[提 要] 基于混凝土耐久性破壞機(jī)理,本研究以剛性、柔性表面涂層材料對(duì)混凝土外表面進(jìn)行防護(hù)處理,研究基準(zhǔn)混凝土(即未進(jìn)行表面處理的混凝土)與處理后混凝土的耐久性,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和工程要求尋求最佳的表面涂層方案。研究結(jié)果表明,采用剛性表面涂層材料作面層、柔性表面涂層材料作底層的復(fù)合表面涂層是增強(qiáng)混凝土耐久性防護(hù)能力最有效的方法之一。
[關(guān)鍵詞] 剛性表面涂層材料 柔性表面涂層材料 混凝土耐久性 復(fù)合表面涂層
混凝土耐久性是指混凝土建筑物在使用期間抵抗環(huán)境介質(zhì)的侵蝕而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)喪失安全使用功能的能力[ 1 ]。目前,混凝土耐久性已成為混凝土中研究的熱點(diǎn)之一。P. K.Mehta曾提出過(guò)一種概括混凝土劣化的兩階段損傷模型,即第一階段為砼損傷的潛伏期,第二階段為砼損傷后在環(huán)境作用下逐漸加劇期。在這兩個(gè)階段中,在混凝土表面添加涂層都是一種簡(jiǎn)單有效的增強(qiáng)混凝土耐久性防護(hù)能力的方法,既能提高既有建筑的混凝土使用壽命,又能防止混凝土耐久性能過(guò)早劣化[ 2 ]。
因此,表面涂層材料可以提高混凝土的耐久性,但對(duì)涂層材料的選擇也是非常重要的。工程應(yīng)用上不僅要求其具有良好的防護(hù)耐久性能,而且其應(yīng)具有環(huán)境溫濕度變化條件下抗老化的能力(如對(duì)混凝土耐久性要求較高的海工浪濺區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)部位) 。本次試驗(yàn)對(duì)各類表面涂層材料以及表面涂層材料復(fù)合使用的耐久性防護(hù)效果及其工程應(yīng)用進(jìn)行了研究。
1 混凝土耐久性破壞機(jī)理
造成混凝土耐久性劣化的主要原因依次為碳化反應(yīng)、鋼筋銹蝕、鹽類侵蝕反應(yīng)等。其中碳化反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)式為:
在酸性氣體與水同時(shí)存在的條件下,硬化混凝土與堿反應(yīng),生成可溶性鹽類。
鋼筋銹蝕的化學(xué)反應(yīng)式為:
由于氯離子的侵入,使鋼筋氧化, Fe體積可增加2. 5倍,從而對(duì)混凝土形成破壞。
鹽類侵蝕反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)式為:
三鋁酸鈣在鹽類的侵蝕下,會(huì)產(chǎn)生成倍的體積增長(zhǎng),對(duì)混凝土的體積穩(wěn)定性形成一定程度的破壞。
由此,可以看出水是侵蝕性介質(zhì)(如氯鹽及其他鹽類)擴(kuò)散進(jìn)入混凝土體內(nèi)的載體。通過(guò)混凝土外表面的防護(hù),阻止水對(duì)混凝土內(nèi)部侵入,可以有效提高其耐久性。混凝土外表面涂層有柔性表面涂層(如硅烷涂層與丙烯酸樹(shù)脂涂層)與剛性表面涂層(如水泥基滲透結(jié)晶型涂層、聚合物水泥砂漿涂層)兩大種類,都可以在一定程度上阻止水分和侵蝕性介質(zhì)與混凝土接觸,因此對(duì)砼耐久性的防護(hù)都有著積極的促進(jìn)作用。但同時(shí)它們又有各自的使用特點(diǎn),需要通過(guò)試驗(yàn)對(duì)其性能及使用環(huán)境進(jìn)行驗(yàn)證。
2 試驗(yàn)方案
2. 1 方案設(shè)計(jì)
以強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)為C45的高性能混凝土為基準(zhǔn),在試件上表面涂上不同種類的涂層材料后并在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)或老化至齡期后進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。涂層材料分別采用具有代表性的新型柔性表面涂層材料(硅烷與丙烯酸樹(shù)脂)與剛性表面涂層(水泥基滲透結(jié)晶型材料涂層與聚合物水泥砂漿涂層)作為研究對(duì)象。
2. 2 試驗(yàn)內(nèi)容
通過(guò)測(cè)試基準(zhǔn)混凝土與不同種類表面涂層的混凝土在各齡期下吸水率、耐久性及老化(包括碳化深度、滲水高度、氯離子電通量以及在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的動(dòng)彈儀共振頻率)的試驗(yàn)結(jié)果,比較各涂層材料混凝土抗吸水、抗老化、抗碳化、抗氯離子滲透、抗水壓滲透、抗凍融循環(huán)的能力。
2. 3 試驗(yàn)方法
吸水率降低率試驗(yàn)按照J(rèn)TJ275 - 2000“吸水量”方法進(jìn)行。老化試驗(yàn)按照GB 1865《漆膜老化測(cè)定法》進(jìn)行,采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天后經(jīng)過(guò)50℃加速老化7天后將試件進(jìn)行砼耐久性的測(cè)試。其他耐久性試驗(yàn)按照GBJ 82 - 85《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》、JTJ275 - 2000“混凝土抗氯離子性標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法(電通量法) ”進(jìn)行,測(cè)試試件在不同齡期下的碳化深度、滲水高度、氯離子電通量以及在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的動(dòng)彈儀共振頻率。
