鋼筋混凝土防護涂層的應(yīng)用

宋進朝，韓文靜，翟 瞻，馮 敏

(永城職業(yè)學(xué)院建筑工程系，河南永城 476600)

鋼筋混凝土防護涂層的應(yīng)用

宋進朝，韓文靜，翟 瞻，馮 敏

(永城職業(yè)學(xué)院建筑工程系，河南永城 476600)

涂覆防護涂層是提高鋼筋混凝土耐久性的有效方法之一，在探討鋼筋混凝土失效原因的基礎(chǔ)上，主要從混凝土防護和鋼筋防護兩個方面綜述鋼筋混凝土中防護涂層的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對鋼筋混凝土表面涂層材料的發(fā)展趨勢進行展望。

鋼筋混凝土;失效;涂層;耐久性;防護

引 言

混凝土的堿性狀態(tài)發(fā)生的改變會破壞鋼筋表面的鈍化膜，進而出現(xiàn)鋼筋的局部腐蝕。鋼筋的腐蝕是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞和早期失效的主要原因之一。隨著國內(nèi)外混凝土結(jié)構(gòu)中因鋼筋銹蝕導(dǎo)致耐久性降低的問題越來越多，各種新興的防腐技術(shù)成為人們研究的熱點［1］。涂層技術(shù)是一種簡便有效的防腐措施，隨著涂層防腐涂裝的發(fā)展，出現(xiàn)了很多有效防護涂層，本文主要闡述鋼筋混凝土中防護涂層的應(yīng)用現(xiàn)狀，以利于推廣應(yīng)用并優(yōu)化創(chuàng)新防護涂層技術(shù)，從而減少腐蝕破壞的損失和不良影響。

1 鋼筋混凝土失效原因

導(dǎo)致鋼筋混凝土失效的原因很多，造成混凝土劣化失效的原因依次為鋼筋銹蝕、凍融循環(huán)、堿-骨料反應(yīng)以及硫酸鹽侵蝕等方面。膨脹與開裂在混凝土劣化中起著決定性作用［2-3］。鋼筋表面由于水合作用形成的鈍化膜呈堿性，完整的鈍化膜起著連續(xù)保護作用。導(dǎo)致鈍化膜破壞的主要因素有:Cl－、SO42－或其它酸性介質(zhì)使混凝土堿性降低、鈍化膜破壞;混凝土中摻加大量活性混合材料或采用低堿度水泥;碳化作用［4］。

可從兩個方面提高鋼筋混凝土的防護性能:一是混凝土，對混凝土采取表面防護技術(shù)以防止鋼筋銹蝕和混凝土劣化，是保證并提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的有效途徑。如在孔隙率低的高強混凝土的表面施加涂層和膜層保護，在結(jié)構(gòu)設(shè)計允許的情況下提高混凝土保護層的厚度等［4］;二是鋼筋，在鋼筋表面施加環(huán)氧涂層和金屬鍍層等。

2 鋼筋混凝土防護涂層的應(yīng)用

2.1 混凝土表面防護涂層的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1.1 混凝土表面的涂層

混凝土是多孔材料，在其表面布施涂料以隔離或限制它與侵蝕性介質(zhì)的接觸和堿-骨料反應(yīng)的發(fā)生，可提高混凝土的耐久性以及使混凝土中的鋼筋免遭腐蝕，此外還有裝飾和美化的作用［5-6］。針對混凝土的高堿性、含水性和多孔性的特點，涂料應(yīng)具備耐堿性、耐水性、浸漬性和良好的耐侯性。

混凝土外表面涂層有剛性表面涂層(如水泥基滲透結(jié)晶型涂層、聚合物水泥砂漿涂層)與柔性表面涂層(如硅烷涂層與丙烯酸樹脂涂層)兩大種類，都可以在一定程度上阻止水分和侵蝕性介質(zhì)與混凝土接觸，對混凝土耐久性的防護起著積極的促進作用。

