【摘要】我国很多地区冬季混凝土冻融循环破坏非常严重,沿海地区尤为严重,因此本文通过对混凝土进行涂层保护来提高混凝土的抗冻融性能。本试验主要研究一种新型的绿色涂料喷涂聚脲弹性体材料对混凝土抗冻融性能的影响。
【关键词】冻融循环;涂层;喷涂聚脲弹性体
0前言
为了方便交通,在下雪后向路面撒除冰盐,使混凝土由于冻融循环和除冰盐的共同作用而过早破坏。沿海地区由于海水中含有很高的盐分,因此附近的建筑物和桥梁在冬季由于受冻融循环的影响而加速破坏。据国外调查[ 1 ] ,凡使用除冰盐的桥梁, 15年左右出现腐蚀破坏,英国为修复因除冰盐腐蚀破坏的桥梁,已花费62亿英镑等。解决这些问题的途径是采用优质的混凝土,或采用合成高分子涂层对混凝土进行保护。喷涂聚脲弹性体( Sp ray Polyurea, 以下简称SPUA)技术是近10年来国外为适应环保需求而研制开发的一种新技术。在我国,海洋化工研究院于1995年开展SPUA技术的前期探索研究,并于1999年开始投入商业生产。我们与该院合作开展了该技术在建筑中的应用研究,结果表明, SPUA材料可以很好地提高混凝土的抗冻融性。
1 SPUA的性能特点与经济性评价
(1) 无毒性。100%固含量,不含有机挥发物,符合环保需求,适合在密闭狭小的空间施工。
(2) 优异的综合力学性能。拉伸强度最高达27.5MPa,伸长率最高可达10000% , 撕裂强度为4319～105.4kN /m。可根据不同应用场合的需求,在很宽范围内对硬度进行调节。
(3) 良好的不透水性。0. 3MPa压力下2h不透水,材料无任何变化[ 2 ]。
(4) 附着力强。SPUA与多种底材(如混凝土、砂浆、钢材、沥青、塑料、铝及木材等)都有良好的附着力。附着力强度超过SPUA自身强度的体系。
(5) 固化快。SPUA反应速度极快, 5 s凝胶, 1min即可达到步行强度并可进行后续施工,使施工效率大大提高。SPUA材料由于固化快,可避免一般喷涂材料由于表干时间较长,多层喷涂间隔时间长,影响施工进度及涂层质量。固化快速还解决以往喷涂工艺中易产生的流挂现象,可在任意曲面、斜面及垂直面上喷涂成型,涂层表面平整光滑,可对基材形成良好的保护和装饰效果[ 3 ]。
(6) 户外耐老化性能。由于不含催化剂, SPUA材料耐老化性能优异。虽然芳香族SPUA材料会出现泛黄和褪色,但是绝无粉化和开裂现象出现。表1是芳香族SPUA材料经过50℃人工加速老化试验前后的性能变化,脂肪族SPUA材料的耐老化性能则更好[ 4 ]。
(7) 经济性评价。传统防护材料及施工的总造价以50元/m2 计,恶劣条件使用期限一般不超过1年。SPUA材料及施工的总造价以150元/m2 计,恶劣条件使用期限为20年。SPUA技术具有技术性能和经济性能双方面的优势。
2 试验方法
2.1 原材料与混凝土的配合比
试验水泥用为P·O 32. 5;细骨料采用表观密度为2.64g/ cm3 ;中砂,颗粒级配良好的河砂;粗骨料选用碎石,表观密度2. 62 g/ cm3 ,最大粒径30cm;涂料选用SPUA和聚氨酯材料。本次试验中设计的水灰比为0. 45的素混凝土,配合比见表2。强制搅拌机搅拌,机械振动,钢模成型,振动密实,24h后脱模,移入温度20 ±3℃,相对湿度≥90%的标准养护室中养护。
2.2 冻融循环实验
混凝土的冻融循环试验按照GBJ82 - 85《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》中抗冻性能试验的“快冻法”进行。溶液浓度对混凝土的除冰盐剥落性能影响较大,浓度过高和过低混凝土剥落都会减小,即存在一个临界质量分数。文献报道的临界质量分数一般为3.0% ～4.0%[ 5 ] ,本试验采用3. 5%的质量分数,与海水中盐的浓度一致。
