表面涂層對混凝土吸水性能的影響

劉 芳，熊 銳，鐘勇強

(1.淮陰工學院交通工程學院，淮安 223003;2.長安大學材料科學與工程學院，西安 710061)

0 引 言

混凝土結構在服役過程中經常遭受各種復雜的環境因素，出現多種形式的劣化，導致許多混凝土結構在壽命期內因耐久性不足而被破壞，造成巨大經濟損失[1-2]。大量研究[3-7]從混凝土內部采取措施，如改進混凝土的組分，添加各種外摻料來提高混凝土的耐久性，也有研究，針對混凝土結構所處的環境采取強化保護措施，如涂制涂層來提高混凝土的耐久性。Almusallam等[8]研究表明，聚氨酯涂層抵抗氯離子擴散和水的滲透效果最佳。

混凝土涂刷表面涂層后，能在混凝土表面形成致密的防水封閉層，阻止外界腐蝕介質的侵入，因此試件吸水性能是一種比較直觀地評價涂層屏蔽效果的方法。研究者針對涂層對混凝土吸水行為的影響，已經開展了一些研究。Diamanti等[9]以吸水率作為評價指標，研究了兩種不同聚合物與水泥比率的聚合物改性水泥砂漿涂層對混凝土吸水性能的影響，結果表明，涂層作為一個物理屏障，大大減少水分進入混凝土內部，阻礙混凝土吸水。阮崢等[10]采用吸水系數來評價兩種水性環氧涂層對混凝土吸水性能的影響，結果表明，吸水系數隨著涂層厚度的增加而減小。楊蘋等[11]采用成膜型涂料、滲透型涂料以及兩種涂料復合對混凝土表面進行處理，試驗結果發現，三種涂料都有效降低了混凝土的吸水率，防水效果顯著。吳士軍等[12]的研究結果表明，水性氟碳涂層混凝土的吸水率較溶劑型氟碳涂層混凝土的大。

盡管關于涂層對混凝土吸水行為的影響已經有了一定的研究，但都沒有系統研究涂層對吸水性能的影響，本文選用四種成膜型的表面涂層，以吸水率為評價指標，研究涂層的種類、厚度，以及不同水灰比的混凝土涂刷涂層后對混凝土吸水性能的影響，研究成果對提高混凝土耐久性措施的選擇具有一定的實際參考價值及經濟效益。

1 實 驗

1.1 原材料

(1)水泥

水泥采用江南水泥廠生產的“鐘山”牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其物理力學特性見表1。

表1 水泥的物理力學特性Table 1 Physical and mechanical properties of cement

(2)粗集料和細集料

粗集料為5～25 mm的連續級配碎石，表觀密度為2.7 g/cm3，針片狀含量為2%(質量分數)，壓碎值為20.8%。細集料為河砂，表觀密度為2.59 g/cm3，細度模數為3.0。

(3)表面涂層

表面涂層的性能和防腐蝕保護作用的發揮是各組分間相互作用的最終結果[13]。本文采用四種以物理方式成膜(利用自身成膜來屏蔽外界的腐蝕介質)的表面涂層：乳膠涂層R、橋梁涂層B、氟碳涂層F、聚氨酯涂層S。其中R、B、F、S的用量分別為(10±0.5) m2/L、8～10 m2/kg/遍、5～6.6 m2/kg/遍、155～175 g/m2。文中的空白件表示沒有涂刷涂層的混凝土試件；R一遍、R兩遍、R三遍分別表示表面涂層R的涂刷遍數；B、S、F涂層表示方法與涂層R相同。

(4)混凝土

混凝土的配合比及強度見表2。

表2 混凝土的配合比及強度Table 2 Mix proportion and strength of concrete

1.2 試驗方法

按表2的混凝土配合比成型尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的試件，放入標準養護室，1 d后拆模，養護至28 d取出，在試驗室環境下靜置7 d，用鐵砂紙打磨試件的表面再用毛刷刷去表面的灰塵，為試驗備用。

表面涂層在涂刷之前，先刷一遍與表面涂層對應的底涂層，4 h后再刷表面涂層，每遍表面涂層的間隔時間為4～6 h，7 d后將涂刷表面涂層的試件及空白件在70 ℃下烘干至恒重，冷卻至室溫后，稱其質量，記為M0，然后浸入水中，到一定時間稱其質量，記為Mi，按公式(1)計算試件的吸水率Wi。

Wi=(Mi-M0)/M0×100%

(1)

