硫酸盐环境下无缺陷与有缺陷聚脲涂层混凝土腐蚀行为研究

硫酸盐环境下无缺陷与有缺陷聚脲涂层混凝土腐蚀行为研究

0新型涂层防护技术桥梁混凝土的硫酸盐侵蚀是桥梁混凝土老化的主要问题之一。例如，我国沿海地区、西北地区和西区的混凝土桥梁发生了硫酸盐侵蚀和破坏。硫酸盐中的硫酸根离子对混凝土主要产生二种化学作用:一是硫酸盐与水泥在水化过程中生成的氢氧化钙结合,形成硫酸钙(石膏);另一种是硫酸盐(包括石膏)与硬化水泥浆体中的水化铝酸钙在水的参与下形成硫铝酸钙,即钙矾石。这两种反应均造成固体体积膨胀,而后者尤为明显,导致混凝土开裂,严重影响桥梁混凝土耐久性。新型涂层防护技术是桥梁混凝土结构防护重要而有效的方法。以往桥梁混凝土结构腐蚀防护涂层沿用了金属防护材料,一般采用氯化橡胶、聚氨酯、氯磺化聚乙烯及环氧等涂料,其综合性能在某种程度上还不能满足严酷的环境的要求。目前,常规水性涂料以及桥梁混凝土专用防护材料,如渗透型混凝土保护材料和纤维增强材料等,还存在对施工环境要求高、难以形成有效的表面防护结构以及施工困难等问题。聚脲是一种高性能涂层防护技术,在混凝土表面形成一层可阻止硫酸根离子及其他腐蚀性介质进入混凝土,从而延长混凝土使用寿命或推迟腐蚀介质向混凝土渗透时间,提高桥梁混凝土耐久性。芳香族聚脲和常规脂肪族聚脲已在建成的京津城际高速铁路,在建的京沪高速铁路路基防护以及海洋混凝土防护、化工防腐、地下工程等领域广泛应用。本文研究了无缺陷和有缺陷聚脲涂层混凝土在硫酸盐腐蚀环境下质量、抗折强度以及抗压强度随腐蚀龄期的变化规律,并采用扫描电镜(SEM)法研究其表观形貌的变化,旨在提高桥梁混凝土抗硫酸盐腐蚀能力以及为提高桥梁混凝土耐久性提供有价值的参考数据。1充填材料选择采用青碱建材有限公司生产的32.5级普通硅酸盐水泥,细骨料采用天然河砂,表观密度为2.64gcm2,属中砂,颗粒级配良好;粗骨料选用碎石,表观密度为2.62g/cm2,最大粒径31.5cm。聚脲为青岛理工大学功能材料研究所自制。SEM试验的仪器是日本JEOL公司生产的扫描电镜。1.2混凝土配合比试验本试验主要研究聚脲涂层对混凝土试块宏观力学性能的影响。试块尺寸为100mm×100mm×400mm和100mm×100mm×100mm。混凝土搅拌机搅拌,振动成型,24h拆模,标准养护室养护28d,之后进行表面处理。试验所制混凝土试块的配合比参照某桥梁混凝土配方,具体数据见表1。试验参照GB749-65《水泥抗硫酸盐侵蚀试验方法》。浸泡液是浓度为80g/L的硫酸钠溶液。采用干湿交替的加速腐蚀方法,模拟不经常但周期性处于硫酸盐腐蚀环境中的混凝土性能的变化。对于涂层试块,选用了两种涂层,一种是表面有针孔或缺陷的涂层,来模拟涂层在有缺陷或失效时,试块在腐蚀液体中的质量和强度变化情况;另一种是无缺陷或针孔的涂层,用这种涂层来研究试块在涂层保护下的质量和强度变化。为方便记录,有缺陷涂层混凝土试块和无缺陷涂层混凝土试块分别用YC和WC表示。本实验采用干湿循环试验方法,具体循环制度为:浸泡7d然后自然晾干7d。于不同龄期下观察其外观、质量及抗折和抗压强度变化。利用SEM观察无处理聚脲涂层样片和在腐蚀溶液中浸泡21d的涂层样片的表观形貌。1.3聚脲和混凝土涂层混凝土试块养护28d后,在其表面刮涂QTECH-112全天候基材处理系统,以提高聚脲和混凝土的粘结性能。之后进行SPUA喷涂,控制涂层厚度为0.5～1.0mm。喷涂后将试块在自然环境下养护4～5d后开始试验。2结果与讨论2.1wc质量的变化有缺陷涂层混凝土试块(YC)和无缺陷涂层混凝土试块(WC)的质量随腐蚀龄期的变化关系如图1所示。由图1可以看出,YC在浸泡过程中,其质量随着腐蚀龄期的延长而增加,其中30d质量增加很大,增加了1.15%,30d后曲线趋于平缓,60d、90d、120d、150d的质量变化分别为0.85%、0.79%、0.70%、0.47%;WC的质量变化不明显,除去测量误差,可认为其质量几乎保持不变。YC质量的增加是由于溶液通过涂层的针孔等缺陷渗透到试块中引起的。