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新型水工混凝土表面防護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．河海大學水利水電學院 2．長江水利委員會長江科學院 3．國家大壩安全工程技術研究中心 4．三峽地區地質災害與生態環境湖北省協		點擊數：	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涂層抗凍融性能研究
梁 慧 ，汪在芹2 ，李 珍2
(1．河海大學水利水電學院，江蘇南京201198； 2．長江水利委員會長江科學院，湖北武漢430010；
3．國家大壩安全工程技術研究中心，湖北武漢430010； 4．三峽地區地質災害與生態環境湖北省協
同創新中心，湖北宜昌443000)
摘要：西部高寒地區地理位置獨特，水文地質氣候條件復雜，自然環境惡劣，造成該區域內水利工程混凝土材
料易發生凍融劣化破壞。對此，選取課題組已研發的3種新型水工混凝土表面防護涂層材料(耐候型環氧涂
層、不飽和聚酯樹脂和聚脲涂層體系)，進行室內加速凍融試驗。試驗結果表明，以環氧膠泥為底漆，聚脲材
料為面漆的水工混凝土表面防護涂層的抗凍性能最優。隨后在西藏地區水利水電工程進行了現場生產性試
驗，通過觀測發現，新型聚脲材料起到了很好的抗凍防護效果。該材料有望應用于西部高寒地區水工建筑物
的表面防護，提高水利水電工程建筑物的耐久性。
關鍵詞：水工混凝土；凍融循環；表面防護涂層；西部高寒地區
中圖法分類號：TV431 文獻標志碼：A DOI：10．16232／j．cnki．1001—4179．2015．22．018
l 研究背景
西部高寒地區地理位置獨特，地質氣候復雜，自然
環境惡劣。與其他地區相比，西部高寒地區特別是西
藏地區的主要特點是嚴寒干燥、日溫差大、深覆蓋層凍
土、紫外線輻射強烈、大風日數頻繁等¨ 。該地區混
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，加快劣化進程，如沖刷、溶蝕及碳化過程 。
水工混凝土表面防護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滲、耐腐
的涂料，使水工混凝土表面形成一層防水不透氣的保
護層，隔離外部環境因子如空氣、水和氯鹽等對水工混
凝土的侵害，彌補混凝土的多孔缺陷，有效阻止結構剛
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的3種新型水工混凝土表
面防護涂層材料，開展混凝土試件室內加速凍融試驗，
對比不同防護涂層的抗凍性能，并進行現場生產性試
驗，從而判斷制備的涂層材料是否適用于西部高寒地
區水利工程。
2 試驗材料及方法
2．1 原材料及試樣制備
室內加速凍融試驗所用混凝土試件、水泥砂漿試
件的成型和養護均按照SL 352—2006《水工混凝土試
驗規程》進行。混凝土試件配合比見表1，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氧膠泥作為底漆、自制的脂肪族
收稿日期：2015—07—03
基金項目：水利部公益性行業專項“西部高寒地區水利工程劣化防護措施研究”(201301023)；中央高?；究蒲袠I務費專項
資金資助項目“西部高寒地區聚脲類水工混凝土防護涂層的劣化及防護機理”(2014B37314)；科技部國際科技合作
計劃專項“水工新型防護涂層材料制備與應用的合作研究”(2010DFB70470)
作者簡介：梁 慧，女，博士研究生，研究方向為新型水工建筑材料。E—mail：achoig@163．corn
通訊作者：汪在芹，男，教授級高級工程師，博士生導師，研究方向為水工建筑材料。Email：wangzq@mail．crsri．an
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標準砂／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厚的耐候性環氧涂
層、聚脲防護涂層體系(1 mm環氧膠泥底涂、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
料試驗方法》，在室溫為(23±2)℃ 、相對濕度為(50±
5)％條件下養護7 d備用。
2．2 試驗設備及方法
利用全自動混凝土凍融試驗機(日本圓井公司，
Mrr一683—0—63型)按照SL352—2006(水工混凝土
試驗規程》中的混凝土抗凍性試驗、水泥砂漿抗凍性
試驗方法進行凍融試驗。此規范規定遇到下列情況之
一即可停止試驗：① 已達到300次凍融循環；② 相對
動彈性模量下降到60％ 以下；③ 質量損失率不小于
5％ 。利用萬能試驗機(日本島津公司生產，AG— IC
lO0kN型)測試材料的抗拉、抗折和抗壓性能。
3 結果與討論
根據GBT 16777—2008(建筑防水涂料試驗方法》