2 結果與討論

2.1 涂層種類對混凝土吸水率的影響

涂刷不同表面涂層的混凝土吸水率隨浸水時間的變化規律見圖1。

圖1 涂刷不同涂層的混凝土(W/C=0.55) 吸水率隨浸水時間的變化規律Fig.1 Changes of water absorption rate of concrete (W/C=0.55) painted by different coatings with immersing time

由圖1可知,混凝土試件的吸水率隨著浸水時間的增長而增加。空白件4 h、8 h、12 h、24 h、36 h、48 h的吸水率分別為4.67%、5.14%、5.17%、5.24%、5.26%、5.26%。8 h后，空白件的吸水基本飽和，吸水率趨于穩定。涂刷涂層R的試件4 h、8 h、12 h、24 h、36 h、48 h的吸水率分別為1.12%、1.80%、2.16%、3.69%、4.42%、4.68%。36 h后，涂刷涂層R的試件吸水率增長速度相對較慢，48 h時，吸水率較36 h僅增加了0.26%。涂刷涂層B、F試件的吸水率隨時間增長的規律與涂刷涂層R的試件相似，浸水36 h后，吸水率增長速度都趨于緩慢。涂刷涂層S的試件4 h、8 h、12 h、24 h、36 h、48 h的吸水率分別為0.22%、0.39%、0.53%、0.87%、1.15%、1.40%，隨著浸水時間的增加，吸水率逐漸增大，48 h后，吸水率沒有趨于穩定的跡象，這與涂刷涂層R、B、F試件吸水率變化規律有所不同。

對于同一浸水時間，涂刷涂層后混凝土試件的吸水率均比空白件有所降低，表明涂層一定程度上屏蔽了水的侵入。涂刷涂層R的試件4 h、8 h、12 h、24 h、36 h、48 h的吸水率分別比空白件降低了3.55%、3.34%、3.01%、1.55%、0.84%、0.58%，浸水時間越長，涂層屏蔽水侵入的效果越弱。涂刷涂層R、B、F對降低混凝土試件的吸水率效果差別不大，R最差，B、F次之。涂刷涂層S對降低混凝土吸水率效果最為顯著，涂刷涂層S的試件4 h、8 h、12 h、24 h、36 h、48 h的吸水率分別比空白件降低了4.45%、4.75%、4.64%、4.37%、4.11%、3.86%。涂層S與涂層R、B、F有如此差別，主要是因為，涂層S是油性涂層，憎水性較強，由雙組分交聯固化成膜，而涂層R、B、F都是水性涂層，依靠乳液成膜，膜的物理化學性質存在差異，所以屏蔽水侵入的效果有差別。

2.2 涂層厚度對混凝土吸水率的影響

涂刷不同厚度涂層的混凝土吸水率隨浸水時間的變化規律見圖2。

由圖2可知,混凝土試件的吸水率隨著涂層涂刷遍數的增加相比空白件顯著降低。由圖2(a)可見，浸水4 h后，空白件、R一遍、R兩遍、R三遍的吸水率分別為4.67%、1.21%、1.12%、0.89%，相比空白件，涂刷R一遍、R兩遍、R三遍試件的吸水率下降幅度分別為73.4%、76.0%、80.9%。浸水12 h后，空白件、R一遍、R兩遍、R三遍的吸水率分別為5.17%、2.52%、2.16%、1.93%，相比空白件，涂刷R一遍、R兩遍、R三遍試件的吸水率下降幅度分別為51.3%、58.2%、62.7%。浸水24 h后，空白件、R一遍、R兩遍、R三遍的吸水率分別為5.24%、4.09%、3.69%、3.37%，相比空白件，涂刷R一遍、R兩遍、R三遍試件的吸水率下降幅度分別為21.9%、29.6%、35.7%。浸水48 h后，空白件、R一遍、R兩遍、R三遍的吸水率分別為5.26%、5.01%、4.68%、4.39%，相比空白件，涂刷R一遍、R兩遍、R三遍試件的吸水率下降幅度分別為4.8%、11.0%、16.5%。不論浸水4 h，還是浸水48 h，隨著涂層涂刷遍數的增多，涂層成膜的厚度增加，屏蔽外界水侵入混凝土的能力增強，因此混凝土試件的吸水率都在下降。通過上述數據分析可知，隨著浸水時間的增長，相比空白件，涂刷R一遍、R兩遍、R三遍試件的吸水率下降幅度逐漸降低，表明涂層屏蔽水的能力下降。隨著涂刷遍數的增多，涂層B、F的變化規律與涂層R差別不大。

