混凝土涂層的抗滲性能

孫叢濤 ，康莉萍，趙　霞，李偉華

(1.中國科學院海洋研究所，青島　266071；2.西安建筑科技大學，西安　710055)

?

混凝土涂層的抗滲性能

孫叢濤1，康莉萍2，趙霞1，李偉華1

(1.中國科學院海洋研究所，青島266071；2.西安建筑科技大學，西安710055)

在未考慮涂層老化的條件下，通過透氣性、透水性及氯離子滲透性試驗研究了滲透型硅烷、復合型涂層(環氧底漆+環氧膩子+改性環氧中間漆+聚氨酯面漆)、成膜型環氧涂層和成膜型聚脲對混凝土抗滲性能的改善作用，分析了水膠比和粉煤灰的摻入對涂層及無涂層混凝土中氯離子滲透性能的影響。結果表明，復合型和成膜型涂層混凝土的透氣性指數基本為零，硅烷基本不影響低水膠比混凝土的透氣性能，而對高水膠比混凝土的透氣性有一定抑制作用；復合型和成膜型涂層的抗水滲透性能明顯優于滲透型涂層，且以聚脲防水性能最為優越；涂層可顯著提高混凝土的抗氯離子滲透性能，其中聚脲的改善效果最好，其次分別為復合型涂層、成膜型環氧涂層、硅烷；水膠比和粉煤灰的摻入對滲透型涂層混凝土抗氯離子滲透性能的影響較為明顯，而對其他涂層混凝土的影響甚微。

混凝土涂層； 透氣性； 透水性； 氯離子滲透性

1　引　言

高性能混凝土的應用是提高混凝土抗滲性的最根本方法，實踐經驗表明，僅僅依靠混凝土質量并不能保證結構的長期耐久性，即無法避免腐蝕破壞的發生，尤其在嚴酷條件下[2]。因此，對嚴酷環境中混凝土采取附加防護措施極為必要。目前可選用的附加措施主要有涂層鋼筋、陰極保護、鋼筋阻銹劑和混凝土涂層等，其中混凝土涂層最為簡單有效。混凝土涂層防護是在混凝土表面涂裝防護涂料，涂料或滲入混凝土內部形成憎水防護層，或封閉混凝土表面孔隙及缺陷，從而阻止或抑制外界水分及有害物質的侵入[3]，具有施工便捷、經濟高效等優點，是提高混凝土抗滲性及耐久性的重要途徑之一。

混凝土涂層按作用方式可分為滲透型(滲入混凝土內部形成憎水性防護層)、成膜型(在混凝土表面形成封閉隔離層)和復合型(滲入型與成膜型復合)[4-6]，其作用機理及對混凝土抗滲性的改善效果各有差異。Zhao等研究表明，在抗氯離子滲透方面，復合型涂層優于單一涂層[7,8]，成膜型涂層強于滲透型[5,7,9]。Buenfeld等[5]通過研究發現，復合型涂層在抑制氯離子擴散方面不如成膜型，且丙烯酸復合型涂層會加速氯離子的滲透。Guo等[10]則在研究中發現，成膜型涂層抗氯離子滲透性能強于滲透型，但隨著涂層的老化，逐漸弱于滲透型涂層。丁鑄等[11]的觀點認為滲透性涂料與成膜型涂料抗氯離子滲透性能無明顯差別，但滲透型涂層比成膜型的抗水滲透性能更優越。楊蘋等[12]卻發現成膜型涂層的抗氣和水滲透性能均強于滲透型，且Dang等[13]發現滲透型涂層的使用提高了混凝土的透氣性能。綜上所述，針對混凝土涂層的抗滲性能已開展了大量研究，由于涂層組分和復合方式呈現多樣化，且部分結論尚存在爭議，因此還需要繼續開展涂層抗滲性能方面的研究。

本文選取滲透型硅烷、復合型涂層、成膜型環氧涂層和成膜型聚脲為研究對象，通過透氣性、透水性及氯離子滲透性試驗(RCM試驗)研究各種涂層對混凝土抗滲性能的作用效果及機理，并基于涂層的防護作用，對比分析水膠比和粉煤灰的摻入對混凝土中氯離子滲透性能的影響。