3 試驗(yàn)結(jié)果及分析
3. 1 基準(zhǔn)混凝土性能實(shí)測(cè)結(jié)果
基準(zhǔn)高性能混凝凝土性能實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。
3. 2 各類表面涂層材料處理后混凝土性能試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)各類表面涂層處理后的砼性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果,如圖1 - 圖5所示。
3. 3 試驗(yàn)結(jié)果分析
(1)從以上圖表可以看出無(wú)論剛性表面涂層材料還是柔性表面涂層材料都對(duì)砼耐久性起著積極的作用,對(duì)砼各個(gè)齡期的耐久性都能起到較好的防護(hù)效果;
(2)表面涂層材料的吸水性直接影響到其耐久性防護(hù)能力。從整體耐久性的防護(hù)效果可以看出,吸水性的大小,或者說(shuō)吸水率降低率的大小直接決定了其耐久性的防護(hù)能力,兩者成正比關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果與耐久性破壞機(jī)理有相當(dāng)?shù)囊恢滦浴?/P>
(3)剛性表面涂層材料,如試驗(yàn)中的水泥基滲透結(jié)晶型涂層、聚合物水泥砂漿涂層由于均是以水泥為基材并附以其他化學(xué)活性物質(zhì)或聚合物而制成的,所以其涂層防護(hù)作用的發(fā)展也是與其水泥強(qiáng)度的發(fā)展息息相關(guān)的,即隨著水泥齡期的增長(zhǎng)而發(fā)展,并且至28天后較為穩(wěn)定;
(4)相對(duì)剛性表面涂層材料而言,柔性表面涂層材料(硅烷、丙烯酸樹(shù)脂)的防護(hù)作用發(fā)展較快,由以上表格中可以看出,一般3天后即趨于穩(wěn)定而且可達(dá)到較好的防護(hù)效果,其早期砼耐久性防護(hù)效果要比剛性表面涂層材料要好得多。這是因?yàn)槿嵝员砻嫱繉硬牧吓c水泥混凝土的滲透及化學(xué)反應(yīng)所需時(shí)間較短,因此在短時(shí)間內(nèi)便可達(dá)到所需要的防護(hù)效果,但防護(hù)能力一般不再增長(zhǎng)。
(5)剛性表面涂層材料經(jīng)過(guò)老化試驗(yàn)后,其防護(hù)能力并沒(méi)有下降,其碳化深度、氯離子滲透深度、水滲透高度均變化不大。與之相反的是柔性表面涂層材料,在經(jīng)老化試驗(yàn)或在溫濕度變換情況下(如凍融循環(huán))后對(duì)砼耐久性的防護(hù)能力迅速下降甚至失效(如硅烷涂層的碳化深度和水滲透高度與素砼接近) 。這是因?yàn)槿嵝员砻嫱繉铀母叻肿佑袡C(jī)材料(如硅烷、丙烯酸等)及其他化學(xué)成分在高溫或干濕溫度變化下易老化失效所致。
(6)柔性表面涂層材料的耐久性防護(hù)效果要比剛性表面涂層材料好,但其抗溫濕度變化能力、抗老化能力不如剛性表面涂層材料。采用剛性涂層材料為面層、柔性涂層材料為底層的復(fù)合方法是效果較好的涂層方案。綜合以上試驗(yàn)結(jié)果,復(fù)合涂層選取性能測(cè)試結(jié)果較好的水泥基滲透結(jié)晶型材料作面層、硅烷涂層作底層并應(yīng)用于工程實(shí)際。圖7為各表面涂層經(jīng)老化試驗(yàn)后混凝土耐久性對(duì)比。
4 工程應(yīng)用實(shí)例
溫福鐵路螯江大橋的混凝土耐久性防護(hù)施工采用了剛性、柔性復(fù)合及水泥基滲透結(jié)晶型材料與硅烷材料復(fù)合涂層的技術(shù)方案,如圖8所示。
4. 1 工程施工工藝
首先進(jìn)行底層———柔性涂層(硅烷材料)的施工,采用
“三沖兩噴”的施工工藝對(duì)混凝土基體進(jìn)行噴涂。其次在噴涂作業(yè)完成4小時(shí)后,緊接著進(jìn)行面層———?jiǎng)傂酝繉?水泥基滲透結(jié)晶型材料)的施工,即按比例攪拌后在底層上涂覆漿體,待漿體硬化后保濕養(yǎng)護(hù)至七天齡期。
4. 2 工程取樣結(jié)果
在進(jìn)行表面涂層處理后6個(gè)月,對(duì)螯江大橋某橋墩鉆芯進(jìn)行了抗氯離子電通量的試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。結(jié)果證明了在工程應(yīng)用實(shí)際中采用復(fù)合涂層方法不僅可以大大增強(qiáng)混凝土長(zhǎng)期耐久性能,而且可以在一定程度上增加涂層在環(huán)境溫濕度變化條件下抗老化的能力。
5 研究總結(jié)
(1)相對(duì)而言,柔性涂層材料對(duì)混凝土耐久性的防護(hù)能力更好,但剛性涂層材料的抗老化、抗環(huán)境溫濕變化的能力更佳。
(2)采用剛性涂層材料為面層、柔性涂層材料為底層的復(fù)合方法是理想的涂層方案。不僅可以使涂層具有良好的防護(hù)耐久性能,而且使涂層具有環(huán)境溫濕度變化條件下抗老化的能力,從而在保證涂層自身耐久性前提條件下,進(jìn)一步保證混凝土構(gòu)件的長(zhǎng)期耐久性。其中,水泥基滲透結(jié)晶型涂料和硅烷涂料分別是使用效果較好的面、底層涂料。
參考文獻(xiàn)
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