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新型水工混凝土表面防護(hù)涂層抗凍融性能研究

文檔作者：梁慧汪在芹2 李珍2 文檔來源： 1．河海大學(xué)水利水電學(xué)院 2．長江水利委員會長江科學(xué)院 3．國家大壩安全工程技術(shù)研究中心 4．三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2025年09月30日
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第46卷第22期
2 0 1 5年1 1月
人 民 長 江
Yangtze River
Vo1．46，No．22
Nov．， 2015
文章編號：1001—4179(2015)22—0079一O4
新型水工混凝土表面防護(hù)涂層抗凍融性能研究
梁 慧 ，汪在芹2 ，李 珍2
(1．河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京201198； 2．長江水利委員會長江科學(xué)院，湖北武漢430010；
3．國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，湖北武漢430010； 4．三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)
同創(chuàng)新中心，湖北宜昌443000)
摘要：西部高寒地區(qū)地理位置獨(dú)特，水文地質(zhì)氣候條件復(fù)雜，自然環(huán)境惡劣，造成該區(qū)域內(nèi)水利工程混凝土材
料易發(fā)生凍融劣化破壞。對此，選取課題組已研發(fā)的3種新型水工混凝土表面防護(hù)涂層材料(耐候型環(huán)氧涂
層、不飽和聚酯樹脂和聚脲涂層體系)，進(jìn)行室內(nèi)加速凍融試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，以環(huán)氧膠泥為底漆，聚脲材
料為面漆的水工混凝土表面防護(hù)涂層的抗凍性能最優(yōu)。隨后在西藏地區(qū)水利水電工程進(jìn)行了現(xiàn)場生產(chǎn)性試
驗(yàn)，通過觀測發(fā)現(xiàn)，新型聚脲材料起到了很好的抗凍防護(hù)效果。該材料有望應(yīng)用于西部高寒地區(qū)水工建筑物
的表面防護(hù)，提高水利水電工程建筑物的耐久性。
關(guān)鍵詞：水工混凝土；凍融循環(huán)；表面防護(hù)涂層；西部高寒地區(qū)
中圖法分類號：TV431 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10．16232／j．cnki．1001—4179．2015．22．018
l 研究背景
西部高寒地區(qū)地理位置獨(dú)特，地質(zhì)氣候復(fù)雜，自然
環(huán)境惡劣。與其他地區(qū)相比，西部高寒地區(qū)特別是西
藏地區(qū)的主要特點(diǎn)是嚴(yán)寒干燥、日溫差大、深覆蓋層凍
土、紫外線輻射強(qiáng)烈、大風(fēng)日數(shù)頻繁等¨ 。該地區(qū)混
凝土材料的病害形式多種多樣，主要的劣化形式為混
凝土的凍融破壞，且凍融破壞會加速其他破壞因素的
作用，加快劣化進(jìn)程，如沖刷、溶蝕及碳化過程 。
水工混凝土表面防護(hù)是近年來興起的提高混凝土
耐久性措施之一，即通過在混凝土表面噴涂抗?jié)B、耐腐
的涂料，使水工混凝土表面形成一層防水不透氣的保
護(hù)層，隔離外部環(huán)境因子如空氣、水和氯鹽等對水工混
凝土的侵害，彌補(bǔ)混凝土的多孔缺陷，有效阻止結(jié)構(gòu)剛
度降低、承載力下降或開裂，從而提高混凝土耐久性，
延長水利工程使用壽命 。
本文選取課題組已研發(fā)的3種新型水工混凝土表