2　試　驗

2.1試件制備

混凝土原材料為：普通硅酸鹽水泥(P·O42.5)，Ⅰ級粉煤灰，細度模數為2.9的河砂，粒徑為5～20 mm的碎石，聚羧酸型高效減水劑，自來水。混凝土配合比見表1。

表1混凝土配合比

Tab.1Mix proportion of concrete

MixproportionNo.Water-binderratioMaterialConsumption(kg/m3)CementFlyashSandStoneWaterWaterreducingagentA0.329412667111931262.05%B0.4266114672.51195.51521.04%C0.43800672.51195.51520.7%D0.522496687.61222.41600.8%

透氣性試驗試件為150 mm×150 mm×150 mm的立方體，試件成型拆模后置于標準養護室養護至28 d；RCM試驗初始試件為直徑100 mm、高度200 mm圓柱體，成型拆模后于標準養護室水中養護，養護至21 d時將初始試件加工成直徑100 mm、高度50 mm的標準試件，并用水砂紙等打磨光滑，繼續置于水中養護至28 d。

2.2試件涂裝

涂裝前首先用砂紙對試件表面進行打磨，然后用丙酮擦洗試件表面，除去表面臟污和油漬，干燥后分別按照廠家要求工序和推薦用量進行涂裝(見表2)，透氣性試驗試件涂刷其中一個側面，RCM試驗試件只涂刷一個切割面。涂裝完成后將試件置于溫度為(20±2)℃，相對濕度為50%±5%的條件下養護14 d，備用。試件編號見表3。

表2涂層涂裝工序

Tab.2Painting process of coatings

CoatingsNo.CoatingscategoryPaintingprocessConsumption(kg/m2)1SilaneFirstpainting0.35Secondpainting0.352ComplexEpoxyprimer0.1coatingsEpoxyputty0.3Modifiedepoxycoating0.26Polyurethanecoating0.123Film-formingFirstpainting0.26epoxycoatingsSecondpainting0.264PolyureaSpraying2

表3試件編號

Tab.3Specimens No.

MixproportionNo. CoatingsNo.ABCD0A0B0C0D01A1B1C1D12A2B2C2D23A3B3C3D34A4B4C4D4

注：0代表無涂層。

2.3透氣性試驗

本試驗利用Autoclam滲透性測試儀，依據所測氣壓隨時間的變化求得混凝土的透氣性系數。首先通過注射器向儀器主體內施加大于500 mbar的氣壓，氣壓隨著氣體向混凝土內部的滲透而逐漸降低，降低速率隨時間趨于平穩。通常0～5 min內氣壓波動較大，因此以6～15 min每隔一分鐘記錄的氣壓值作為試驗數據。所記錄氣壓值的自然對數與時間呈線性關系，將直線的斜率(即透氣性指數)作為評價混凝土透氣性的指標。

2.4透水性試驗

參照規范[14,15]中的方法，首先將涂料涂刷在石棉板上，涂刷完畢后養護14 d，然后將連接帶刻度玻璃管的漏斗(直徑為75 mm)密封粘貼到石棉板的涂層面，膠體固化后向玻璃管中注入蒸餾水至零刻度處，并在玻璃管頂部遮蓋中速濾紙，每間隔24 h記錄一次液面刻度，測試周期為7 d，最后根據玻璃管中液面的刻度差，按照式(1)計算涂層的透水量。

Q=(W2-W1)/(7×S)

(1)

式中：Q為透水量，g/d·cm2；W1為液面初始讀數；W2為液面最終讀數；S為漏斗底部面積。

2.5氯離子滲透性試驗

按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》[16]中的RCM法，將制備的涂層混凝土試件飽水后安裝到試驗裝置中，向其注入鹽溶液后通電加速氯離子在涂層混凝土中的遷移，通電結束后測試混凝土中氯離子遷移深度，最后根據測試結果計算氯離子遷移系數。

3　結果與討論

3.1涂層混凝土透氣性能分析

透氣性指數可反映O2、CO2、SO2等氣體在涂層混凝土中的滲透性能。隨著透氣性指數的減小，氣體滲入混凝土中的難度逐漸增大。圖1～4為根據試驗數據得到的混凝土氣壓值的自然對數與時間關系曲線。

