海工混凝土涂料的性能检测与对比研究

徐爱敏1，国建飞1，张桓1，吕忠达1，杨小刚2
（1.宁波市高等级公路建设指挥部，浙江宁波315192；2.中国科学院海洋研究所，山东青岛266071）

1 引言
我国的海岸线漫长，涉及海洋的基础建设工程众多，而腐蚀给海洋工程混凝土带来了许多不利影响。海工混凝土防护涂料可以有效隔绝氯离子、酸性气体等有害物质在混凝土内的渗透和扩散。海工混凝土防护涂料种类繁多，根据其对混凝土表现方式不同分为成膜型、渗透型和复合型3 类。混凝土涂料具有经济、有效、施工方便等优点，目前在混凝土的防腐和劣化修复方面已经得到广泛应用，准确掌握涂料的各项性能对于监控其使用效果十分重要。本文选用目前市场应用较广的3 种混凝土涂料，在大气区和潮差区使用不同的配套方案对混凝土进行涂装，根据日本土木协会和日本道路协会标准对3 种涂料的裂缝追随性、附着强度、透水量和抗氯离子渗透性等性能分别检测分析与对比，为海洋工程防腐工作提供可靠的选择依据。

2 试验
2.1 涂料配套方案
对3 种海工混凝土专用防护涂料（A，B，C）分别采用海洋大气区和潮差区2 个区域的不同配套方案对混凝土进行涂装。配套方案见表1、2。

2.2 性能检测
2.2.1 追随性试验
混凝土尺寸为120 mm × 40 mm × 10 mm，中间带5 mm 凹槽。将试块掰开用硬纸片固定，在120 mm ×40 mm 面上按照不同涂料的要求涂刷。（20±2）℃，60%湿度条件下养护7 d，在标准条件下放置2 h，在试件上划间距为10 mm 的平行标线。用厚度仪测出试件中间和两端3 点的厚度，取其平均值。将试件固定安装于拉伸试验机夹具之间，以5 mm/min 的拉伸速度拉伸试件至断裂，记录涂层断裂时的最大拉力，并量取此时试件标线间距离。测试3 个平行试样。涂层的拉伸强度和断裂伸长率按下式计算：
TS =P /（B ×d） ⑴
式中：TS———涂层的拉伸强度，MPa；
P———最大拉力，N；
B———涂层宽度，mm；
d———涂层实测厚度，mm。
断裂伸长率：
E =（L1 – L0）/L0 × 100% ⑵
式中：E———涂层断裂时的伸长率，%；
L1———涂层断裂时标线间距离，mm；
L0———涂层起始标线间的距离，mm。

2.2.2 附着强度
混凝土尺寸为70 mm × 70 mm × 20 mm，试块涂刷和养护同上，将附着板用稀释剂浸泡洗净，用砂纸将板面打粗。用环氧树脂胶将其粘在涂料表面上，将处理好的样板固定在附着力仪上，增大压强直到涂层从附着板上断裂，读取涂层断裂时的最大压力。
附着强度=X /Y ⑶
式中：X———涂层断裂时的最大压力；
Y———附着板的底面积。

2.2.3 透水量试验
混凝土尺寸为300 mm × 300 mm × 2 mm，试块涂刷和养护同上。用硅系封闭剂将直径为75 mm 的漏斗底部粘在试板上。向漏斗中注满蒸馏水，用橡胶管连接上5 mL 的移液管，向移液管中加水至从试板涂层到水液面的高度约为250 mm。读取此时液面刻度。7 d 后读取移液管中水面刻度，根据和试验开始时水面的高度差，计算出试样的透水量。透水量测试装置见图1。

透水量=（W1-W2）/（7 ×S）g·（d·cm2）-1 ⑷
式中：W1———试验开始时液面的读数；
W2———试验进行7 d 后液面的读数；
S ———漏斗底部的面积。