面防護(hù)涂層材料，開展混凝土試件室內(nèi)加速凍融試驗(yàn)，
對比不同防護(hù)涂層的抗凍性能，并進(jìn)行現(xiàn)場生產(chǎn)性試
驗(yàn)，從而判斷制備的涂層材料是否適用于西部高寒地
區(qū)水利工程。
2 試驗(yàn)材料及方法
2．1 原材料及試樣制備
室內(nèi)加速凍融試驗(yàn)所用混凝土試件、水泥砂漿試
件的成型和養(yǎng)護(hù)均按照SL 352—2006《水工混凝土試
驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行?；炷猎嚰浜媳纫姳?，試件尺寸為
100 mm×100 mm×400 mm；砂漿試件配合比見表2，
尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。
分別選擇耐候性環(huán)氧涂層、不飽和聚酯樹脂、水工
混凝土聚脲涂層體系作為抗凍涂層，其中水工混凝土
聚脲涂層體系采用環(huán)氧膠泥作為底漆、自制的脂肪族
收稿日期：2015—07—03
基金項(xiàng)目：水利部公益性行業(yè)專項(xiàng)“西部高寒地區(qū)水利工程劣化防護(hù)措施研究”(201301023)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)
資金資助項(xiàng)目“西部高寒地區(qū)聚脲類水工混凝土防護(hù)涂層的劣化及防護(hù)機(jī)理”(2014B37314)；科技部國際科技合作
計(jì)劃專項(xiàng)“水工新型防護(hù)涂層材料制備與應(yīng)用的合作研究”(2010DFB70470)
作者簡介：梁 慧，女，博士研究生，研究方向?yàn)樾滦退そㄖ牧?。E—mail：achoig@163．corn
通訊作者：汪在芹，男，教授級高級工程師，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樗そㄖ牧?。Email：wangzq@mail．crsri．a(chǎn)n
80 人 民 長 江
表1 中熱水泥混凝土配合比
水灰比 水／mL 中熱水泥／g ISO標(biāo)準(zhǔn)砂／g
聚脲作為面漆。
為增加涂料與試件之間的粘合力，在涂刷涂料之
前，需用電動拋光打磨機(jī)打磨試件表面，直至試件表面
無孔洞且平整，并洗去污物。待試件干燥后，混凝土試
件分別涂刷2 mm厚的聚脲涂料、不飽和聚酯樹脂涂
料；水泥砂漿試件分別涂刷2 mm厚的耐候性環(huán)氧涂
層、聚脲防護(hù)涂層體系(1 mm環(huán)氧膠泥底涂、1 mm聚
脲面漆)，涂刷兩次，且兩次涂刷之間至少間隔8 h。
上述工作完成后，按照GBT 16777—2008(建筑防水涂
料試驗(yàn)方法》，在室溫為(23±2)℃ 、相對濕度為(50±
5)％條件下養(yǎng)護(hù)7 d備用。
2．2 試驗(yàn)設(shè)備及方法
利用全自動混凝土凍融試驗(yàn)機(jī)(日本圓井公司，
Mrr一683—0—63型)按照SL352—2006(水工混凝土
試驗(yàn)規(guī)程》中的混凝土抗凍性試驗(yàn)、水泥砂漿抗凍性
試驗(yàn)方法進(jìn)行凍融試驗(yàn)。此規(guī)范規(guī)定遇到下列情況之
一即可停止試驗(yàn)：① 已達(dá)到300次凍融循環(huán)；② 相對
動彈性模量下降到60％ 以下；③ 質(zhì)量損失率不小于
5％ 。利用萬能試驗(yàn)機(jī)(日本島津公司生產(chǎn)，AG— IC
lO0kN型)測試材料的抗拉、抗折和抗壓性能。
3 結(jié)果與討論
根據(jù)GBT 16777—2008(建筑防水涂料試驗(yàn)方法》
測試涂層材料的粘接強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，并選擇粘接性