圖1　A類混凝土試件的透氣性指數Fig.1　Gas permeability index of concrete specimens A

圖2　B類混凝土試件的透氣性指數Fig.2　Gas permeability index of concrete specimens B

圖3　C類混凝土試件的透氣性指數Fig.3　Gas permeability index of concrete specimens C

圖4　D類混凝土試件的透氣性指數Fig.4　Gas permeability index of concrete specimens D

從圖1～4可以看出，經復合型和成膜型涂層防護后，混凝土的透氣性指數基本為零，說明復合型和成膜型涂層完全封閉了混凝土表面孔隙，阻止了氣體向混凝土內部的滲透。而文獻[12]研究發現溶劑型涂料并不能完全阻止氣體的進入，可能是溶劑型涂料由于溶劑揮發而留下貫通的針孔及微孔隙，給氣體留出了擴散通道，從而使氣體進入[17]。本試驗所選復合型和成膜型涂料均為無溶劑涂料，在保證涂刷質量的基礎上能夠完全封閉混凝土界面孔隙。

圖1～3中直線A1與A0、B1與B0、C1與C0的斜率基本相同，說明滲透型涂層基本未改變混凝土的透氣性能，這與文獻[12]中研究結論基本一致。這是因為硅烷在毛細作用下滲透到混凝土表層毛細孔中，在混凝土表面和孔隙內壁上形成憎水膜，能有效阻止水分的滲入，而混凝土的毛細孔道并未被堵塞，混凝土仍然具有良好的透氣性能。但從圖4可以發現，混凝土透氣性指數因滲透型涂層的作用而明顯降低，即滲透型涂層對混凝土的透氣性起到一定抑制作用。

這可能是因為滲透型涂層對混凝土表面微孔隙的封閉作用阻止了氣體的滲透[18]。當混凝土水膠比較小時，這種阻礙作用較小，甚至很微弱；當水膠比較大時，混凝土內部孔隙率較高，涂層對氣體滲透的阻礙作用較為顯著。由此可見，滲透型涂層對混凝土透氣性的影響可能存在一個分水嶺，當混凝土孔隙率較低時，涂層基本不影響混凝土的透氣性能，當混凝土孔隙率較高時，涂層會降低混凝土的透氣性。

3.2涂層透水性能分析

水分在混凝土結構耐久性失效乃至破壞過程中發揮重要作用，為氯鹽侵蝕、鋼筋銹蝕、凍融破壞及其他腐蝕的發生提供了必要條件。因此，透水性是評價混凝土涂層防護效果的重要指標之一。圖5、圖6分別為不同涂層透水量隨時間變化曲線及涂層透水量計算結果。從圖中可以看出，復合型和成膜型涂層的抗水滲透性能明顯優于滲透型涂層，其中聚脲的抗水滲透性能最好，透水量基本為零，其次分別是成膜型環氧涂層和復合型涂層。因為聚脲是一種無溶劑高彈性厚膜型涂料，涂膜均勻、致密，且較厚，基本不存在溶劑型涂料常見的針孔，具有較強防水性能。

圖5　涂層透水量隨時間變化曲線 Fig.5　The variation curve of water flux for coatings with time

圖6　涂層透水量Fig.6　Water flux of coatings

除聚脲外的其他三種涂層在試驗初始階段透水速度較快，對于成膜型環氧涂層和復合型涂層主要是因為涂層中可能存在微孔隙和微裂縫，一旦將涂層浸沒于水中，涂層在壓力水頭和毛細作用下會快速吸水，所吸水分完全分散在涂膜中[17,19]。此外，擴散也是試驗初期水分在涂層中的重要傳輸方式[4,17]。隨著時間推移，復合型和成膜型環氧涂層經平穩過渡后呈緩慢增加趨勢，主要是因為開始時水分通過毛細微孔進入涂層中，達到擴散平衡后，透水量不再發生變化[19]，與此同時，水分可能會繼續微觀滲透，其量甚微，但隨著滲透的進行，可能出現分子鏈斷裂、顏料溶脹、破壞等現象，逐漸形成宏觀孔隙，從而導致透水量緩慢增加。

