混凝土保护涂层的性能测试研究光电
2022-06-27 21:02:22 盛凯机械网
混凝土保护涂层的性能测试研究
0 引言
钢筋混凝土是工程中用量最大的建筑材料，也是世界上应用最为广泛的结构形式。我国每年耗费在混凝土结构上的费用超过千亿元，而由于钢筋混凝土结构失效造成的直接经济损失为6 000 亿元/a，混凝土的耐久性问题日益严峻。混凝土保护涂层技术作为一种能有效提高混凝土结构耐久性的方法而逐渐受到人们的关注中国涂料在线coatingol.com。但是当前有关混凝土保护涂层材料的性能和防护效果的测试及评价方法还不成熟，严重制约了这类材料的健康发展和应用。
1 涂层混凝土的性能测试方法
随着混凝土保护涂层材料的发展及其在工程上的广泛应用，混凝土保护涂层的性能测试和评价方法越来越成为生产厂家和工程单位关心的问题。国内有关涂层材料的性能指标还仅局限于材料本身，对于涂层材料在使用中（特别是在某一特定环境中）的性能及防护效果指标要求却很少。以下介绍几种涂层混凝土的测试方法，为评价涂层材料提供参考依据。
1.1 涂层混凝土盐雾循环老化试验
在海洋环境下，盐雾腐蚀是导致混凝土结构破坏的一个重要因素。混凝土保护涂层已逐渐成为海工混凝土防护的重要措施，效果非常明显，但是国内有关涂层混凝土耐盐雾腐蚀试验的研究很少。LU Ping 采用扫描电镜（SEM）和Fourier 变换红外光谱（FTIR），通过考察经盐雾循环老化后涂层的表面形貌和结构形态，研究了聚天冬氨酸酯（Polyaspartic esters，PAE）聚脲涂层在加速气候老化条件下的老化行为见图1、2。
聚脲涂层经盐雾老化后的SEM 图\聚脲涂层老化前后的FTIR 谱图
图1 是涂层经盐雾老化70 d 和200 d 后的SEM 图。在盐雾箱中暴露70 d 后（图1a），涂层表面密实、连续，表明这个阶段的盐雾腐蚀没有对涂层产生影响；从腐蚀200 d 的断面形貌图（图1b）看出，涂层表面仍保持密实状态，未出现局部腐蚀；而且，涂层与砂浆基材粘结牢固，没有产生界面破坏。
说明PAE 聚脲涂层能很好地抵抗盐雾侵蚀。图2 是PAE 聚脲涂层老化前及盐雾循环老化200 d 后的ATR-FTIR 谱图，变化很小，即老化前后涂层表面形貌及耐蚀性没有明显变化。说明PAE 聚脲涂层具有优异的耐盐雾腐蚀性能，与前面的结论一致。同时还研究了盐雾老化对涂层混凝土抗冻性的影响。通过测量混凝土的相对弹性模量来判断其抗冻性，经300 d 盐雾老化后，对涂层混凝土的抗冻性影响较小，表明PAE 聚脲涂层提高了混凝土的抗冻性。
通过考察涂层混凝土经盐雾老化试验后有否损及其附着性，可分析其老化性能。随着盐雾老化时间的延长，不同保护涂层的混凝土附着力有不同程度的减小，但是对PAE 聚脲涂层混凝土的附着力影响很小，说明PAE 涂层耐盐雾老化性能优于常规防腐涂层。
1.2 涂层混凝土附着力测试法
涂层材料的关键特性之一就是对基材的粘接力或附着力。当涂层与基材粘接不紧密时，就会脱落，丧失其保护作用，而使基材受到破坏。通过测量涂层与混凝土之间的附着力可以很好地评价涂层的优劣。混凝土工作环境对涂层附着力的影响很大，如海洋环境下的混凝土会经受冻融循环、干湿交替、温度交变或腐蚀介质侵蚀等，测量此时的附着力，就可以评价在不同环境下，涂层与混凝土的附着情况，从而为涂层的选择提供参考依据。
王卫英采用剥离粘结试验，研究基材强度、养护龄期、底漆、温度和湿度对剥离强度的影响；并采用回归分析方法，建立上述研究中剥离强度与时间的关系式。通过对破坏模型的分析，得出聚脲与基材之间粘接破坏的类型。
PosiTest 拉脱法附着力试验仪是新开发的一种附着力测试仪器，如图3 所示。它能直接精确地显示涂层与混凝土的附着力，比剥离粘接试验更简单、更便捷，更适用于实际工程中。具体操作是先将涂层混凝土用砂纸轻轻打磨，再擦干净，用胶水将50 mm 拉脱单元粘在涂层上，室温干燥1 d 或置于50℃烘箱里几小时，再干燥冷却。将定位器固定住拉脱单元，再对液压泵施加拉力，直到拉脱为止，显示器显示附着力读数。
1.3 涂层混凝土交流阻抗谱
交流阻抗谱的方法近年来受到广泛重视，并已成为研究材料结构、性能以及反应机理的有力工具。交流阻抗方法应用于水泥浆体和混凝土性能的研究，基于把水泥浆体和混凝土看成为一个电化学系统。硬化水泥浆体和混凝土是多孔介质，其孔溶液为电解质，因此，在硬化水泥浆体和混凝土两端面上各放置一个惰性的金属电极（不锈钢电极），可以把它作为一个电化学系统。
由于水泥基材料组成结构方面的变化引起电化学行为的改变，所以从水泥基材料的阻抗谱中可以把其组成和结构的信息解析出来。在水泥砂浆和混凝土表面涂刷混凝土保护涂层，会使它们的界面发生改变，因此可以预测：涂刷和不涂刷保护涂层其界面有不同的交流阻抗响应。因此，用交流阻抗的不同响应来描述、表征混凝土保护涂层的保护性能在理论上是可行的。葛海燕利用交流阻抗仪（图4），研究混凝土保护涂层对试样交流阻抗谱特性的影响。
