水工混凝土涂聚氨酯涂层的抗冻性能研究

孟庆宇

（凌海市水利事务服务中心，辽宁 凌海 121200）

寒区水工混凝土耐久性在很大程度上取决于其抗冻性能，中国东北部地区太阳辐射强、严寒干燥、昼夜温差大且有深覆盖层冻土，极端的气候条件使得水工构筑物普遍面临着冻融破坏问题，大大减弱了水工混凝土耐久性[1-4]。辽东山地丘陵水工混凝土使用5～10a后大多存在轻敲即碎、骨料外露、表面粉化等问题，大大降低了水工结构服役年限，给工程的长效运行埋下安全隐患。所以，有效增强混凝土抗冻性能，对于保证北方寒区水利工程服役年限极其重要[5]。

将硅粉、粉煤灰、钢纤维等活性矿物质或适量气泡引入水工混凝土中能改善抗冻性能，然而这些方法主要适用于新拌混凝土，对于既有构筑物一般选用涂刷涂料的方式，通过形成致密的薄膜阻止水分入渗来提升构筑物的抗冻耐久性[6-9]。研究表明：在混凝土表面涂刷硅烷、丙烯酸树脂、水性环氧树脂等涂层能够提升其抗冻等级至F400以上，涂刷聚氨酯、聚脲、环氧砂浆等涂层能够从F150提升至F300等级，砂浆表面涂刷聚脲材料能够保证抗冻等级达到F250。鉴于此，文章利用室内试验探讨了沥青改性聚氨酯涂层和聚氨酯涂层的耐低温性能、水汽透过性及其改善混凝土抗冻性的效果，并进一步探讨了涂层长效防护水工构筑物的技术措施[10-12]。

1 试验方法

1.1 原材料性能

试验选用沥青改性聚氨酯和聚氨酯两种涂层材料，涂层材料性能，见表1。

表1 涂层材料性能

1.2 试验内容

1）耐低温性能试验。两种涂层材料的玻璃化温度（Tg）可利用差示扫描量热法（DSC）进行测试，Tg能够准确反映低温下涂层材料的柔韧性。一般地，玻璃化温度越低则材料的耐低温性能和柔韧性越好，其发生开裂的难度越大。试验仪器选用同步热分析仪，控制温升速率2℃/min，温升范围-80～100℃，选用氮气为惰性气体，样品质量5～10mg。

2）水汽透过性试验。控制试验容器内的湿度95%、温度25℃，涂层厚度(0.2±0.01)mm，将适量饱和NH4H2PO4溶液注入容器内，然后用涂层封闭容器上端，对容器每隔24h称一次质量，最后透过涂层的水汽量就是每次称量值与初始质量之差。

3）冻融循环试验。设定水胶比0.4，控制含气量2.5%，坍落度180mm，试验配合比设计，见表2，试验配制长100mm×宽100mm×高400mm的C30水工混凝土试样。

表2 试验配合比设计 kg/m3

在标准养护56d后取出，混凝土表面用无水乙醇清洗用以终止水化，室温静置24h后，涂覆用量相同的两种涂料，涂覆过程中使用毛刷涂刷2遍，控制涂层厚度(0.2±0.01)mm。完成涂覆后，将各组试样放入相对湿度(50±5)%、温度(22±2)℃的环境中养护7d，使涂层充分硬化并干燥，以备后续使用。待混凝土表面涂覆涂料7d后放入水中浸泡4d，然后依据《水工混凝土试验规程》、《水工混凝土耐久性技术规范》中的要求测试1000次冻融循环时混凝土的质量损失率和相对动弹模量。

2 结果与分析

2.1 涂层耐低温性能

涂层水汽透过量变化曲线，见图1。结果表明沥青改性聚氨酯涂层和聚氨酯涂层的玻璃化温度依次为-61.2℃、-65.0℃，因此玻璃化温度较高的是沥青改性聚氨酯涂层。究其原因是沥青改性聚氨酯涂层中含有的沥青分子链段柔韧性较差，在玻璃化温度较低的聚氨酯中加入沥青改性会提高其原有玻璃化温度，所以低温时沥青改性聚氨酯涂层更脆、更易开裂破坏，外界环境水更易透过涂层裂隙渗入内部，使得涂层防护混凝土的效应下降。

