温东辉 姜庆 孙红红 孟娜 司秀芬
中国电建市政建设集团有限公司
1.摘要
水性无机陶瓷涂料是一种安全、环保的新型功能性涂料，易喷涂、成本低，涂层美观，光滑、陶釉般光泽，目前主要应用于金属材料表面保护[1]。水性无机陶瓷涂料在提高混凝土耐久性能表面防护技术方面的作用还无人研究，本文通过混凝土氯离子渗透性试验（RCM试验）、混凝土抗水渗透试验和抗冻融试验研究了水性无机陶瓷涂料对混凝土耐久性能的改善作用，并与混凝土表面防护广泛使用的油性环氧树脂涂料对比。结果表明，水性无机陶瓷涂料可以提高混凝土耐久性能；抗水渗透性能明显优于油性环氧树脂涂料，抗氯离子渗透性能和抗冻性能改善效果略优于油性环氧树脂涂料；水性无机陶瓷涂料在混凝土试件表面的附着力影响涂层抗氯离子渗透性能和使用寿命。
水性无机陶瓷涂料具有良好的抗渗性能和抗冻性能，而且环保、低廉，可成为混凝土新型防护涂料。增强水性无机陶瓷涂料附着力是提高混凝土耐久性能的关键，而涂层厚度可能会影响其在混凝土表面的附着力，需进一步实验探讨研究。
关键词：水性无机陶瓷涂料、耐久性、氯离子渗透性、抗水渗透性、抗冻性、附着力
本文主要以水性无机陶瓷涂料、油性环氧树脂涂料为研究对象，通过混凝土氯离子渗透性试验（RCM试验）、混凝土抗水渗透试验（渗水高度法、逐级加压法）、混凝土抗冻试验（快冻法）对水性无机陶瓷涂料和油性环氧树脂涂料混凝土试件渗透性能、抗冻性能进行分析比较，研究这两种不同涂料对混凝土抗水渗性能、抗氯离子渗透性能和抗冻性能的影响，为研究混凝土结构耐久性环保型涂料方面提供实验依据。
3.试验
3.1 试件制备与养护
本次实验采用单一变量的方法，主要研究保护涂料对混凝土耐久性能的影响，混凝土结构本身对混凝土耐久性影响不做研究，故实验采用的试件均为相同配合比的普通混凝土。混凝土试件配合比如表1所示。
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3.2试件涂装
涂装前首先用水砂纸和和细锉刀将试件表面打磨光滑，然后用丙酮擦洗试件表面，除去表面污渍，干燥。将配好的水性无机陶瓷涂料均匀刷涂在混凝土试样表面，刷涂2次，时间间隔为24h，常温下静置24h成膜，制备涂层厚度约为1mm，刷涂完成后置于（20±2）℃，相对湿度50±5%的条件下养护14天备用，无涂层混凝土试件养护时间与涂层混凝土试件养护时间应相同。用于试验的混凝土涂层应无缩孔、气泡、起皱等缺陷出现。水性无机陶瓷涂层表面光滑，色泽光亮如瓷釉，如图1所示。
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图1 无机水性陶瓷涂层混凝土试件
3.3氯离子快速渗透性试验
氯离子扩散系数评定混凝土结构耐久性的参数之一，测定氯离子扩散系数具有重要意义，本实验依据GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，采用电场加速的试验方法（RCM法），通过测定混凝土氯离子渗透深度，计算得到氯离子在混凝土中非稳态迁移的迁移系数来反映混凝土氯离子渗透性能的试验方法。
试验采用的氯离子扩散系数测定仪为北京路工建仪器科技有限公司生产，如图2所示。
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图2 氯离子扩散系数测定仪
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图3 RCM试验装置示意图
3.4混凝土抗水渗透试验
目前测试混凝土抗水渗透性多采用水压力试验法，本实验参考GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，通过逐级施加水压力来测定以抗渗等级，并比较渗水高度，以抗渗等级和渗水高度来表示的混凝土的抗水渗透性能。
