硫酸鹽環(huán)境下無缺陷與有缺陷聚脲涂層混凝土腐蝕行為研究

硫酸鹽環(huán)境下無缺陷與有缺陷聚脲涂層混凝土腐蝕行為研究

0新型涂層防護技術橋梁混凝土的硫酸鹽侵蝕是橋梁混凝土老化的主要問題之一。例如，我國沿海地區(qū)、西北地區(qū)和西區(qū)的混凝土橋梁發(fā)生了硫酸鹽侵蝕和破壞。硫酸鹽中的硫酸根離子對混凝土主要產(chǎn)生二種化學作用:一是硫酸鹽與水泥在水化過程中生成的氫氧化鈣結合,形成硫酸鈣(石膏);另一種是硫酸鹽(包括石膏)與硬化水泥漿體中的水化鋁酸鈣在水的參與下形成硫鋁酸鈣,即鈣礬石。這兩種反應均造成固體體積膨脹,而后者尤為明顯,導致混凝土開裂,嚴重影響橋梁混凝土耐久性。新型涂層防護技術是橋梁混凝土結構防護重要而有效的方法。以往橋梁混凝土結構腐蝕防護涂層沿用了金屬防護材料,一般采用氯化橡膠、聚氨酯、氯磺化聚乙烯及環(huán)氧等涂料,其綜合性能在某種程度上還不能滿足嚴酷的環(huán)境的要求。目前,常規(guī)水性涂料以及橋梁混凝土專用防護材料,如滲透型混凝土保護材料和纖維增強材料等,還存在對施工環(huán)境要求高、難以形成有效的表面防護結構以及施工困難等問題。聚脲是一種高性能涂層防護技術,在混凝土表面形成一層可阻止硫酸根離子及其他腐蝕性介質進入混凝土,從而延長混凝土使用壽命或推遲腐蝕介質向混凝土滲透時間,提高橋梁混凝土耐久性。芳香族聚脲和常規(guī)脂肪族聚脲已在建成的京津城際高速鐵路,在建的京滬高速鐵路路基防護以及海洋混凝土防護、化工防腐、地下工程等領域廣泛應用。本文研究了無缺陷和有缺陷聚脲涂層混凝土在硫酸鹽腐蝕環(huán)境下質量、抗折強度以及抗壓強度隨腐蝕齡期的變化規(guī)律,并采用掃描電鏡(SEM)法研究其表觀形貌的變化,旨在提高橋梁混凝土抗硫酸鹽腐蝕能力以及為提高橋梁混凝土耐久性提供有價值的參考數(shù)據(jù)。1充填材料選擇采用青堿建材有限公司生產(chǎn)的32.5級普通硅酸鹽水泥,細骨料采用天然河砂,表觀密度為2.64gcm2,屬中砂,顆粒級配良好;粗骨料選用碎石,表觀密度為2.62g/cm2,最大粒徑31.5cm。聚脲為青島理工大學功能材料研究所自制。SEM試驗的儀器是日本JEOL公司生產(chǎn)的掃描電鏡。1.2混凝土配合比試驗本試驗主要研究聚脲涂層對混凝土試塊宏觀力學性能的影響。試塊尺寸為100mm×100mm×400mm和100mm×100mm×100mm?；炷翑嚢铏C攪拌,振動成型,24h拆模,標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28d,之后進行表面處理。試驗所制混凝土試塊的配合比參照某橋梁混凝土配方,具體數(shù)據(jù)見表1。試驗參照GB749-65《水泥抗硫酸鹽侵蝕試驗方法》。浸泡液是濃度為80g/L的硫酸鈉溶液。采用干濕交替的加速腐蝕方法,模擬不經(jīng)常但周期性處于硫酸鹽腐蝕環(huán)境中的混凝土性能的變化。對于涂層試塊,選用了兩種涂層,一種是表面有針孔或缺陷的涂層,來模擬涂層在有缺陷或失效時,試塊在腐蝕液體中的質量和強度變化情況;另一種是無缺陷或針孔的涂層,用這種涂層來研究試塊在涂層保護下的質量和強度變化。為方便記錄,有缺陷涂層混凝土試塊和無缺陷涂層混凝土試塊分別用YC和WC表示。本實驗采用干濕循環(huán)試驗方法,具體循環(huán)制度為:浸泡7d然后自然晾干7d。于不同齡期下觀察其外觀、質量及抗折和抗壓強度變化。利用SEM觀察無處理聚脲涂層樣片和在腐蝕溶液中浸泡21d的涂層樣片的表觀形貌。1.3聚脲和混凝土涂層混凝土試塊養(yǎng)護28d后,在其表面刮涂QTECH-112全天候基材處理系統(tǒng),以提高聚脲和混凝土的粘結性能。之后進行SPUA噴涂,控制涂層厚度為0.5～1.0mm。噴涂后將試塊在自然環(huán)境下養(yǎng)護4～5d后開始試驗。2結果與討論2.1wc質量的變化有缺陷涂層混凝土試塊(YC)和無缺陷涂層混凝土試塊(WC)的質量隨腐蝕齡期的變化關系如圖1所示。由圖1可以看出,YC在浸泡過程中,其質量隨著腐蝕齡期的延長而增加,其中30d質量增加很大,增加了1.15%,30d后曲線趨于平緩,60d、90d、120d、150d的質量變化分別為0.85%、0.79%、0.70%、0.47%;WC的質量變化不明顯,除去測量誤差,可認為其質量幾乎保持不變。