對于滲透型涂層而言，由于涂層具有透氣性，即混凝土部分氣孔是連通的，滲透型涂層主要是通過憎水作用阻止水分滲入，但在水壓或其它外力作用大于憎水力時，水分還是會滲透至混凝土內部[20]。因此在試驗初始階段，水分會以毛細吸附、壓力作用下滲透等形式進入涂層混凝土中，速度相對較快。隨后涂層透水量呈現勻速穩定上升趨勢，此時壓力作用下的滲透是水分在涂層中傳輸的主要途徑。

3.3涂層混凝土抗氯離子滲透性能分析

氯鹽侵蝕環境中，氯離子滲入到混凝土內部是引發鋼筋銹蝕的主要原因，因此氯離子是混凝土涂層重點抑制對象。通常條件下混凝土涂層并不能完全阻止氯離子的滲透[10,21,22]，氯離子會透過涂層，并通過涂層-基材表面向混凝土內部擴散，但氯離子在涂層內部的擴散速度遠小于在混凝土中的擴散，即表面涂層會延緩氯離子向混凝土內部滲透，但是當涂層表面破壞或者氯離子穿過涂層，且達到足夠濃度時，涂層的存在又會加速氯離子向混凝土內部的遷移[22]。本文以氯離子遷移系數表征涂層及無涂層混凝土的抗氯離子滲透性能。

圖7對涂層及無涂層混凝土的氯離子遷移系數進行了對比。從圖中可以看出，表面涂層可有效提高混凝土的抗氯離子滲透性能，但不同種類涂層的改善效果存在較大差異，復合型和成膜型涂層的改善效果明顯優于滲透型，且聚脲的作用效果最為顯著，氯離子擴散系數降低率為95.8%～97.2%，其次為復合型涂料，降低率為93.3%～96.1%，再次為成膜型環氧涂料，降低率為74.9%～92.5%，滲透型硅烷的改善效果最差，降低率為27.4%～63.2%。

從成膜型和復合型涂層在RCM試驗后表面形貌特征可以看出，涂層表面局部出現氣泡或者凸起，復合型和成膜型環氧涂層的氣泡主要集中在試件邊緣位置，而聚脲表面的凸起和氣泡分布相對較為均勻。文獻[3]指出，氯離子滲透是導致涂層失效的主要原因，由此推斷，氯離子在電加速作用下滲透至涂層-混凝土界面后，降低了涂層的附著力，從而使涂層出現氣泡或凸起現象，而氣泡或凸起出現的位置可能與涂層的膜厚有關。文獻[5]使用擴散室法進行涂層混凝土的氯離子快速滲透試驗時，也在成膜型涂層的表面發現凸起現象。

圖7　氯離子遷移系數對比圖Fig.7　Comparison chart of chloride migration coefficient

圖8　氯離子遷移系數隨水膠比變化Fig.8　The variation of chloride migration coefficient with water-binder ratio

3.4水膠比對混凝土抗氯離子滲透性能的影響分析

圖8為水膠比對涂層及無涂層混凝土氯離子遷移系數的影響。從圖中可以看出，對于涂層和無涂層混凝土，水灰比越小，其氯離子遷移系數越小，抗氯離子滲透性能越好。原因是隨著水膠比的減小，混凝土內部孔隙率降低，使得氯離子傳輸的通道減少。水膠比對無涂層混凝土抗氯離子滲透性能的影響較為顯著，但對涂層混凝土氯離子遷移系數的影響明顯降低，尤其對于復合型和成膜型涂層混凝土，其影響甚微。隨著水膠比的增大，滲透型涂層對混凝土氯離子遷移系數的影響呈現更為顯著之勢，尤其當水膠比由0.4變為0.5時，氯離子遷移系數降低率由34.2%升至63.2%，降低率大幅提高。通過圖8還可以看出，雖然降低水膠比對無涂層混凝土抗氯離子滲透性能的提高較為明顯，但涂層的改善效果更為顯著，即涂層防護比降低水膠比更有利于提高混凝土的抗氯離子滲透性能。