1)混凝土外表面剛性涂層。鄭敏升［7］研究了滲透結(jié)晶型外表面涂層防護作用，發(fā)現(xiàn)侵入水泥基滲透結(jié)晶型材料具有良好的抗老化和抗侵蝕能力，能使混凝土的抗碳化性和抗氯離子滲透性大幅提高。水泥基滲透結(jié)晶型表面涂層已應(yīng)用在某些橋梁工程，用于修補橋梁工程在設(shè)計或施工過程中混凝土保護層厚度不足可能造成的耐久性破壞隱患。柔性涂層材料對混凝土耐久性的防護能力相對較好，但剛性涂層材料的抗老化、抗環(huán)境溫、濕度變化的能力更佳［8］。兩者結(jié)合可以采用剛性涂層材料為面層、柔性涂層材料為底層的復(fù)合方法。

傳統(tǒng)的混凝土保護材料有環(huán)氧樹脂、聚氨酯、丙烯酸樹脂、氯化橡膠及乙烯樹脂等，但傳統(tǒng)保護材料存在耐堿性差、附著力小、耐久性差及施工困難等問題。新型涂料分為無機、有機材料涂層。無機材料覆蓋層，如水泥砂漿、石膏等。劉亞芹等［9］用水泥砂漿、石灰砂漿和酚醛調(diào)和漆三種涂層進行了對比研究，結(jié)果表明，水泥砂漿的覆蓋層碳化延緩效率最高，且覆蓋層越厚，延緩效率越高。有機涂層既能阻止水向混凝土內(nèi)部滲透和擴散，又有利于混凝土內(nèi)部的水向外部消散，具有很好的防護作用。無機涂料具有良好的透氣性、抗污染性以及優(yōu)良的綜合環(huán)保性能。隨著人們對建筑涂料性能、環(huán)保方面的要求愈來愈嚴格，國外發(fā)達國家十分重視無機涂料的性能研究和生產(chǎn)應(yīng)用，在這些方面做了大量的工作。我國起步晚，但是起點較高。研制的無機涂層是以國際最新研究領(lǐng)域水泥基無機水硬化物與天然植物膠粉為主的新一代涂層，同時采用了氧化改性水性礦物涂料，綠色環(huán)保，并具有廣譜抗菌性，對多種細菌、霉菌 2min抑菌率達到99.98%以上。在施工于混凝土及磚石面層上時，通過石化反應(yīng)與墻體結(jié)合牢固，無明顯界面層，與以往有機涂料的成膜原理有根本意義上的不同，具有不助燃、耐酸堿的顯著特點。

2)混凝土外表面柔性涂層。從20世紀90年代起，隨著有機硅技術(shù)的發(fā)展，新型有機硅材料已被廣泛應(yīng)用于建筑物防水、防腐蝕和保護等領(lǐng)域［10］。但是需要注意丙烯酸橡膠、有機硅等材料的老化、滲透量控制問題。李柯等［11］就有機硅改性丙烯酸乳液作為新型的混凝土防護涂層合成方法及其對混凝土耐久性的影響進行研究，結(jié)果表明，防護涂層可以很好地提高混凝土的耐久性。2000年韓國In Dong Hwang等［12］改進了硅烷乳液的穩(wěn)定性，用堿土金屬皂(W/O)和堿金屬皂(O/W)型表面活性劑乳化、0.24%聚乙烯醇(PVA)為保護膠體。這種硅烷乳液滲透深度大于4mm，吸水率小于10%。黨俐等［13］利用化學(xué)改性法將帶乙烯基的有機硅活性單體和丙烯酸酯類單體共聚，對丙烯酸樹脂進行改性，合成了一種新型的混凝土防護涂層，研究測定發(fā)現(xiàn)此種改性樹脂具有兩種樹脂的優(yōu)點，又能互相彌補其缺點，有重要的研究和應(yīng)用價值。