喷涂之前的混凝土试块干燥,故早期质量会出现增加较快的情况,当把这种试块浸泡到溶液中时,水分很容易渗透到试块内部,试块进一步水化,溶液中的硫酸钠跟水泥的水化产物反应,使试块更加密实;随着腐蚀龄期的延长,硫酸根通过缺陷进入到混凝土后,会在混凝土表面生成膨胀产物,填充混凝土孔隙,阻止水溶液向混凝土内部扩散,这样大大减缓了未水化水泥的继续水化,又延迟硫酸根的扩散速度,所以,减缓了混凝土质量的增加速度,因此,在后几个月,试块的质量几乎保持不变。WC浸泡150d后,质量无明显变化。分析其原因是由于聚脲涂层结构致密且连续、完整,为混凝土提供了良好的保护,有效的阻挡了水分、硫酸根离子等腐蚀介质的侵入,而且聚脲弹性体材料本身具有良好的耐介质性,因此,聚脲涂层混凝土在腐蚀介质中的质量基本没有变化。2.2腐蚀产物的产物及抗压强度YC和WC的抗折强度随腐蚀龄期变化关系如图2所示,由图2可以看出,两种涂层试块的抗折强度均随腐蚀龄期的延长而呈上升趋势。腐蚀龄期为60d时,YC的抗折强度为7.937MPa,大于WC的7.92MPa。初期YC的抗折强度大于WC,是由于硫酸根离子通过缺陷进入试块,和混凝土中的水化产物发生反应,生成硫酸钙结晶和硫酸铝钙结晶,使得试块内部更加密实,引起强度的短暂增长。而WC在腐蚀初期由于完整的涂层有效的阻止了腐蚀介质的进入,没有此类反应的发生,初期强度增长较慢。90d时YC的抗折强度均低于WC,是由于随着腐蚀的进行,硫酸根离子进一步扩散至YC内部与水化产物发生反应,试块体积膨胀密实度降低。WC由于涂层完好,阻隔了硫酸根离子的渗入,因此,抗折强度比YC高。YC和WC的抗压强度随浸泡时间的变化关系如图3所示,由图3可以看出,WC和YC的抗压强度总体来说均随腐蚀龄期延长呈增长趋势,浸泡150d以后分别增加了41.2%、25.1%。120d时,YC的抗压强度出现拐点,比WC高5.63MPa。这说明YC在浸泡过程中由于涂层的缺陷使得腐蚀介质更容易进入试块内部与水化产物发生反应,生成硫酸钙结晶和硫酸铝钙结晶,引起强度的短暂增加,随着腐蚀的进一步加强,强度又开始下降。2.3聚脲涂层在腐蚀溶液中的稳定性能为了进一步验证聚脲涂层对混凝土的防护性能,采用SEM法考察聚脲涂层在硫酸盐中腐蚀前后其表面与断面的微观形貌。图4a、b分别是无处理聚脲涂层和有聚脲涂层在腐蚀溶液中浸泡150d后的层断面放大50倍的SEM图。从断面图上可以看出,两种试样几乎没有区别。涂层内部比较密实,孔隙也不多并且分布较均匀。这是因为聚脲涂层致密,硫酸钠溶液无法渗透到内部,只在聚脲涂层表面产生腐蚀,说明聚脲具有良好的耐硫酸钠腐蚀性能。从涂层的微观分析可以看出,聚脲涂层在腐蚀溶液中浸泡150d后,表面只有轻微的腐蚀。并且无缺陷涂层试块的质量基本保持不变,由此可见,聚脲涂层试块在硫酸中短时间的浸泡没有造成严重的腐蚀。结合2.2的实验中试块在硫酸钠溶液中浸泡后的强度变化结果可知,缺陷的存在会影响涂层的耐硫酸盐腐蚀性能,造成结构力学性能下降。因此,在工程中应避免涂层出现微孔、针眼等缺陷,以提高聚脲涂层的耐腐蚀性能。3聚蝽涂层的性能(1)有缺陷涂层混凝土试块在80g/L的硫酸钠溶液中加速腐蚀后,其质量随腐蚀时间的延长呈上升趋势,并且在第1个月里增长较快,增加了1.15%,在以后的几个月里增长趋势较平缓,分别增长了0.85%、0.79%、0.70%、0.47%;无缺陷涂层的试块,质量几乎保持不变。说明聚脲涂层能有效阻止腐蚀介质的进入。(2)有缺陷涂层试块与无缺陷涂层试块的抗折强度在不同的腐蚀龄期下呈交替上升趋势,60d时,有缺陷涂层试块高0.017MPa;90d时,无缺陷涂层试块高0.197MPa;120d时,有缺陷涂层试块高0.367MPa。总体而言,有缺陷涂层试块在不同的腐蚀龄期下的抗压强度高于无缺陷涂层试块。但无缺陷涂层试块的最终强度大于有缺陷涂层试块,说明有缺陷涂层试块由于腐蚀介质进入试块内部与水化产物发生反应,引起强度的短暂的增加,随着腐蚀的进一步加强,强度又开始下降。由强度的变化可