混凝土是目前铁路工程中用量最大的工程材料,每年消耗量达数亿立方米,混凝土的高性能化为铁路混凝土工程的跨越式发展发挥了重要作用。由于我国铁路工程建设面临干旱、严寒和强腐蚀等多种复杂施工环境,加上部分地区优质原材料匮乏,在施工控制不到位时混凝土表面出现一些缺陷,如色差、返碱、砂线、麻面[1,2]等。这些缺陷虽不直接影响混凝土结构的承载力及耐久性,但却严重影响结构物的美观。随着人们对混凝土结构外观需求的不断提高,对带表面缺陷的混凝土结构物进行修饰的需求已较为迫切。工程中常采用涂抹黑、白水泥浆和纯色涂料等方式来处理混凝土表面缺陷[3,4],但水泥浆粘结性能差、易脱落,纯色涂料成膜后颜色均一,对混凝土表面原始色彩复原性差,导致实际使用效果不佳。沙圣刚[5]研制了一种透明或半透明的清水混凝土涂料,达到修旧如旧的效果,但材料成本较高,限制了该涂料在工程中的推广应用。本文针对实体混凝土外观特性,通过原料比选和组分优化,研制了一种兼有防护性能且成本较低的混凝土表面缺陷修饰涂料,测试了其耐久性和疏水性,研究了涂刷该涂料后混凝土抗渗性能和耐腐蚀性变化,为工程中混凝土结构物表面质量控制提供技术支撑。
1 实验部分
1.1 主要原料与仪器
硅丙乳液:工业级,北京东联化工有限公司;有机硅树脂:工业级,巴德富(中国)有限公司;沉淀硫酸钡、重质碳酸钙、滑石粉:工业级,河北振胜矿业有限公司;渗透结晶材料:自制;成膜助剂:工业级,伊斯曼化工有限公司;润湿分散剂:工业级,江苏日出化工有限公司;增稠剂:工业级,富思特新材料科技发展股份有限公司;金红石型钛白粉:工业级,攀钢集团钛业有限责任公司;炭黑、氧化铁色浆:工业级,苏州世名科技股份有限公司。
数显研磨分散搅拌器:SFJ-400,上海现代环境工程技术有限公司;接触角测量仪:SCI5000B,北京中仪科信科技有限公司;紫外老化箱:QUV,美国Q-Lab 公司;分光测色仪:NS-800,深圳市三恩驰科技有限公司;单角度光泽计:HP-300,汉普集团;粘结强度检测仪:SJ10,上虞市三思实验仪器厂;混凝土电通量检测仪:TKY-HND-Ⅰ,自制;混凝土硫酸盐侵蚀干湿循环试验机:HDGS-54,天津市惠达实验仪器有限公司。
1.2 修饰涂料的制备
1.2.1 基础漆的制备
向分散器中依次加入去离子水、润湿分散剂,中速搅拌均匀;接着依次加入钛白粉、填料和部分消泡剂,高速搅拌直至细度达到要求范围;然后依次缓慢加入硅丙乳液、有机硅乳液、成膜助剂、渗透结晶材料、pH调节剂、剩余的消泡剂及其他助剂,低速搅拌均匀;最后使用增稠剂调节黏度,制得基础漆。
1.2.2 修饰涂料的制备
以分光测色仪为评价手段,选用几种色浆按不同比例与基础漆掺配,搅拌均匀,制备2种不同色度的修饰涂料,通过毡涂工艺模拟混凝土外观颜色。
1.3 性能测试
(1)涂层与砂浆界面粘结强度:将涂料涂覆在尺寸为70 mm×70 mm×20 mm的砂浆试件表面,涂料湿膜厚度为0.3 mm,干燥7 d;砂浆试件制备及粘结强度测试按DL/T 5126—2011的要求进行。
(2)耐紫外老化性测试:按照GB/T 14522—2008进行试验,试件尺寸为150 mm×70 mm×(0.2~0.3)mm,试验底材为马口铁板,黑板温度为60 ℃,辐照度为1.55 W/m2。
(3)色差测试:用分光测色仪(D65光源)测试试样表面颜色参数L*、a*、b*值,得到不同颜色的ΔE。
(4)接触角测试:在涂膜表面取5个点,用光学接触角测量仪测试涂膜表面的水接触角,测试时水滴为4 μL,结果取平均值。