交流阻抗仪装置示意图
试验结果表明：保护涂层对混凝土具有很好的抗渗性，并根据交流阻抗谱图可以判断出各种涂层在提高混凝土结构致密性方面的能力大小，即抗氯离子渗透性方面的能力大小。
1.4 涂层混凝土抗氯离子渗透性试验
氯离子是导致海工钢筋混凝土结构破坏的重要原因之一，所以抗氯离子渗透性是海洋环境下混凝土耐久性的重要指标。测试方法主要有快速氯离子渗透试验法（RCM 法）、自然浸泡法和电通量法等。
杨林采用自然浸泡法和快速氯离子渗透法（RCM）研究了混凝土保护涂层抵抗氯离子渗透的性能。考虑到2 种方法均能有效地评价混凝土保护涂层抵抗氯离子渗透的能力，实际工程中涂层混凝土在早期接触氯盐时的表观扩散系数Da，可近似地取为DRCM（氯离子扩散系数）值。
采用快速氯离子渗透法（RCM）进行涂层混凝土抗渗性试验时，与对比试样相比，涂层混凝土的氯离子扩散系数明显降低，说明保护涂层提高了混凝土的氯离子抗渗性，并且随着涂层厚度的增加，抗氯离子渗透性也增加。并且证明了2种方法具有很好的线性相关性。
1.5 涂层混凝土的吸水性和抗渗性试验
对于涂层混凝土结构来说，其涂刷的保护涂层防止海水侵入混凝土内部的能力，即吸水性也是涂层的一个重要性能指标。混凝土保护涂层处理后试件的吸水率变化是一种直观、有效的评价方法。王卫英采用吸水率来评价混凝土保护涂层的防护效果以及在不同介质影响下保护涂层的防护效果。试验结果表明：无论是涂浸透型混凝土保护液还是喷涂聚脲弹性体（SPUA）涂层，均使混凝土的吸水率大大降低。
除SPUA 涂层，其他涂层随着浸泡时间的延长，吸水率有一定的增加，说明SPUA 涂层具有优异的耐水性能。为了更好地评价混凝土保护涂层的性能，有必要针对性地测量其在腐蚀介质环境下的吸水率变化。通过测量试件在酸、碱等腐蚀环境下吸水率的变化来评价混凝土保护涂层抵抗腐蚀介质侵蚀的能力，为在特殊环境下保护涂层的选择提供参考依据。
混凝土抗渗性是指混凝土抵抗有压介质渗透的能力，是评价混凝土耐久性的重要综合指标之一。目前的研究方法主要有渗水法、透气法、表面吸水法、氯离子渗透法、通电法等。有关文献提出了一些改善混凝土抗渗性的方法，主要是针对影响混凝土抗渗性的各个因素，采取各种措施改善混凝土内部的孔结构，细化孔径，减少或阻止混凝土内部连通的渗透通道，以提高混凝土的抗渗性能，同时指出，表面涂层法是改善混凝土抗渗性的重要措施之一。
杨林采用国标渗水法试验测试混凝土的抗渗性能，通过给涂层混凝土施加逐级升高的不同水压来考察混凝土的抗渗性。结果表明：涂刷涂层后，混凝土的抗渗力有很大提高，而不同的涂层其抗渗力也不同。
1.6 涂层混凝土冻融循环试验（快冻法）
按照GBJ 82—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。冻融过程中测定混凝土的相对动弹性模量和质量损失，相对动弹性模量反映的是混凝土内部微裂缝的开展情况，质量损失由表面剥落造成，严重时导致骨料暴露。
文献通过测量这两个指标来反映混凝土内部与表面受到损伤的程度，试验结果表明：无涂层混凝土冻融循环过程中，质量和动弹性模量都发生剧烈的变化，而有涂层混凝土没有明显地变化。说明涂层可以明显改善混凝土的抗冻性能。
1.7 电化学方法
在研究钢筋混凝土锈蚀方面，电化学试验方法应用很多。混凝土中钢筋锈蚀的电化学检测方法主要有自然电位法和极化测量技术等。恒电量法、电化学噪声法、混凝土电阻法、谐波法等也在发展中，但用于现场检测尚不多见。
刘玉军参照ASTM C 876—91，采用电化学法来测量混凝土的钢筋锈蚀。试验结果表明：在同种环境下涂刷混凝土保护涂层后，能够推迟钢筋钝化膜开始活化的时间、降低钝化膜的活化程度；还能明显降低钢筋的腐蚀速度。
2 结论与展望
上述研究将为制定混凝土保护涂层性能和防护效果的试验和评价方法提供必要的理论准备和技术支持，也将对混凝土保护涂层材料的发展和工程应用起到促进作用。交流阻抗谱方法在混凝土保护涂层研究中的应用需作进一步研究，尝试找到描述阻抗参数与涂层种类、用量及处理时间的数学模型，以期利用交流阻抗方法来定量评价混凝土保护涂层的性能。
在实际工程中，混凝土结构不是单纯受一种腐蚀介质的侵蚀，而是受到几种腐蚀介质的共同作用，同时还可能受到荷载的影响，这种环境下的腐蚀会更严重。本文初步探索了盐雾老化对涂层混凝土抗冻性、附着力等性能的影响研究，但目前有关这方面的测试方法还很少。因此，混凝土保护涂层在多因素环境下的腐蚀行为还需作进一步的研究，为在工程实际中混凝土保护涂层的选择提供参考依据。