水性氟碳涂料對混凝土防護作用的研究

鄭　焱，毛倩瑾，王亞麗，王子明，崔素萍

(北京工業大學材料科學與工程學院，北京 100124)

隨著工程建設的發展，混凝土結構耐久性問題日益突出。對混凝土表面進行涂覆處理，是提高混凝土耐久性的有效措施[1]。有機聚合物具有較好的粘接性、防水性、抗酸堿性以及較好的滲透性[2]，是目前用于建筑物保護的主要材料。隨著人們對環保的重視，水性防護涂料將取代溶劑型涂料成為今后的發展方向。其中，氟碳樹脂耐候性突出[3-5]、綜合性能優越，硅丙乳液滲透性好，具有良好的應用前景[6]。

本研究主要介紹水性氟碳面漆與硅丙乳液底漆結合的涂刷工藝。水性硅丙乳液的滲透性好且價格低于氟碳乳液，代替水性氟碳乳液做底漆需研究其可行性。目前沒有關于這種涂刷工藝的應用介紹，因此系統研究了厚度和黏度等因素對涂層性能的影響及微觀表征2種涂層的界面結合情況。選擇幾種常用的涂刷工藝與水性硅丙乳液底漆加氟碳乳液面漆進行對比，測試混凝土抗氯離子滲透性能，并探討了涂層與混凝土界面的結合情況對耐久性的影響，及涂層黏度、厚度等因素對涂層防護性能的影響。

1　試驗部分

1.1　試劑與設備

試劑：水性氟碳乳液底漆、水性氟碳乳液面漆，北京富亞涂料有限公司；環氧封閉底漆，北京力龍涂料有限公司，型號LT-128；有機硅改性純丙乳液(硅丙乳液)，固含量為(48±2)%，北京市通州互益化工廠。

試驗儀器：混凝土真空飽水機，中國建筑材料研究總院；混凝土抗氯離子滲透測試儀，中國建筑材料研究總院；SEM掃描電鏡，日本電子株式會社；涂-4黏度計，北京宏昌信科技有限公司；超聲波漆膜測厚儀，珠海天創儀器有限公司。

1.2　混凝土的吸水率測試[7]

試件分為2組，一組為基準混凝土試件，另一組為涂刷涂料的混凝土試件。試件涂刷涂料后放置2 d，待測。測試前將所有試件在50 ℃下烘干至恒重，取出并在干燥器中冷卻至室溫，稱重M0，然后浸入水中，到一定時間稱重Mi，按式(1)計算試件的吸水率Wi。

Wi=[(Mi-M0)/M0]×100%

(1)

1.3　抗氯離子滲透試驗

按照《GBT 50082-2009 普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中介紹的快速氯離子遷移系數法進行測試。試驗方法如下：分別配制質量分數為10%的NaCl溶液、0.3 mol/L的NaOH溶液及飽和的Ca(OH)2溶液。顯色指示劑為0.1 mol/L的AgNO3溶液。制備φ100 mm×100 mm的混凝土試塊，從試件中部切取高度為(50±2)mm的圓柱體作為試驗用試件，并將靠近澆筑面的試件端面作為暴露于氯離子溶液中的測試面(測試面的選擇本研究有所改動)。試驗步驟：首先將試件從養護池中取出并擦干試件表面多余的水分。然后采用游標卡尺測量試件的直徑和高度。將試件置于真空容器中進行真空處理，過程中保持真空度小于5 kPa，時間為3 h，然后將飽和氫氧化鈣溶液注入容器，溶液高度應保證將試件浸沒。浸沒1 h后恢復常壓，繼續浸泡(18±2) h。處理后將試塊取出吹干，將試塊安裝于氯離子滲透測試儀中。在裝有試塊的橡膠套中加入氫氧化鈉溶液，高度與測試箱中的氯化鈉溶液持平。打開電源進行測試，測試時間24 h,施加電壓為30 V。試驗完成后將試塊沿軸線切開，噴灑硝酸銀指示劑，測量顯色分界線與表面的距離，精確至0.1 mm，測量值占試件高度的百分數為試塊的氯離子滲透深度。

用混凝土的內部切面代替表面做涂層測試面。相對表面而言，混凝土的內部在成形過程中受外界因素影響相對較少，試驗數據的穩定性與可重復性更好。混凝土切面與表面的抗氯離子滲透性能測試結果表明，切面作為測試面時混凝土的滲透深度高于表面的值，但試驗數據具有更好的重復性。