目前新型混凝土結(jié)構(gòu)耐久性涂層材料可分為多功能噴涂聚脲、滲透型保護液(防水劑、憎水劑)和纖維增加型保護材料。從原理分析，聚脲和纖維增強型保護材料均能在混凝土表面形成高彈性、高強度的連續(xù)保護層，從而起到防止結(jié)構(gòu)開裂、防腐和提高結(jié)構(gòu)耐久性的作用;而滲透型保護液僅形成密實保護層，不能改善混凝土脆性，故難以防止結(jié)構(gòu)開裂。從施工技術(shù)分析，聚脲技術(shù)采用專用噴涂設(shè)備施工，效率較纖維增加型保護材料有大幅度提高。在這里僅介紹多功能噴涂聚脲的應(yīng)用現(xiàn)狀。

聚脲是一種高性能聚氨酯彈性體，其芳香族聚脲和常規(guī)脂肪族聚脲己廣泛應(yīng)用于制備高耐候性和耐化學(xué)腐蝕的防護涂層［14］。周琦等［15］指出聚脲彈性體(SPUA)作為新型噴涂聚脲多功能綠色材料能在混凝土表面形成密實、穩(wěn)定的保護層，從而提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性。從原理分析，SPUA技術(shù)和纖維增加型保護材料均能在混凝土表面形成高彈性、高強度和連續(xù)的保護層，防止結(jié)構(gòu)開裂，提高結(jié)構(gòu)耐久性，但滲透型保護液僅形成密實保護層，不能改善混凝土的脆性。從施工技術(shù)分析，SPUA技術(shù)采用專用噴涂設(shè)備施工效率大幅度提高，更適合工期要求緊的搶修和海洋等惡劣條件的工程。鐘萍等［16］研究了聚氨酯(脲)涂層沖蝕磨損性能，認為純聚脲涂層具有比聚氨酯/聚脲混合體系涂層更優(yōu)越的磨損性能，在干摩擦條件和高速含水砂流沖蝕條件下都體現(xiàn)出優(yōu)異的抗沖蝕磨損性能。

新型涂層材料的合成和高性能涂層的研制對海洋混凝土結(jié)構(gòu)防護工程具有重要的意義。呂平［17］進行了海洋混凝土防護用新型聚天冬氨酸酯聚脲涂層的研究。通過傅氏轉(zhuǎn)換紅外線光譜分析儀(FTIR)、示差掃描量熱儀(DSC)、動態(tài)熱機械分析儀(DMA)和原子力顯微鏡(AFM)，考察了其結(jié)構(gòu)形態(tài)和性質(zhì)及其在海洋環(huán)境中的耐老化性和對海洋混凝土結(jié)構(gòu)的防護性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，新型聚天冬氨酸酯聚脲涂層具有良好的耐戶外曝曬大氣老化性能;拉伸強度變化率為5.2% ～10.2%;斷裂伸長變化率為4.3% ～6.8%，其耐鹽霧老化性能更好。具有較高的硬段含量、結(jié)構(gòu)有序度、溫度固化及一定厚度的聚脲涂層的結(jié)構(gòu)致密度更高，耐腐蝕性更好。童忠良［18］開發(fā)與研究了三元聚合納米氟硅互穿網(wǎng)絡(luò)的合成及防震新型砼體表面結(jié)構(gòu)防護涂料，把三元聚合納米乳膠互貫網(wǎng)絡(luò)聚合物(LIPN)、乙烯-醋酸乙烯酯及納米致密化抗震劑等材料應(yīng)用在路橋涂料中。

2.1.2 外加電流法中的導(dǎo)電涂層

對于土壤和海水中的鋼筋混凝土建筑，用犧牲陽極法保護陰極可使鋼筋免受腐蝕?；炷脸Ｓ玫臓奚枠O材料為鋅陽極，表現(xiàn)形式有鋅網(wǎng)、鋅塊、熱噴鋅、鋅鋼復(fù)合筋(鋅線沿鋼筋長度方向拼合)和鋅箔。對于地面和水面的鋼筋混凝土建筑，可采用導(dǎo)電涂層［19］。導(dǎo)電涂層主要有導(dǎo)電混凝土、熱噴涂金屬層和導(dǎo)電涂料(導(dǎo)電膠)。

