混凝土工作環境對塗層附著力的影響很大，如海洋環境下的混凝土會經受凍融循環、乾濕交替、溫度交變或腐蝕介質侵蝕等，測量此時的附著力，就可以評價在不同環境下，塗層與混凝土的附著情況，從而為塗層的選擇提供參考依據。王衛英採用剝離粘結試驗，研究基材強度、養護齡期、底漆、溫度和濕度對剝離強度的影響；並採用回歸分析方法，建立上述研究中剝離強度與時間的關係式。通過對破壞模型的分析，得出聚脲與基材之間粘接破壞的類型。PosiTest 拉脫法附著力試驗儀是新開發的一種附著力測試儀器，如圖3 所示。它能直接精確地顯示塗層與混凝土的附著力，比剝離粘接試驗更簡單、更便捷，更適用於實際工程中。具體操作是先將塗層混凝土用砂紙輕輕打磨，再擦乾淨，用膠水將50 mm 拉脫單元粘在塗層上，室溫乾燥1 d 或置於50℃烘箱里幾小時，再乾燥冷卻。將定位器固定住拉脫單元，再對液壓泵施加拉力，直到拉脫為止，顯示器顯示附著力讀數。

1.3 塗層混凝土交流阻抗譜交流阻抗譜的方法近年來受到廣泛重視，並已成為研究材料結構、性能以及反應機理的有力工具。交流阻抗方法應用於水泥漿體和混凝土性能的研究，基於把水泥漿體和混凝土看成為一個電化學系統。硬化水泥漿體和混凝土是多孔介質，其孔溶液為電解質，因此，在硬化水泥漿體和混凝土兩端面上各放置一個惰性的金屬電極（不鏽鋼電極），可以把它作為一個電化學系統。由於水泥基材料組成結構方面的變化引起電化學行為的改變，所以從水泥基材料的阻抗譜中可以把其組成和結構的信息解析出來。在水泥砂漿和混凝土表面塗刷混凝土保護塗層，會使它們的界面發生改變，因此可以預測：塗刷和不塗刷保護塗層其界面有不同的交流阻抗響應。因此，用交流阻抗的不同響應來描述、表徵混凝土保護塗層的保護性能在理論上是可行的。葛海燕利用交流阻抗儀（圖4），研究混凝土保護塗層對試樣交流阻抗譜特性的影響。

試驗結果表明：保護塗層對混凝土具有很好的抗滲性，並根據交流阻抗譜圖可以判斷出各種塗層在提高混凝土結構緻密性方面的能力大小，即抗氯離子滲透性方面的能力大小。1.4 塗層混凝土抗氯離子滲透性試驗氯離子是導致海工鋼筋混凝土結構破壞的重要原因之一，所以抗氯離子滲透性是海洋環境下混凝土耐久性的重要指標。測試方法主要有快速氯離子滲透試驗法（RCM 法）、自然浸泡法和電通量法等。楊林採用自然浸泡法和快速氯離子滲透法（RCM）研究了混凝土保護塗層抵抗氯離子滲透的性能。考慮到2 種方法均能有效地評價混凝土保護塗層抵抗氯離子滲透的能力，實際工程中塗層混凝土在早期接觸氯鹽時的表觀擴散係數Da，可近似地取為DRCM（氯離子擴散係數）值。採用快速氯離子滲透法（RCM）進行塗層混凝土抗滲性試驗時，與對比試樣相比，塗層混凝土的氯離子擴散係數明顯降低，說明保護塗層提高了混凝土的氯離子抗滲性，並且隨著塗層厚度的增加，抗氯離子滲透性也增加。並且證明了2種方法具有很好的線性相關性。1.5 塗層混凝土的吸水性和抗滲性試驗對於塗層混凝土結構來說，其塗刷的保護塗層防止海水侵入混凝土內部的能力，即吸水性也是塗層的一個重要性能指標。混凝土保護塗層處理後試件的吸水率變化是一種直觀、有效的評價方法。王衛英採用吸水率來評價混凝土保護塗層的防護效果以及在不同介質影響下保護塗層的防護效果。