3.5粉煤灰對混凝土抗氯離子滲透性能的影響分析

圖9　粉煤灰對氯離子遷移系數的影響Fig.9　The influence of fly ash on chloride migration coefficient

圖9以B類和C類混凝土為例給出了粉煤灰對涂層及無涂層混凝土氯離子遷移系數的影響。從圖中可以看出，摻入粉煤灰后涂層和無涂層混凝土的氯離子遷移系數均有所降低，其原因一方面因為粉煤灰的摻入改善了水化產物在水泥石-骨料界面中的排列方式，優化了微觀結構，粉煤灰顆粒和生成的水化硅酸鈣凝膠填充了微空隙，從而有效提高了混凝土的密實性；另一方面由于粉煤灰較為特殊的空間結構特征，使其具有較強初始固化能力，且混凝土中二次水化產物也顯著增強了混凝土的氯離子固化性能，從而一定程度上抑制了混凝土中氯離子的遷移。粉煤灰的摻入對于無涂層和滲透型涂層混凝土抗氯離子滲透性能均有較為明顯提高，但對于復合型和成膜型涂層混凝土抗氯離子滲透性能的改善作用并不顯著。從圖9可以看出，相對粉煤灰對混凝土抗氯離子滲透性能的提高，涂層的改善作用占明顯主導地位。

4　結　論

本文在未考慮涂層老化的條件下，通過試驗研究了不同種類涂層對混凝土透氣性、透水性及抗氯離子滲透性能的改善作用，并結合涂層的作用效果分析了水膠比和粉煤灰的摻入對氯離子滲透性能的影響，得出如下結論：

(1)復合型和成膜型涂層混凝土的透氣性指數基本為零，滲透型涂層基本未改變低水膠比混凝土的透氣性能，而對高水膠比混凝土的透氣性有一定抑制作用；

(2)復合型和成膜型涂層的抗水滲透性能明顯優于滲透型涂層，且以聚脲防水性能最為突出；在一定水壓作用下，硅烷的防水性能有所降低；

(3)涂層可顯著提高混凝土的抗氯離子擴散性能，其中聚脲的改善效果最好，其次為復合型涂層，再次是成膜型環氧涂層，最后是滲透型硅烷；

(4)水膠比的降低可以顯著提高無涂層混凝土抗氯離子滲透性能；涂層混凝土的氯離子遷移系數對水膠比的敏感性明顯降低，尤其是成膜型和復合型涂層混凝土；

(5)粉煤灰的摻入使得混凝土氯離子遷移系數有所降低，其影響對于無涂層和滲透型涂層混凝土較為明顯，而對成膜型和復合型涂層混凝土影響甚微。

[1]趙鐵軍. 滲透型涂料表面處理與混凝土耐久性[M]. 北京：科學出版社，2009.

[2]洪乃豐. 氯鹽引起的鋼筋銹蝕及耐久性設計考慮[M].混凝土結構耐久性設計與施工指南. 北京：中國建筑工業出版社，2004:87-100.

[3]呂平．海洋環境混凝土防護用新型聚天冬氨酸酯聚脲涂層的研究[D]．青島：中國海洋大學學位論文，2007．

[4]Zhang J Z,Mcloughlin I M,Buenfeld N R.Modelling of chloride diffusion into surface-treated concrete[J].CementandConcreteComposites，1998,20:253-261.

[5]Buenfeld N R,Zhang J Z.Chloride diffusion through surface-treated mortar specimens[J].CementandConcreteResearch,1998,28(5):665-674.

[6]杜攀峰. 混凝土防腐涂料的抗氯離子侵蝕性能研究[D].杭州：浙江大學學位論文，2007.

[7]Zhao Y X,Du P F,Jin W L.Evaluation of the performance of surface treatments on concrete durability[J].JournalofZhejiangUniversity-ScienceA,2010,11(5):349-355.

[8]Han Y M,Dong G S,Doo S C.Evaluation of the durability of mortar and concrete applied with inorganic coating material and surface treatment system[J].ConstructionandBuildingMaterials,2007,21:362-369.