能、抗拉性能較好的涂層材料進(jìn)行凍融試驗(yàn)。再依照
SL 352—2006(水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》，利用質(zhì)量損失
率和相對動彈性模量變化量來評判涂刷了表面防護(hù)涂
層材料的混凝土、水泥砂漿試件的抗凍等級，并測試試
件的抗折、抗壓強(qiáng)度，評價(jià)涂層材料對水工混凝土的保
護(hù)效果。
在大量配合比試驗(yàn)基礎(chǔ)上，可選取抗拉性能較好
的耐候性環(huán)氧涂層、不飽和聚酯樹脂和聚脲涂層材料
的配比，其抗拉強(qiáng)度分別為23．01，28．02 MPa和l0．91
MPa。
再對上述涂層材料進(jìn)行粘接性能測試，發(fā)現(xiàn)耐候
性環(huán)氧涂層粘接力大于3．5 MPa，且破壞多發(fā)生在混
凝土基體上；聚脲涂層材料與混凝土的粘接性能次之。
若以環(huán)氧膠泥為底涂，可提高聚脲材料的粘接性能。
此外，聚酯與混凝土粘接性較差，破壞位置在混凝土與
涂層之間，粘接力小于2．0 MPa。
對耐候性環(huán)氧涂層材料在凍融破壞后的抗拉性能
測試可發(fā)現(xiàn)(見圖1)，經(jīng)150次凍融循環(huán)后，其抗拉性
能依然表現(xiàn)良好；但當(dāng)凍融次數(shù)大于200次后，抗拉強(qiáng)
度開始明顯下降。對于聚脲材料本身而言，凍融破壞
對其抗拉性能影響較小，經(jīng)過300次凍融循環(huán)后，其抗
拉強(qiáng)度仍為初始抗拉強(qiáng)度的88．89％ 。而且，聚脲材
料在300次凍融循環(huán)期間，材料表面未發(fā)生明顯收縮
變形或裂紋現(xiàn)象。
圖1 凍融破壞對涂層材料抗拉性能的影響
3．1 質(zhì)量損失率與相對動彈性模量
分別對未涂刷任何防護(hù)涂層及涂刷了耐候性環(huán)氧
涂層、聚脲類表面防護(hù)涂層體系的水泥砂漿試件進(jìn)行
室內(nèi)加速凍融實(shí)驗(yàn)。
結(jié)果顯示，經(jīng)歷100次凍融循環(huán)后，未涂刷任何防
護(hù)涂層材料的水泥砂漿試件表面已嚴(yán)重破壞；試件質(zhì)
量損失達(dá)42．16％ ，相對動彈性模量降至11．77％ ，抗
凍等級低于FIO0(見表3)。
表3 未涂任何防護(hù)材料的水泥砂漿試件抗凍性能
對只涂刷耐候性環(huán)氧涂層的水泥砂漿試件進(jìn)行室
內(nèi)加速凍融實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)試件從200次凍融循環(huán)后開始
出現(xiàn)裂隙，抗凍等級大于F150(見表4)。
涂刷聚脲體系材料的水泥砂漿試件經(jīng)200次甚至
300次凍融循環(huán)后表面未發(fā)現(xiàn)裂縫或損傷，可見聚脲
涂層明顯改善了試件的抗凍性能。涂刷聚脲的試件抗
凍等級大于F250；凍融后質(zhì)量和相對動彈性模量出現(xiàn)
第22期 梁 慧，等：新型水工混凝土表面防護(hù)涂層抗凍融性能研究 8l
小幅增加(見表5)，可能是由于聚脲材料表面吸附了
少量水分所致。
表4 涂刷環(huán)氧膠泥材料的水泥砂漿試件抗凍性能
表5 涂刷聚脲材料的水泥砂漿試件抗凍性能
3．2 力學(xué)性能
分別將單一的耐候性環(huán)氧涂層和聚脲防護(hù)涂層體
系涂刷到砂漿試件表面，并開展三點(diǎn)彎曲抗折測試。
結(jié)果顯示，兩種涂層與水泥砂漿之間界面粘接均較好，
未出現(xiàn)因凍融作用產(chǎn)生應(yīng)變差異而出現(xiàn)的界面破壞，
表明這兩種涂層材料與水泥砂漿均具有較協(xié)同的溫度
變形率。
圖2為涂刷耐候性環(huán)氧涂層的水泥砂漿試件經(jīng)歷
不同凍融循環(huán)次數(shù)后的力學(xué)性能變化曲線?？梢钥?