2.2.4 抗氯离子渗透阻止
混凝土尺寸为70 mm × 70 mm × 20 mm，试块涂刷和养护同上。将试块浸泡在3%的NaCl 溶液中，63 d后取出，将试块进行切割，使用仪器测试试验块的氯离子浓度。
3 试验结果与讨论
3.1 追随性试验
在常温下，涂层的裂缝追随性试验结果如图2 ~ 4所示。由图2、3 可知，涂层在拉伸过程中，3 种涂料的涂层在遭到破坏后并未断裂，而是继续随裂缝延展，开始时曲线急剧下降，之后趋于平缓，涂层的位移大于出现破坏时的位移，说明3 种涂膜柔韧性较好，有较好的裂缝追随性。

由图4 可知，涂层均具有较好的断裂伸长率，涂料的裂缝追随性为E ×10 mm，因此大气区3 种涂料的裂缝追随性分别为1.860 mm、1.874 mm 和1.489 mm。潮差区3 种涂料的裂缝追随性为1.413 mm、1.633 mm 和2.212 mm。日本土木学会JSCE-K532-1999 规定混凝土涂层表面裂缝追随值要大于0.411 mm，所以3 种涂料均有较好的柔韧性和追随性。

3.2 附着强度
涂层的附着强度试验数据如表3 所列，在测试时所有涂料的实际附着强度均大于试验值。这是因为在测试时所有的试样均为混凝土板破裂，而不是涂层从混凝土表面被拉裂。试验结果表明3 种涂料在大气区和潮差区均具有较好的附着力，在大气区，未经耐碱测试的3 种涂料涂层的附着强度相差不大，在潮差区，各种涂料的附着力强度均有提高。

从表3 可以看出，经过10 d 耐碱性测试，涂层的附着力都有不同程度的下降，其中A 涂料涂层经过耐碱性测试后涂膜附着强度最大。这主要是因为涂层使用环氧树脂为底漆和腻子，厚膜型柔韧性改性环氧树脂为中涂和面涂，具有较厚的涂膜，且涂膜的柔韧性良好，使涂膜具有较好的耐碱性，所以在经过耐碱性能测试后，其附着力下降幅度较小。

3.3 透水量试验
3 种涂料的透水量结果见图5。由图5 可知，3 种涂料的透水量均低于prEN1504-2 中建议的混凝土涂料透水率（小于0.1 kg/m2·h / 2），这说明3 种涂料的抗水性能优异。在大气区，A 涂料的透水量最小，为2.9×10-4 g·d-1·cm-2，C 涂料次之，B 涂料最大。在潮差区，A 涂料的透水量最小，为0，3 种涂料在潮差区的透水量为C＞B＞A，所以涂料A 的抗水性能最好。

3.4 抗氯离子渗透阻止
3 种涂料的表层和内层氯离子渗透性结果分别如图6、7 所示。混凝土中钢筋锈蚀临界值为0.07%（混凝土），从图6 中可以看出，除B 涂料在潮差区的表层氯离子渗透浓度高于临界值外，上述涂料均能有效阻止外部氯离子渗透。3 种涂料在潮差区表层抗氯离子渗透阻止性为C＞A＞B，大气区的表层抗氯离子渗透阻止性为B＞C＞A。由图7 可知，试板经过2 个月的氯盐溶液浸泡，混凝土内部渗透的氯离子浓度非常低，且均未超过混凝土中钢筋锈蚀临界值。在大气区内A 类涂料试板的内层氯离子浓度最大，为0.041765%，大气区内层抗氯离子渗透阻止性为C ＞ B ＞A，潮差区内层抗氯离子渗透阻止性为A =C ＞ B。

4 结语
经过裂缝追随性、附着强度、透水量和抗氯离子渗透性试验，表明3 种涂料均对混凝土底材具有优异的裂缝追随性，A 涂料具有优异的附着强度、稳定性和较好的抗水性；A，C 涂料具有良好的抗氯离子渗透阻止性，所以3 种涂料都能达到在苛刻海洋腐蚀环境中对海工钢筋混凝土基体的保护要求，但综合看来，A 涂料的性能最好，最适合恶劣海洋环境下使用。