2. 3基材处理
由于本试验要对混凝土进行涂层,因此,在养护24d时,将配制0. 5的水泥净浆,用刮刀将水泥净浆涂覆在润湿试块上,将试块的空洞及缺陷抹平,直至试块表面无孔且平整。待将所有的试件处理好后放在自然环境中凉干,然后再在试件表面涂环氧底漆,以提高SPUA 材料与混凝土的粘结性能。上述工作完成后,实施喷涂,涂层厚度为0.5～1mm。喷涂后试件放在自然环境下养护4～5d后开始试验。在实际工程中,可根据底材和气候条件,采用专用的配套底漆进行基材处理,达到平整度要求后,再喷涂施工。
2. 4检测准则
GBJ82 - 85规定遇到下列情况之一即可停止试验: ①已达到300次冻融循环; ②相对动弹性模量下降到60%以下;③质量损失率≥5%。
3 试验结果与分析
3.1试件在NaCl溶液中冻融循环后质量的变化图1列出不同涂层和无涂层混凝土试件在3.5%NaCl溶液中冻融循环过程中的质量损失规律。在NaCl溶液冻融破坏中,无涂层混凝土小于100次冻融质量损失超过5%而达到破坏。混凝土在NaCl溶液中遭受冻融循环质量损失非常严重。试件剥落最为严重的是成型面,并且剥落也是先从成型面开始的,剥落速度也比其它面快。涂聚氨酯的试件在刚开始质量有所下降,但到后来质量开始增加。在开始质量下降可能是由于涂层隔断了混凝土与外界的联系,外面的水分不能进入混凝土,而混凝土内部由于反应及失水造成混凝土质量下降。其它原因都不可能使其质量下降。
3 .2 试件在NaCl溶液中冻融循环后动弹性模量的变化图2是不同涂层及无涂层试件在NaCl溶液中冻融循环后横向基频变化情况。图3是不同涂层及无涂层试件动弹性模量变化图。从图2、图3可看出无涂层混凝土试件的动弹性模量下降很快,而两种涂层混凝土试件的动弹性模量下降缓慢,近乎一条直线。可见混凝土内部几乎没有开裂。两种涂层混凝土试件是满足抗冻要求的。但是,聚氨酯涂层所表现出来的耐冻融性比聚脲的要差。虽然聚氨酯涂层混凝土动弹性模量的变化不大,但是其质量却有增加,这说明外界水分已经渗透进混凝土内部,这将会降低混凝土的耐久性。而涂聚脲的混凝土的动弹性模量和质量都几乎没有变化,显然聚脲涂层要比涂聚氨酯涂层更具有耐久性。为了保证涂层能对混凝土起到保护作用,保持涂层的完整和连续是十分重要的。如果涂层有破损,整个涂层就会丧失对混凝土的保护功能。所以,试验和施工过程中,一道喷涂结束后,应对破损或涂层针孔进行修补,然后再喷涂,直到涂层完整没有孔洞及破损,并达到规定厚度,才能使用。
4 结语
(1) 混凝土的除冰盐和冻融循环双重作用可以加速混凝土的腐蚀破坏,对于无涂层混凝土,其破坏首先从成型面开始。在NaCl溶液中冻融循环后试件质量和动弹性模量都有很大程度的下降。
(2) 涂层对混凝土的抗冻融性能有很大的提高。用SPUA材料做涂层的混凝土在试验中表现出很高的抗冻融能力,经历275个循环后质量几乎没有变化,相对动弹性模量略有下降,但是下降得不大。而聚氨酯涂层的混凝土虽然相对动弹性模量也下降得不多,但是质量却增加,可见外界的溶液已经渗透进混凝土,将会降低混凝土的耐久性。因此SPUA材料可以很好提高混凝土的抗冻融性。
参考文献：
[1] 李一兵,王玲,黄志远. 水泥混凝土路面受除冰盐破坏的研究[ J ]. 西部探矿工程, 2002, (5) .
[2] 吕平,黄微波. 喷涂聚脲弹性体在建筑中的应用[ J ]. 施工技术, 2000, (4) .
[3] 吕平,黄微波. 喷涂聚脲弹性体材料的特点及应用技术[ J ]. 建筑技术, 2000, (4) .
[4] 吕平,等. SPUA防水隔热喷涂技术[ J ]. 低温建筑技术, 2001,(3) .
[5] 慕儒,谬昌文,田倩,李建平,孙伟. 氯化钠溶液环境中混凝土的抗冻性[ J ]. 水利水电施工, 2001, (4) .