试验采用的混凝土抗渗仪为无锡建仪仪器机械有限公司生产的HS-4S型数显混凝土抗渗仪，如图4所示。
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图4 HS-4S型数显混凝土抗渗仪
3.5混凝土抗冻试验
目前测试混凝土抗冻性能多采用快冻法，本实验参考GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，测定混凝土试件在水冻水融条件下，以经受的快速冻融循环次数表示混凝土抗冻性能。
混凝土抗冻试验采用的设备为天津市港源试验仪器厂的TDR-28型混凝土快速冻融试验机，如图5所示，北京耐尔得智能科技有限公司的NELD-DTV型动弹模量测定仪，如图6所示。
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4.试验结果及讨论
4.1涂层混凝土抗氯离子渗透性能分析
氯离子腐蚀是引发混凝土构件破坏的重大原因，混凝土构件一旦与氯盐环境接触，氯离子会通过毛细管吸收和对流作用浸入混凝土内部[3]引起混凝土耐久性问题，因此氯离子是混凝土涂层重点阻隔对象。通常情况下，混凝土涂层并不能完全阻止氯离子的渗透[4,5]，氯离子会透过涂层，并通过涂层-基材表面向混凝土内部扩散，但氯离子在涂层扩散速度远远低于在混凝土中的扩散，也就是说涂层会延缓氯离子向混凝土内部渗透。本实验通过对比无涂层混凝土（A）、水性无机陶瓷涂层混凝土（B）、油漆（环氧树脂）涂层混凝土（C）的氯离子扩散系数，分析涂层对提高混凝土抗氯离子渗透性能的影响，并比较不同涂层对抗氯离子渗透性的效果。
图7 氯离子扩散深度测量
A-无涂层，B-水性无机陶瓷涂层，C-油性环氧树脂涂层
从图7氯离子扩散深度测量中，可以看出，混凝土表面涂层对阻隔氯离子扩散影响显著，可有效提高混凝土的抗氯离子渗透性能，但从表2氯离子扩散系数测量结果，可以看出，不同种类涂层对混凝土抗氯离子渗透性能的改善效果存在差异，水性无机陶瓷涂层，氯离子扩散系数降低了约38%，油性环氧树脂涂层降低了约34%，水性无机陶瓷涂层略优于油性环氧树脂涂层。
RCM试验后，水性无机陶瓷涂层混凝土试件表面形貌特征发生改变，涂层在试件边缘出现气泡或凸起，一些研究学者指出，氯离子渗透是导致涂层失效的主要原因[6]，由此推断，氯离子在电加速的作用下渗透到涂层和混凝土界面，造成了涂层的附着力降低，从而使水性无机陶瓷涂层出现气泡或凸起，气泡和凸起必定会影响涂层的抗氯离子渗透性能并降低涂层的使用寿命。若水性无机陶瓷涂料在混凝土表面的附着力增强，那么涂层的抗氯离子渗透性能也会提高，因此增强水性无机陶瓷涂料在混凝土表面的附着力需进一步研究探讨，气泡或者凸起出现的位置可能与涂层的膜厚有关。
4.2涂层混凝土抗水渗透性能分析
水在混凝土结构耐久性失效过程中发挥重要，为氯盐侵蚀、钢筋锈蚀及其他腐蚀的发生提供了必要条件，透水性是评价混凝土涂层防护效果的重要指标之一。本实验通过对比无涂层混凝土（A）、水性无机陶瓷涂层混凝土（B）、油性环氧树脂涂层混凝土（C）的渗水高度和渗水压力，分析涂层对提高混凝土抗水渗透性能的影响，并比较不同涂层对抗水渗透性能的效果。
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图8 水压力试验混凝土试件渗水情况
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A-无涂层，B-水性无机陶瓷涂层，C-油性环氧树脂涂层