由圖2(d)可見，浸水4 h后，空白件、S一遍、S兩遍、S三遍的吸水率分別為4.67%、0.35%、0.22%、0.12%，相比空白件，涂刷S一遍、S兩遍、S三遍試件的吸水率下降幅度分別為92.5%、95.3%、97.4%。浸水12 h后，空白件、S一遍、S兩遍、S三遍的吸水率分別為5.14%、0.56%、0.39%、0.23%，相比空白件，涂刷S一遍、S兩遍、S三遍試件的吸水率下降幅度分別為89.1%、92.4%、95.5%。浸水24 h后，空白件、S一遍、S兩遍、S三遍的吸水率分別為5.24%、1.12%、0.87%、0.54%，相比空白件，涂刷S一遍、S兩遍、S三遍試件的吸水率下降幅度分別為78.6%、83.4%、89.7%。浸水48 h后，空白件、S一遍、S兩遍、S三遍的吸水率分別為5.26%、1.60%、1.40%、0.92%，相比空白件，涂刷S一遍、S兩遍、S三遍試件的吸水率下降幅度分別為69.6%、73.4%、82.5%。浸水早期，增加涂層涂刷的遍數對降低混凝土試件吸水率的幅度不大，隨著浸水時間的延長，增加涂層涂刷遍數的效果逐漸顯現，由此可見，要根據混凝土結構所處的環境，從經濟的角度，選擇合適的涂刷遍數。

圖2 涂刷不同厚度涂層的混凝土(W/C=0.55)吸水率隨浸水時間的變化規律Fig.2 Changes of water absorption rate of concrete (W/C=0.55) painted by different thickness coatings with immersing time

2.3 水灰比對混凝土吸水率的影響

不同水灰比的混凝土涂刷涂層后吸水率隨浸水時間的變化規律見圖3。

圖3 不同水灰比的混凝土涂刷涂層后吸水率隨浸水時間的變化規律Fig.3 Changes of water absorption rate of concrete with different water-cement ratio after coating with immersing time

由圖3可知，同一浸水時間后，混凝土試件的吸水率均隨著水灰比的增大而增加。浸水4 h后，水灰比0.50、0.55、0.60的空白件吸水率分別為4.38%、4.67%、4.75%，涂刷涂層R兩遍的混凝土試件吸水率分別為0.62%、1.12%、1.55%，涂刷涂層S兩遍的混凝土試件吸水率分別為0.13%、0.22%、0.31%。浸水12 h后，水灰比0.50、0.55、0.60的空白件吸水率分別為4.84%、5.17%、5.35%，涂刷涂層R兩遍的混凝土試件吸水率分別為1.36%、2.16%、3.12%，涂刷涂層S兩遍的混凝土試件吸水率分別為0.26%、0.53%、0.78%。浸水24 h后，水灰比0.50、0.55、0.60的空白件吸水率分別為4.88%、5.24%、5.44%，涂刷涂層R兩遍的混凝土試件吸水率分別為2.40%、3.69%、4.46%，涂刷涂層S兩遍的混凝土試件吸水率分別為0.41%、0.87%、1.13%。浸水48 h后，水灰比0.50、0.55、0.60的空白件吸水率分別為4.92%、5.26%、5.50%，涂刷涂層R兩遍的混凝土試件吸水率分別為3.65%、4.68%、5.12%，涂刷涂層S兩遍的混凝土試件吸水率分別為0.60%、1.40%、1.80%。

水灰比是決定混凝土力學性能和耐久性能的重要參數，高水灰比的混凝土具有更加疏松的內部結構以及較高的孔隙率，加速了外界水向混凝土試件中侵入的速率。因此，同一浸水時間后，混凝土試件吸水率均隨著水灰比的增大而提高。

3 結 論

(1)在浸水早期，涂刷涂層后的混凝土試件比空白件的吸水率顯著降低。隨著浸水時間的增長，涂層屏蔽外界水侵入的效果減弱。

(2)表面涂層降低混凝土試件吸水率的能力：聚氨酯涂層效果最佳，乳膠涂層效果最差，氟碳涂層、橋梁涂層效果介于聚氨酯涂層與乳膠涂層之間。

(3)混凝土試件的吸水率隨著涂層涂刷遍數的增加逐漸降低，而降低幅度在減小。從經濟性出發，要根據混凝土結構所處的環境，選擇適當的涂刷遍數。

(4)混凝土試件的吸水率均隨著水灰比的增大而顯著提高。