測試涂層材料的粘接強度和抗拉強度，并選擇粘接性
能、抗拉性能較好的涂層材料進行凍融試驗。再依照
SL 352—2006(水工混凝土試驗規程》，利用質量損失
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、抗壓強度，評價涂層材料對水工混凝土的保
護效果。
在大量配合比試驗基礎上，可選取抗拉性能較好
的耐候性環氧涂層、不飽和聚酯樹脂和聚脲涂層材料
的配比，其抗拉強度分別為23．01，28．02 MPa和l0．91
MPa。
再對上述涂層材料進行粘接性能測試，發現耐候
性環氧涂層粘接力大于3．5 MPa，且破壞多發生在混
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。
對耐候性環氧涂層材料在凍融破壞后的抗拉性能
測試可發現(見圖1)，經150次凍融循環后，其抗拉性
能依然表現良好；但當凍融次數大于200次后，抗拉強
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，經過300次凍融循環后，其抗
拉強度仍為初始抗拉強度的88．89％ 。而且，聚脲材
料在300次凍融循環期間，材料表面未發生明顯收縮
變形或裂紋現象。
圖1 凍融破壞對涂層材料抗拉性能的影響
3．1 質量損失率與相對動彈性模量
分別對未涂刷任何防護涂層及涂刷了耐候性環氧
涂層、聚脲類表面防護涂層體系的水泥砂漿試件進行
室內加速凍融實驗。
結果顯示，經歷100次凍融循環后，未涂刷任何防
護涂層材料的水泥砂漿試件表面已嚴重破壞；試件質
量損失達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 未涂任何防護材料的水泥砂漿試件抗凍性能
對只涂刷耐候性環氧涂層的水泥砂漿試件進行室
內加速凍融實驗，發現試件從200次凍融循環后開始
出現裂隙，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200次甚至
300次凍融循環后表面未發現裂縫或損傷，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；凍融后質量和相對動彈性模量出現
第22期 梁 慧，等：新型水工混凝土表面防護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 力學性能
分別將單一的耐候性環氧涂層和聚脲防護涂層體
系涂刷到砂漿試件表面，并開展三點彎曲抗折測試。
結果顯示，兩種涂層與水泥砂漿之間界面粘接均較好，
未出現因凍融作用產生應變差異而出現的界面破壞，
表明這兩種涂層材料與水泥砂漿均具有較協同的溫度
變形率。
圖2為涂刷耐候性環氧涂層的水泥砂漿試件經歷
不同凍融循環次數后的力學性能變化曲線?？梢钥?
出，此水泥砂漿試件經受150次凍融循環期間，其抗折
強度和抗壓強度變化甚微。從200次凍融循環后，由
于環氧涂層出現裂隙，試件內部的水泥砂漿浸水，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氯涂層材料的
水泥砂漿試件力學性能影響
結果與耐候性環氧涂層材料經凍融循環破壞后的抗拉
效果一致。
圖3為涂刷聚脲防護涂層體系的水泥砂漿試件經
歷不同凍融循環次數后的力學性能變化曲線。隨著凍
融次數的增加，該水泥砂漿試件強度特性呈下降趨勢，
其中抗折強度下降幅度較大，而抗壓強度下降趨勢略
緩。從凍融循環100次的情況來看，試件抗折強度剩
余87．5％ ，抗壓強度剩余91．15％ ；200次循環后抗折
強度剩余31．18％ ，抗壓強度剩余74．63％ ；300次循
環后抗折強度剩余1．7％ ，抗壓強度剩余74．43％ 。
圖3 凍融破壞對涂刷聚脲防護涂層體系的
水泥砂漿試件性能影響
3．3 現場生產性試驗
為驗證新型聚脲涂層在水利水電工程中實際應用
的抗凍融防護效果，2014年陸續在藏木水電站、滿拉
水庫、丹江口水電站等水利水電工程進行現場生產性
試驗。經過觀測發現，新型聚脲防護涂層體系不僅可
以有效防止水工混凝土表面因凍融產生剝蝕和裂紋，
而且還能阻止滲漏和沖蝕，進一步防止凍融破壞。
4 結語
針對西部地區的高寒特性，本文選取課題組已研
制的耐候性環氧涂層材料、新型聚脲防護體系涂層材
料和不飽和聚酯樹脂材料，通過室內加速凍融試驗對
比發現，以環氧膠泥為底漆、聚脲材料為面涂的水工混
凝土表面防護涂層的抗凍性能最優。西藏藏木等水電
站進行的現場生產性試驗結果表明，新型聚脲材料初
步起到了抗凍效果。因此，該材料有望應用于西部高
寒地區水工建筑物的表面防護，提高水利水電工程建
筑物的耐久性。
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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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