图8为不同涂层的混凝土试件在水压力试验中渗水情况，无涂层混凝土试件在水压为0.8MPa时第三个试件出现端面渗水，A为无涂层混凝土未出现端面渗水的3个试件中渗水最高的试件；水性无机陶瓷涂层达到规定水压1.2MPa未出现端面渗水试件，B为水性无机陶瓷涂层混凝土试件中渗水最高的试件；油性环氧树脂涂层混凝土试件达到规定水压1.2MPa出现1个端面渗水试件，C为油性环氧树脂涂层混凝土未出现端面渗水的5个试件中渗水最高的试件。图9、图10分别为不同涂层混凝土试件抗渗等级及对应等级下端面未渗水试件中渗水高度最大的计算结果。从图9可以看出，无涂层混凝土试件抗渗等级为7级，水性无机陶瓷涂层和油性环氧树脂涂层混凝土试件的抗渗等级均为11级，涂层对混凝土抗水渗透性能有很好的防护作用；从图10可以看出，无涂层的混凝土抗渗等级7级时，未出现端面渗水的试件中渗水高度最大已达到108mm，水性无机陶瓷涂层混凝土和环氧树脂涂层混凝土抗渗等级11级时，未出现端面渗水的试件中高度最大分别为78mm和105mm，水性无机陶瓷涂层抗水渗透性能明显优于油性环氧树脂涂层。
4.3涂层混凝土抗冻性能分析
北方寒旱区混凝土常年遭受冻融破坏，发生开裂，严重影响工程的正常使用，混凝土抗冻性能是评估混凝土耐久性的重要指标之一。本实验通过对比无涂层混凝土（A）、水性无机陶瓷涂层混凝土（B）、油性环氧树脂涂层混凝土（C）在冻融环境中质量损失率和相对动弹模量，分析涂层对提高混凝土抗冻性能的影响，并比较不同涂层对抗冻性能的效果。
从表3中三种不同涂层混凝土试件抗冻试验质量损失率和相对动弹性模量可以看出，混凝土表面涂层对混凝土抵抗冻融破坏有明显的改善作用，是提高混凝土抗冻耐久性的有效方法。水性无机陶瓷涂层混凝土质量损失率略低于油性环氧树脂涂层混凝土，相对动弹性模量略高于油性环氧树脂涂层混凝土，可以看出水性无机陶瓷涂料的防冻性能略优于油性环氧树脂。
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A-无涂层，B-水性无机陶瓷涂层，C-油性环氧树脂涂层
5.结论
本文通过试验研究了不同种类涂层对混凝土透水性、抗氯离子渗透性能和抗冻性能的改善作用，得出的结论如下：
（1）混凝土表面刷涂保护涂料是改善混凝土抗水渗透性能、抗氯离子渗透性能和抗冻性能，提高耐久性的一种有效的方法；
（2）水性无机陶瓷涂料抗氯离子渗透性能和抗冻性能改善效果略优于油性环氧树脂涂料，但抗水渗透性能明显优于油性环氧树脂涂料；
（3）氯离子渗透降低了水性无机陶瓷涂料在混凝土试件表面的附着力，影响涂层抗氯离子渗透性能和使用寿命；
（4）增强水性无机陶瓷涂料在混凝土表面的附着力对提高涂层抗渗性能有重要作用，涂层厚度可能会影响其在混凝土表面的附着力，值得进一步探讨研究。
6.参考文献
[1].陆刚.概述陶瓷防腐涂料在机械设备上的运用[J].现代技术陶瓷，2015,4(150):32-38.
[2].武德涛，师华.水性涂料在混凝土防腐中的应用[J].上海涂料，2013,51（10）:27-31.
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[4].Almusallam A A，Khan F M，Dulaijan S U，et al. Effectiveness of surface coatings in improving concrete durability [J]. Cement and Concrete Composites，2003，25:473-481.
[5].Mehdi Khanzadeh Moradllo，Mohammad Shekarchi，Meghdad Hoseini. Time-dependent performance of concrete surface coatings intidal zone of marine environment[J]. Construction and Building Materials，2012,30:198-205.
[6].吕平.海洋环境混凝土防护用新型聚天冬氨酸酯聚脲涂层的研究[D].青岛：中国海洋大学学位论文，2007.