導(dǎo)電混凝土是指由膠凝材料、導(dǎo)電材料和水等按一定配合比組成的水泥基功能復(fù)合材料。常用于混凝土的導(dǎo)電組分主要有石墨粉、碳纖維、鋼纖維及鋼屑等，不同組分導(dǎo)電混凝土的力學(xué)和導(dǎo)電性能差異較大［20］。在內(nèi)置鋼筋的普通混凝土表面鋪設(shè)一層導(dǎo)電混凝土，其中埋設(shè)若干只輔助陽極。導(dǎo)電混凝土主要用于橋面板和停車場樓板，用在公路面板上還要覆蓋耐磨層。把陽極(鈕扣狀或餅狀硅鐵陽極)固定在混凝土構(gòu)筑物表面，然后覆蓋一層導(dǎo)電瀝青或?qū)щ娀炷?δ為3～5cm)。這種陽極系統(tǒng)主要用于橋面，優(yōu)點是簡單實用，但是導(dǎo)電混凝土連同耐磨層的質(zhì)量及其厚度，限制了這種陽極系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。洪定海［21-22］研制了 As導(dǎo)電砂漿，可用人工直接涂復(fù)在混凝土構(gòu)件的底面或側(cè)面作為實施陰極保護用的次陽極。

噴涂鋅等金屬涂層。混凝土表面進行噴砂或噴丸、清除雜物和粗化等預(yù)處理，把絲狀或粉末狀的合金或金屬用火焰或者電弧將其熔化，借助壓縮空氣在混凝土表面噴涂金屬層。噴涂類似于噴漆，易于實施到混凝土結(jié)構(gòu)直立面或復(fù)雜形狀的邊角處以及板塊下表面。熱噴鋅層既可用于外加電流系統(tǒng)，也可用作犧牲陽極系統(tǒng)［23］。

導(dǎo)電膠又稱導(dǎo)電油漆，是一種導(dǎo)電的糊狀物，干膜δ為0.2～0.5mm。目前，導(dǎo)電膠用的導(dǎo)電填料主要有銅粉、銀粉和銅-銀雙金屬粉。導(dǎo)電膠可應(yīng)用于橋梁支撐結(jié)構(gòu)及鋼筋混凝土的地下水管的陰極保護，在海洋環(huán)境中如碼頭、棧橋等鋼筋混凝土構(gòu)筑物，需要采用外加電流法，并在鋼筋混凝土構(gòu)筑物上面增設(shè)一層導(dǎo)電材料，使保護電流均勻布滿被保護物表面。邱富榮等［24］研究了海洋鋼筋混凝土構(gòu)筑物導(dǎo)電涂層陰極保護系統(tǒng)，研制了聚合物導(dǎo)電膠，通過室內(nèi)、室外和現(xiàn)場實驗證明該導(dǎo)電膠導(dǎo)電性好、價格便宜及涂覆容易，但在水線附近存在易剝落問題尚待解決。

在橋墩和樓房外墻上也可使用電纜陽極。導(dǎo)電塑料包裹的銅芯導(dǎo)線盤繞或用網(wǎng)格板固定在混凝土表面，然后澆灌一層水泥膠合層。

2.2 鋼筋表面防護涂層的應(yīng)用

2.2.1 鋼筋表面環(huán)氧樹脂涂層

環(huán)氧樹脂涂層不與酸堿發(fā)生反應(yīng)，具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性，還有干縮小，延性大的特點，與金屬表面有極佳的粘結(jié)性。同時能夠有效地隔離鋼筋表面，切斷氯離子通路，是在金屬表面制作防腐膜的理想材料。但是涂層的使用也會對鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能造成一定的不利影響，可通過增加保護層厚度、適當(dāng)延長錨固和綁扎長度等措施予以解決［25］。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物中螺紋鋼筋的防腐蝕多采用環(huán)氧涂料。