1.4　涂料的黏度測試

按照《GB/T1723-93涂料黏度測定法》中介紹的涂-4黏度計法進行測試。按規定清潔、干燥黏度計，使用水平儀，調節水平螺釘，使黏度計處于水平位置。在黏度計漏嘴下放置150 mL搪瓷杯。用手指堵住漏嘴，將試劑倒滿黏度計中，用玻璃棒或玻璃板將氣泡和多余試樣刮入凹槽。迅速移開手指，同時啟動秒表，待試樣流束中斷時立即停止秒表。秒表顯示的時間為試樣的流出時間，可據此換算成黏度。重復測試，2次測試值之差不大于平均值的3%。取測定值的平均值為測定結果。

2　結果與討論

2.1　涂刷不同底漆、面漆對混凝土吸水率的影響

混凝土的吸水率可以有效的評價防護涂層的封閉性能，試驗方法簡捷、周期短[7]。以下分別研究涂刷不同底漆對混凝土吸水率的影響，如圖1所示；涂刷不同面漆對混凝土吸水率的影響，如圖2所示。

圖1　涂刷3種底漆的混凝土試件在不同浸水時間的吸水率Fig.1　Bibulous rate of concrete brushed three kinds of bottom paint at different soaking time

圖2　涂刷2種面漆的混凝土試件在不同浸水時間的吸水率Fig.2　Bibulous rate of concrete brushed two kinds of primers at different soaking time

由圖1可知，單獨涂刷面漆時3種涂層中環氧封閉底漆的使用可以更好地降低混凝土吸水率。

由圖2可知，單獨涂刷2種底漆時，氟碳乳液底漆的使用時混凝土吸水率下降較多。綜合分析，分別涂刷不同種類的底漆和面漆雖然都能降低混凝土的吸水率，但下降的幅度相差不大。因此通過研究混凝土的吸水率來研究各涂層防護性能所得到的結論無明顯的對比性。

2.2　不同涂刷工藝對混凝土抗氯離子性能的影響

為了表征水性硅丙乳液底漆與水性氟碳面漆組合使用的涂刷工藝的防護性能，此部分選擇了目前工程應用較多的幾種涂刷工藝如表1所示，與此涂刷工藝進行對比，測試其混凝土抗氯離子滲透性能得到的試驗結果如圖3所示。

表1　5種涂刷工藝Table 1　Five kinds of painting process

圖3　不同組合的底漆和面漆對混凝土抗氯離子滲透性能的影響Fig.3　Effect of combination of the primers and topcoatson chloride permeability of concrete

由圖3可知，涂刷防護涂層可以有效地增強混凝土的抗氯離子滲透性能。其中3號涂刷工藝的防護性能與其他3組的防護性能相比沒有明顯的差距。與2號相比，3號選用的面漆氟碳乳液的耐候性能優異[8-11]，因此面漆應用氟碳乳液代替硅丙乳液可大大提高涂層的服役壽命；與4號相比，水性硅丙乳液底漆的成本要低于氟碳乳液底漆且測試得到的結果前者稍優于后者；與5號相比，環氧封閉底漆為溶劑型，對環境影響較大?？紤]到氟碳乳液有著優異的耐候性及抗腐蝕性能，使用氟碳面漆可以增加涂層的使用壽命。因此底漆為硅丙乳液、面漆為氟碳乳液的涂刷方式有較好的防護性能且環境友好、節約成本等優點。

2.3　涂層的成膜性能及與界面的混凝土的結合情況

以水性硅丙乳液底漆為例，研究涂層在混凝土界面的成膜情況及界面結合情況。將涂刷了水性硅丙乳液底漆的混凝土試塊切開觀察其斷面，如圖4所示。

圖4　涂刷水性硅丙乳液底漆的混凝土試塊斷面的掃描電鏡形貌Fig.4　SEM morphology of the cutting face for concrete with silicon acrylics-acid emulsion painting

圖4中上方的深色且質地均勻的物質為防護涂層，下方凹凸不平的部分為混凝土?？梢园l現涂層與混凝土界面結合得十分緊密，沒有裂縫或孔隙存在。并且可以觀察到水性硅丙乳液底漆可以形成致密、光滑的漆膜。

2.4　黏度對涂層防護性能的影響

涂層的黏度可直接影響其成膜厚度、涂層的流動性及其成膜時間等因素。但考慮到與混凝土表面直接接觸成膜的主要是底漆，面漆通過底漆滲透進入混凝土的量很少，因此底漆的黏度及其滲透性能是影響涂層體系防護性能的主要因素。通過調節出不同黏度的水性硅丙乳液底漆，涂刷相同的厚度(100 μm±10 μm)并進行混凝土抗氯離子滲透試驗，研究黏度對涂層防護性能的影響。得到的結果如圖5所示。

圖5　涂層黏度對其混凝土抗氯離子滲透性能的影響Fig.5　Relationship between viscosity and the chloride ion permeability-resistance property of concrete