(5)混凝土吸水率测试:采用文献[6]中原材料及S0配比制备C40混凝土试件,标养至28 d龄期,取出试件后在表面涂覆修饰涂料,采用JTJ 275—2000附录E要求测试基准试件、对比试件的吸水量变化,以单位面积内的吸水量评价试件的吸水率。
(6)混凝土电通量测试:将150 mm×150 mm×150 mm的 C40混凝土试件标养14 d,经钻芯、切割后制得直径100 mm、厚度50 mm的试件,继续标养至规定龄期前8 d,取出试件后在其一面涂覆修饰涂料,干燥7 d后将试件进行饱水处理,按GB/T 50082—2009进行基准试件、对比试件的电通量,试验时涂刷修饰涂料的一面接触氯化钠溶液。
(7)混凝土抗硫酸盐侵蚀性能测试:将100 mm×100 mm×400 mm的 C40混凝土试件标养至49 d,取出试件后在其6个面涂覆修饰涂料,干燥7 d后将试件浸泡至质量浓度为5%的硫酸钠溶液中,按GB/T 50082—2009进行基准试件、对比试件的抗硫酸盐侵蚀性能试验。
2 结果与讨论
2.1 修饰涂料的性能
修饰涂料的自身性能直接影响其在混凝土结构物上的使用,在测试基本性能的基础上,测试了所研制修饰涂料的粘结强度、耐紫外老化性和疏水性,结果见图1~3。
从图3可看出,普通涂料的水接触角为84.96°,本文研制的修饰涂料的水接触角为126.22°,表现出良好的疏水效果,使有害离子难以侵入到混凝土内部,起到较好的防护作用,有利于混凝土结构的耐久性。
2.2 修饰涂料对混凝土外观质量的影响
从图5可看出,修饰涂料在混凝土试件表面形成涂层的颜色并不是单一的灰色,而是灰、白色交错点缀,可模仿出实体结构混凝土原始颜色。分光测色仪测试结果表明,试件修饰后与实体表面的ΔE仅为3.93,肉眼几乎难以分辨。
2.3 修饰涂料对混凝土抗渗性的影响
混凝土抗渗性是反映其抵抗水、气体和离子渗透的能力,吸水率、电通量是评价混凝土抗渗性的主要指标[8]。本文通过吸水率、电通量试验研究修饰涂料对混凝土抗渗性的影响。未涂覆修饰涂料的试件为基准试件(C0),涂覆修饰涂料的试件为对比试件(C1)。
2.3.1 吸水率
2种试件吸水率随时间的变化如图6所示。
2.3.2 电通量
不同龄期时2种试件的电通量,结果如图7所示。
由图7可看知,2种试件的电通量均随龄期的增长而降低;与基准试件相比,对比试件的28 d、56 d、90 d电通量分别降低了51%、43%、39%,混凝土中氯离子渗入量明显降低,这说明当混凝土56 d电通量不满足结构耐久性设计要求时,在混凝土表面涂覆修饰涂料,可使混凝土电通量降低至1 000 C以下,能较好地防护氯盐环境下的混凝土。
2.4 修饰涂料对混凝土耐腐蚀性的影响
本研究测试了2种试件在硫酸钠腐蚀溶液中的抗折强度变化,以此评价试件的耐腐蚀性,结果如图8所示。
3 结 语
(1)所研制的混凝土表面缺陷修饰涂料具有粘结强度高、耐久性好和疏水性强的特点,涂刷该涂料后,带缺陷混凝土与正常混凝土色差较小,能达到修旧如旧的效果。
(2)所研制的混凝土表面缺陷修饰涂料能大幅降低混凝土的吸水率和电通量,提高混凝土缺陷部位抗水和抗氯离子渗透性能,并能抑制混硫酸盐腐蚀条件下混凝土强度损失。
(3)对于不影响结构承载力及耐久性的混凝土表面色差、砂线、麻面等缺陷,采用该修饰材料处理这些缺陷,可使混凝土结构物达到较好的外观质量,为实现工程实体结构的内实外美提供一条新途径。