出，此水泥砂漿試件經(jīng)受150次凍融循環(huán)期間，其抗折
強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度變化甚微。從200次凍融循環(huán)后，由
于環(huán)氧涂層出現(xiàn)裂隙，試件內(nèi)部的水泥砂漿浸水，使得
其凍融破壞加劇，試件整體的抗折和抗壓性能降低，該
圖2 凍融破壞對涂刷耐候性環(huán)氯涂層材料的
水泥砂漿試件力學(xué)性能影響
結(jié)果與耐候性環(huán)氧涂層材料經(jīng)凍融循環(huán)破壞后的抗拉
效果一致。
圖3為涂刷聚脲防護(hù)涂層體系的水泥砂漿試件經(jīng)
歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后的力學(xué)性能變化曲線。隨著凍
融次數(shù)的增加，該水泥砂漿試件強(qiáng)度特性呈下降趨勢，
其中抗折強(qiáng)度下降幅度較大，而抗壓強(qiáng)度下降趨勢略
緩。從凍融循環(huán)100次的情況來看，試件抗折強(qiáng)度剩
余87．5％ ，抗壓強(qiáng)度剩余91．15％ ；200次循環(huán)后抗折
強(qiáng)度剩余31．18％ ，抗壓強(qiáng)度剩余74．63％ ；300次循
環(huán)后抗折強(qiáng)度剩余1．7％ ，抗壓強(qiáng)度剩余74．43％ 。
圖3 凍融破壞對涂刷聚脲防護(hù)涂層體系的
水泥砂漿試件性能影響
3．3 現(xiàn)場生產(chǎn)性試驗(yàn)
為驗(yàn)證新型聚脲涂層在水利水電工程中實(shí)際應(yīng)用
的抗凍融防護(hù)效果，2014年陸續(xù)在藏木水電站、滿拉
水庫、丹江口水電站等水利水電工程進(jìn)行現(xiàn)場生產(chǎn)性
試驗(yàn)。經(jīng)過觀測發(fā)現(xiàn)，新型聚脲防護(hù)涂層體系不僅可
以有效防止水工混凝土表面因凍融產(chǎn)生剝蝕和裂紋，
而且還能阻止?jié)B漏和沖蝕，進(jìn)一步防止凍融破壞。
4 結(jié)語
針對西部地區(qū)的高寒特性，本文選取課題組已研
制的耐候性環(huán)氧涂層材料、新型聚脲防護(hù)體系涂層材
料和不飽和聚酯樹脂材料，通過室內(nèi)加速凍融試驗(yàn)對
比發(fā)現(xiàn)，以環(huán)氧膠泥為底漆、聚脲材料為面涂的水工混
凝土表面防護(hù)涂層的抗凍性能最優(yōu)。西藏藏木等水電
站進(jìn)行的現(xiàn)場生產(chǎn)性試驗(yàn)結(jié)果表明，新型聚脲材料初
步起到了抗凍效果。因此，該材料有望應(yīng)用于西部高
寒地區(qū)水工建筑物的表面防護(hù)，提高水利水電工程建
筑物的耐久性。
參考文獻(xiàn)：
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(編輯：胡旭東)
Study on freeze——thaw resistance property of new surface
protective coatings of hydraulic concrete
LIANG Hui ， ， ．-．W ANG Zaiqin ，。
． LI Zhen ， ，
(1．College of Water Conservancy and Hydroelectric Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；2．Changjiang Riv—
er Scient c Research Institute，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China；3．National Dam Safety Re—
search Center，Wuhan 430010，China；4．Collaborative Innovation Centerfor Geo—hazards and Eco—Environment in Three Gotges
Area，Hubei Province，Yichang 443000，China)
Abstract： The geographic position of alpine—cold region of west China is unique，the hydrological conditions and climatic
conditions are complex and the natural environment there is harsh，therefore the freeze—thaw damage of the concrete materials
occurs frequently． Freeze—thaw resistance property tests were conducted f0r three newly—developed surface protective coating
materials of hydraulic concrete，namely the weathering epoxy coating，unsaturated polyester resin and polyurea coating system．
The freeze—thaw resistance property of the polyurea coating system ，using epoxy mortar as primer，polyurea material as paint，
has the best effects under indoor accelerated freeze—thaw tests．And it is proved by the field production test that the material can
protect the hydraulic concrete effectively in Tibet region，which is expected to be applied to the surfaee protection of hydraulic
structures for improving the durability of water conservancy and hydropower projects in alpine—cold regions of west China．
Key words： hydraulic concrete；freeze—thaw cycle；surface protective coating；western alpine—cold region
(上接第78頁)
Application of weathering model in particle breakage study of coarse granular soil
JIA Yufeng WANG Bingshen CHI Shichun
(Institute of Hydraulic Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 1 1 6024，China)
Abstract： The particle breakage tests were carried out to the basalt coarse granular soil of Gushui concrete faee rockfill dam．
The relationship between the parameters of weathering model and particle breakage was studied according to the grading curves of
the soil before and after the tests．The study shows that the weathering model can well simulate the grading curves of the soil be—
fore and after the tests，especially for the particle with large diameter(1arger than 5mm)，the simulation effect of weathering
model is better than that of the fractal mode1．The weathering model parameter reflects the size and distribution of the area en．
closed by the grading Curve and the largest particle size curve．The relative breakage parameter of Br，a function of the parameter
of the weathering model，can be directly calculated by using the weathering model parameters of the grading curves of the soil be—
fore and afterthe tests．
Key words： coarse granular soil；particle breakage；weathering model；relative breakage parameter

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