YC質量的增加是由于溶液通過涂層的針孔等缺陷滲透到試塊中引起的。噴涂之前的混凝土試塊干燥,故早期質量會出現(xiàn)增加較快的情況,當把這種試塊浸泡到溶液中時,水分很容易滲透到試塊內部,試塊進一步水化,溶液中的硫酸鈉跟水泥的水化產(chǎn)物反應,使試塊更加密實;隨著腐蝕齡期的延長,硫酸根通過缺陷進入到混凝土后,會在混凝土表面生成膨脹產(chǎn)物,填充混凝土孔隙,阻止水溶液向混凝土內部擴散,這樣大大減緩了未水化水泥的繼續(xù)水化,又延遲硫酸根的擴散速度,所以,減緩了混凝土質量的增加速度,因此,在后幾個月,試塊的質量幾乎保持不變。WC浸泡150d后,質量無明顯變化。分析其原因是由于聚脲涂層結構致密且連續(xù)、完整,為混凝土提供了良好的保護,有效的阻擋了水分、硫酸根離子等腐蝕介質的侵入,而且聚脲彈性體材料本身具有良好的耐介質性,因此,聚脲涂層混凝土在腐蝕介質中的質量基本沒有變化。2.2腐蝕產(chǎn)物的產(chǎn)物及抗壓強度YC和WC的抗折強度隨腐蝕齡期變化關系如圖2所示,由圖2可以看出,兩種涂層試塊的抗折強度均隨腐蝕齡期的延長而呈上升趨勢。腐蝕齡期為60d時,YC的抗折強度為7.937MPa,大于WC的7.92MPa。初期YC的抗折強度大于WC,是由于硫酸根離子通過缺陷進入試塊,和混凝土中的水化產(chǎn)物發(fā)生反應,生成硫酸鈣結晶和硫酸鋁鈣結晶,使得試塊內部更加密實,引起強度的短暫增長。而WC在腐蝕初期由于完整的涂層有效的阻止了腐蝕介質的進入,沒有此類反應的發(fā)生,初期強度增長較慢。90d時YC的抗折強度均低于WC,是由于隨著腐蝕的進行,硫酸根離子進一步擴散至YC內部與水化產(chǎn)物發(fā)生反應,試塊體積膨脹密實度降低。WC由于涂層完好,阻隔了硫酸根離子的滲入,因此,抗折強度比YC高。YC和WC的抗壓強度隨浸泡時間的變化關系如圖3所示,由圖3可以看出,WC和YC的抗壓強度總體來說均隨腐蝕齡期延長呈增長趨勢,浸泡150d以后分別增加了41.2%、25.1%。120d時,YC的抗壓強度出現(xiàn)拐點,比WC高5.63MPa。這說明YC在浸泡過程中由于涂層的缺陷使得腐蝕介質更容易進入試塊內部與水化產(chǎn)物發(fā)生反應,生成硫酸鈣結晶和硫酸鋁鈣結晶,引起強度的短暫增加,隨著腐蝕的進一步加強,強度又開始下降。2.3聚脲涂層在腐蝕溶液中的穩(wěn)定性能為了進一步驗證聚脲涂層對混凝土的防護性能,采用SEM法考察聚脲涂層在硫酸鹽中腐蝕前后其表面與斷面的微觀形貌。圖4a、b分別是無處理聚脲涂層和有聚脲涂層在腐蝕溶液中浸泡150d后的層斷面放大50倍的SEM圖。從斷面圖上可以看出,兩種試樣幾乎沒有區(qū)別。涂層內部比較密實,孔隙也不多并且分布較均勻。這是因為聚脲涂層致密,硫酸鈉溶液無法滲透到內部,只在聚脲涂層表面產(chǎn)生腐蝕,說明聚脲具有良好的耐硫酸鈉腐蝕性能。從涂層的微觀分析可以看出,聚脲涂層在腐蝕溶液中浸泡150d后,表面只有輕微的腐蝕。并且無缺陷涂層試塊的質量基本保持不變,由此可見,聚脲涂層試塊在硫酸中短時間的浸泡沒有造成嚴重的腐蝕。結合2.2的實驗中試塊在硫酸鈉溶液中浸泡后的強度變化結果可知,缺陷的存在會影響涂層的耐硫酸鹽腐蝕性能,造成結構力學性能下降。因此,在工程中應避免涂層出現(xiàn)微孔、針眼等缺陷,以提高聚脲涂層的耐腐蝕性能。3聚蝽涂層的性能(1)有缺陷涂層混凝土試塊在80g/L的硫酸鈉溶液中加速腐蝕后,其質量隨腐蝕時間的延長呈上升趨勢,并且在第1個月里增長較快,增加了1.15%,在以后的幾個月里增長趨勢較平緩,分別增長了0.85%、0.79%、0.70%、0.47%;無缺陷涂層的試塊,質量幾乎保持不變。說明聚脲涂層能有效阻止腐蝕介質的進入。(2)有缺陷涂層試塊與無缺陷涂層試塊的抗折強度在不同的腐蝕齡期下呈交替上升趨勢,60d時,有缺陷涂層試塊高0.017MPa;90d時,無缺陷涂層試塊高0.197MPa;120d時,有缺陷涂層試塊高0.367MPa?？傮w而言,有缺陷涂層試塊在不同的腐蝕齡期下的抗壓強度高于無缺陷涂層試塊。但無缺陷涂層試塊的最終強度大于有缺陷涂層試塊,說明有缺陷涂層試塊由于腐蝕介質進入試塊內部與水化產(chǎn)物發(fā)生反應,引起強度的短暫的增加,隨著腐蝕的進一步加強,強度又開始下降。由強度的變化可