由圖5可見，涂刷相同厚度時黏度對涂層的防護性能影響很小。涂料黏度越小流動性越好。觀察試驗現象時發現黏度為122和183 mm2/s相對較大的2組涂層經過氯離子滲透測試后，出現鼓泡現象。分析原因為在混凝土表面，涂層可以形成致密且均勻的涂膜，但黏度過大時其無法通過混凝土的孔隙滲透進入混凝土內部從而填補裂縫，使得孔隙中仍存有大量的空氣[12]。當試塊浸泡在水中時，壓強的變化使得混凝土內部的空氣向涂層施壓，因此產生了涂層鼓泡的現象。而黏度小的幾組則無此現象，主要是由于黏度小的涂料流動性較好，可以滲透進入混凝土孔隙填補孔隙從而排出孔隙中的空氣。在進行混凝土抗氯離子滲透試驗過程中，對試塊進行真空飽水處理及接下來的浸泡時都沒有鼓泡現象產生。因此可以判斷，若防護涂層應用于需長期浸泡在水中的環境時，其底漆黏度最好小于122 mm2/s，從而可以避免因長期浸泡于水中而產生起泡、破裂等現象，使涂層有最佳的防護效果。而當涂刷相同的厚度時，涂料的黏度對混凝土抗氯離子性能的影響很小。

2.5　厚度對混凝土防護性能的影響

由于涂層起到對混凝土的防護主要表現在其可以封閉混凝土表面的孔隙，因此理論上涂層的防護性能應隨著涂層厚度的增大而增大。而在實際的應用中，考慮到成本及涂刷工藝的簡便等因素不會不計成本的涂刷涂料。此部分主要研究了涂層厚度對其防護性能的影響及實際應用中涂層涂刷厚度的合理范圍。

通過測定涂刷不同厚度的水性硅丙乳液底漆的混凝土抗氯離子滲透深度來研究涂層厚度對其混凝土防護性能的影響。在涂層厚度為62和401 μm之間選擇11個點，測試其混凝土抗氯離子性能，結果如圖6所示。

圖6　涂層厚度對其混凝土抗氯離子性能的影響Fig.6　Relationship between thickness of coating and the chloride ion permeability-resistance property of concrete

由圖6可見，隨著涂層厚度的增加其混凝土抗氯離子滲透的性能越好。從厚度為280 μm開始，其性能的增加趨勢減小。當厚度小于80 μm左右時，涂層的防護性能較弱。由此可見在涂層厚度較小時，其對混凝土防護性能的影響很大。厚度過小，涂層無法發揮其明顯的防護性能。

選擇涂刷工藝為涂刷水性硅丙乳液底漆、水性氟碳面漆，通過分別改變底漆、面漆的涂刷次數來改變涂層的厚度，其中涂刷1次底漆涂層厚度約為65 μm，涂刷1次面漆涂層厚度約為70 μm。得到測試結果如圖7所示。

圖7　涂刷不同層數底漆和面漆對混凝土抗氯離子滲透深度影響Fig.7　Effect of painting times of primers and topcoats on chloride ion permeability-resistance property of concrete

由圖7可見，當涂刷相同次數的涂層，底漆的次數越多其防護性能越好。涂層底漆的厚度對涂層防護性能的影響要大于面漆。當涂刷2層底漆和2層面漆后，再增加底漆或面漆的涂刷次數對其抗氯離子性能的增加影響較小?？紤]到成本與涂層性能，涂刷2層底漆及2層面漆的涂刷工藝較好。而此時測定的涂層厚度為300 μm?？紤]到涂層涂刷過程中如人工涂刷厚度不均等因素，實際施工中涂刷水性硅丙乳液底漆及氟碳乳液面漆的涂刷工藝涂層厚度在280～350 μm之間較好。

3　結論

1)水性硅丙乳液底漆加水性氟碳乳液面漆的涂刷工藝防護性能較好，涂刷1次底漆涂層厚度約為65 μm，涂刷1次面漆涂層厚度約為70 μm，涂刷2層底漆及2層面漆的涂刷工藝時，滲透深度為6.7%。涂層與混凝土界面的結合緊密且涂膜均勻、致密；研究涂層防護性能過程中，測定混凝土抗氯離子性能比測定混凝土吸水率所得結果對比性強。

2)各類涂料對吸水率影響不大，通過研究混凝土的吸水率來研究各涂層防護性能所得到的結論無明顯的對比性。

3)黏度影響涂料對基材的滲透性及涂層的附著性，對涂層防護性能的影響較小。

4)涂層厚度較小時，厚度對涂層防護性能的影響較大，涂層厚度為280～350 μm，防護性能較好。

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