試驗結果表明：無論是塗浸透型混凝土保護液還是噴塗聚脲彈性體（SPUA）塗層，均使混凝土的吸水率大大降低。除SPUA 塗層，其他塗層隨著浸泡時間的延長，吸水率有一定的增加，說明SPUA 塗層具有優異的耐水性能。為了更好地評價混凝土保護塗層的性能，有必要針對性地測量其在腐蝕介質環境下的吸水率變化。通過測量試件在酸、鹼等腐蝕環境下吸水率的變化來評價混凝土保護塗層抵抗腐蝕介質侵蝕的能力，為在特殊環境下保護塗層的選擇提供參考依據。混凝土抗滲性是指混凝土抵抗有壓介質滲透的能力，是評價混凝土耐久性的重要綜合指標之一。目前的研究方法主要有滲水法、透氣法、表面吸水法、氯離子滲透法、通電法等。有關文獻提出了一些改善混凝土抗滲性的方法，主要是針對影響混凝土抗滲性的各個因素，採取各種措施改善混凝土內部的孔結構，細化孔徑，減少或阻止混凝土內部連通的滲透通道，以提高混凝土的抗滲性能，同時指出，表面塗層法是改善混凝土抗滲性的重要措施之一。楊林採用國標滲水法試驗測試混凝土的抗滲性能，通過給塗層混凝土施加逐級升高的不同水壓來考察混凝土的抗滲性。結果表明：塗刷塗層後，混凝土的抗滲力有很大提高，而不同的塗層其抗滲力也不同。1.6 塗層混凝土凍融循環試驗（快凍法）按照GBJ 82—85《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》中抗凍性能試驗的「快凍法」進行。凍融過程中測定混凝土的相對動彈性模量和質量損失，相對動彈性模量反映的是混凝土內部微裂縫的開展情況，質量損失由表面剝落造成，嚴重時導致骨料暴露。文獻通過測量這兩個指標來反映混凝土內部與表面受到損傷的程度，試驗結果表明：無塗層混凝土凍融循環過程中，質量和動彈性模量都發生劇烈的變化，而有塗層混凝土沒有明顯地變化。說明塗層可以明顯改善混凝土的抗凍性能。1.7 電化學方法在研究鋼筋混凝土鏽蝕方面，電化學試驗方法應用很多。混凝土中鋼筋鏽蝕的電化學檢測方法主要有自然電位法和極化測量技術等。恆電量法、電化學雜訊法、混凝土電阻法、諧波法等也在發展中，但用於現場檢測尚不多見。劉玉軍參照ASTM C 876—91，採用電化學法來測量混凝土的鋼筋鏽蝕。試驗結果表明：在同種環境下塗刷混凝土保護塗層後，能夠推遲鋼筋鈍化膜開始活化的時間、降低鈍化膜的活化程度；還能明顯降低鋼筋的腐蝕速度。2 結論與展望上述研究將為制定混凝土保護塗層性能和防護效果的試驗和評價方法提供必要的理論準備和技術支持，也將對混凝土保護塗層材料的發展和工程應用起到促進作用。交流阻抗譜方法在混凝土保護塗層研究中的應用需作進一步研究，嘗試找到描述阻抗參數與塗層種類、用量及處理時間的數學模型，以期利用交流阻抗方法來定量評價混凝土保護塗層的性能。在實際工程中，混凝土結構不是單純受一種腐蝕介質的侵蝕，而是受到幾種腐蝕介質的共同作用，同時還可能受到荷載的影響，這種環境下的腐蝕會更嚴重。本文初步探索了鹽霧老化對塗層混凝土抗凍性、附著力等性能的影響研究，但目前有關這方面的測試方法還很少。因此，混凝土保護塗層在多因素環境下的腐蝕行為還需作進一步的研究，為在工程實際中混凝土保護塗層的選擇提供參考依據。
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