图1 涂层水汽透过量变化曲线

2.2 涂层水汽透过性

随着时间的推移沥青改性聚氨酯涂层和聚氨酯，涂层的水汽透过量变化曲线，见图2。结果显示两种涂层水汽透过量在初始的8h内基本相同，但沥青改性聚氨酯涂层的水汽透过速率随着时间的推移呈加快趋势，两种涂层的水汽透过量明显增加。试验216h时，沥青改性聚氨酯涂层和聚氨酯涂层的水汽透过量依次为0.78g、0.55g，即后者的防水性优于前者。究其原因，水汽分子与沥青改性聚氨酯中的—OH、—COO—等极性基团更易形成氢键，对涂层的穿透溶解能力更强，使得水汽透过量相对较高。聚氨酯涂层的防水性更好，能够大大降低水分的渗透作用，有效抑制混凝土内部水与外界环境水的交换，减少内部可冻结水量及其对混凝土微结构的损伤作用。

图2 涂层水汽透过量变化曲线

2.3 混凝土抗冻性能

水工混凝土表面未涂、涂覆沥青改性聚氨酯和聚氨酯涂层的相对动弹模量和质量损失率试验结果，水工混凝土抗冻性能试验，见图3。

图3 水工混凝土抗冻性能试验

结果表明：

1）冻融循环达到450次时，未涂覆涂层的水工混凝土相对动弹模量减小到40.5%，质量损失率达到0.18%，由此表明混凝土内部已出现冻融破坏。

2）冻融循环达到1000次时，涂覆沥青改性聚氨酯涂层的水工混凝土质量损失率为-0.51%，相对动弹模量整体在98%以上，经1000次冻融循环后涂沥青改性聚氨酯涂层的试件质量范围增加0.51%。深入分析可知，冻融循环达到450次时涂层就出现起鼓、开裂、剥落现象，外界水从破损处渗入致使混凝土表面涂层内出现粉化，所以试件质量有所增大，这也说明沥青改性聚氨酯涂层在冻融循环达到450次就基本丧失了防护功能。

3）冻融循环达到1000次时，涂覆聚氨酯涂层的水工混凝土总质量基本保持稳定，相对动弹模量整体在98%以上，混凝土与涂层间黏结牢固，表面无起鼓或开裂，涂层揭开后未出现剥落、粉化现象，说明聚氨酯涂层的防护效果较好。

4）冻融循环达到1000次时，涂覆涂层的混凝土相对动弹模量均≥90%，但不同涂层的防护效果存在明显差异[13-16]。因此，对于受冻融循环作用的水工混凝土抗冻性能，单一的利用相对动弹模量很难准确反映涂层的改善效果，应结合混凝土表面涂层下是否出现剥落、粉化现象以及混凝土与涂层间的黏结情况、涂层自身状态等综合判定。

3 结 论

1）聚氨酯涂层相比于沥青改性聚氨酯涂层，其玻璃化温度更低，防水汽透过性也更优。聚氨酯涂层既能有效抑制水分的渗透，降低冻融破坏程度，还具有优异的耐低温性，特别是在低温下的柔韧性更好，经多次冻融作用依然不会开裂，并且聚氨酯涂层与混凝土的黏结性良好，其改善混凝土抗冻性能更优。

2）冻融循环达到450次时，未涂覆涂层的水工混凝土相对动弹模量减小到40.5%，质量损失率达到0.18%，混凝土内部已出现冻融破坏；冻融循环达到1000次时，涂覆沥青改性聚氨酯涂层的水工混凝土质量反而增加0.51%，相对动弹模量整体在98%以上，这是由于涂层出现起鼓、开裂、剥落现象，外界水渗入使得涂层失去防护功能；冻融循环达到1000次时，水工混凝土与聚氨酯涂层间黏结牢固，表面无起鼓或开裂，涂层揭开后未出现剥落、粉化现象，聚氨酯涂层的防护效果较好，对改善混凝土抗冻性和长效性效果良好。

3）对于受冻融循环作用的水工混凝土抗冻性能，单一的利用相对动弹模量很难准确反映涂层的改善效果，应结合混凝土表面涂层下是否出现剥落、粉化现象以及混凝土与涂层间的黏结情况、涂层自身状态等综合判定。