[9]Medeiros M H F,Helene P.Surface treatment of reinforced concrete in marine environment Influence on chloride diffusion coefficient and capillary water absorption[J].ConstructionandBuildingMaterials,2009,23:1476-1484.

[10]Li G,Yang B Y,Guo C S,et al.Time dependence and service life prediction of chloride resistance of concrete coatings[J].ConstructionandBuildingMaterials,2015,83:19-25.

[11]丁鑄，李虹燕，程達科，等．保護涂料對混凝土滲透性能的研究[J]．工業建筑，2008(38增刊): 794-798．

[12]楊蘋，李偉華，趙鐵軍. 不同表面涂層對混凝土的防護效果[J].硅酸鹽學報，2012，40(11)：1613-1617．

[13]Dang Y D,Xie N,Amanda K,et al.Accelerated laboratory evaluation of surface treatments for protecting concrete bridge decks from salt scaling[J].ConstructionandBuildingMaterials,2014,55:128-135.

[14]中國國家標準化管理委員會. GB/T 9779-2005《復層建筑涂料》[S]. 2005.

[15]山東省質量技術監督局. DB37/T 2318-2013 《海洋鋼筋混凝土結構重防腐涂料評價方法》[S]. 2013.

[16]中華人民共和國住房和城鄉建設部. GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》[S]. 北京：中國建筑工業出版社, 2009.

[17]楊麗霞, 張三平, 林安，等. 有機涂層滲水率及金屬界面腐蝕的研究進展[J].材料保護, 2001,34(10): 28-30.

[18]Ricky S C Woo,Honggang Zhu,Michael M K Chow,et al.Barrier performance of silane-clay nanocomposite coatings on concrete structure[J].CompositesScienceandTechnology,2008,68:2828-2836.

[19]楊麗霞，李曉剛，程學群，等. 水、氯離子在丙烯酸聚氨酯涂層中的擴散傳輸行為[J].中國腐蝕與防護學報，2006,26(1):6-10.

[20]孫高霞，孫紅堯，陸采榮. 滲透性有機硅表面防護涂料的研究及應用現狀[J].腐蝕與防護，2009,30(7):442-446.

[21]Almusallam A A,Khan F M,Dulaijan S U,et al.Effectiveness of surface coatings in improving concrete durability[J].CementandConcreteComposites,2003,25:473-481.

[22]Mehdi Khanzadeh Moradllo,Mohammad Shekarchi,Meghdad Hoseini.Time-dependent performance of concrete surface coatings in tidal zone of marine environment[J].ConstructionandBuildingMaterials,2012,30:198-205.

Permeability Resistance of Concrete Coatings

SUNCong-tao1,KANGLi-ping2,ZHAOXia1,LIWei-hua1

(1.Institute of Oceanology Chinese Academy of Sciences,Qingdao 266071,China；2.Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an 710055,China)

The influence of silane, complex coatings(Epoxy primer, Epoxy putty, Modified epoxy coating, Polyurethane coating), film-forming epoxy coatings and polyurea on permeability resistance of concrete were studied by the tests of gas permeability, water permeability and chloride permeability, and the influence of water-binder ratio and fly ash on chloride permeability of coated and uncoated concrete were analyzed on the condition that aging of coating was not considered. The results show that the gas permeability index of concrete with complex and film-forming coatings are virtually nil, silane almost has no effect on gas permeability of concrete with low water-binder ratio, but some adverse effect on the ones with high water-binder ratio. The water permeability resistance of complex and film-forming coatings are superior to silane, and polyurea works best. Coatings can significantly improve chloride permeability resistance of concrete, and the effect order from strong to weak is polyurea, complex coatings, film-forming epoxy coatings and silane. Water-binder ratio and fly ash have significant effect on chloride permeability resistance of concrete coated with silane, but very little effect on the ones coated with the other coatings.

concrete coatings；gas permeability；water permeability；chloride permeability

國家自然科學基金青年基金(51108442)；中國博士后基金(2012M521380)；山東省博士后創新基金(201203106)

孫叢濤(1979-)，男，博士后.主要研究方向為混凝土結構腐蝕與防護.

TU528

A

1001-1625(2016)05-1378-07