環(huán)氧材料有粉末環(huán)氧樹脂和液體環(huán)氧樹脂兩種，其主要原料包括環(huán)氧樹脂、增塑劑、固化劑和耐堿材料等。液體環(huán)氧樹脂涂裝方法有涂刷法、噴涂法和浸涂法;粉末環(huán)氧樹脂涂裝方法有靜電噴涂法、粉末浴法和靜電粉末浴法。靜電噴涂法是先將鋼筋加熱，然后將液態(tài)環(huán)氧樹脂噴涂于鋼筋表面，環(huán)氧遇熱融化塑性會增大很多，冷卻之后會固化，在鋼筋表面形成致密連續(xù)的涂層。粉末靜電噴涂是基于高壓靜電感應(yīng)原理在噴槍與工件之間形成靜電場，使粉末在靜電和壓縮空氣的雙重作用下均勻地吸附到工件上［26］。

使用方法一是在工廠內(nèi)進行機械化噴涂環(huán)氧粉末涂料，制成帶防腐蝕粉末涂層的鋼筋;另一途徑在工地現(xiàn)場采用高固體分環(huán)氧涂料噴涂或刷涂制作防腐蝕環(huán)氧涂層鋼筋。前者不含揮發(fā)性溶劑，涂層致密并符合環(huán)保要求，但設(shè)備投入大，成膜后表面光滑，極大地降低了鋼筋的粘結(jié)錨固強度;后者除有部分有機溶劑排放外，施工靈活，造價低。環(huán)氧樹脂涂層鋼筋已被廣泛應(yīng)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，美國、加拿大一些國家的工程上已廣泛應(yīng)用，我國也制定了環(huán)氧涂層鋼筋產(chǎn)品標(biāo)準以促進其在工程中的應(yīng)用。

張晏清［27］研究了環(huán)氧樹脂、環(huán)氧砂漿、丁苯橡膠(SBR)、膠乳水泥砂漿、SBR膠乳水泥凈漿作為氯鹽環(huán)境中鋼筋防腐蝕保護層的性能。表明環(huán)氧樹脂涂層具有良好的防腐蝕性與電絕緣性。環(huán)氧砂漿涂層具有較好的粘附性、防腐蝕性及握緊力，可以作為不同直徑與表面形態(tài)鋼筋的防護涂層。許清風(fēng)等［28］研究了鋼筋的直徑、外形、涂層的厚度、混凝土保護層的厚度和有無箍筋約束等因素對環(huán)氧涂層鋼筋粘結(jié)強度和錨固性能降低程度的影響，以及減低這些影響的措施。認為環(huán)氧涂層宜選用直徑相對較小的鋼筋，對于直徑較小的鋼筋涂層δ為0.13～0.23mm;環(huán)氧涂層鋼筋混凝土保護層厚度應(yīng)適當(dāng)加大;宜在環(huán)氧涂層鋼筋錨固長度范圍內(nèi)配置不少于構(gòu)造要求的箍筋。

2.2.2 鋼筋表面金屬鍍層

對鋼筋進行鍍層保護的表面防護分為金屬和非金屬表面防護。由于熱鍍鋅鋼筋工藝簡單，效果明顯，使其成為鋼筋防銹蝕的有效手段之一，因而有很大的應(yīng)用前景。熱鍍又稱熱浸鍍，是將被保護金屬制品浸在熔融金屬中，使其表面形成一層保護性金屬覆蓋層，選用低熔點耐蝕耐熱的金屬鋅［29］。由于鍍鋅過程中鋅液與鋼筋表層發(fā)生冶金反應(yīng)，生成牢固的覆蓋層，從而隔絕外部腐蝕環(huán)境;同時鋅層可以作為犧牲陽極對鋼基體提供電化學(xué)保護，工業(yè)上熱鍍鋅的生產(chǎn)效率高［30-31］。

3 鋼筋混凝土防護涂層發(fā)展方向

鋼筋混凝土構(gòu)筑物所處環(huán)境復(fù)雜多樣，應(yīng)當(dāng)采用多種有效的、綜合的保護措施。鋼筋混凝土防護涂層有很大的研究空間和發(fā)展前景。

1)可進一步探討鋼筋與混凝土界面微化學(xué)環(huán)境及相互作用破壞機理及其規(guī)律，為開發(fā)更有效的防護涂層提供理論和實驗的依據(jù)。

2)噴涂涂層產(chǎn)生的孔隙會加劇腐蝕介質(zhì)侵蝕，可研究適應(yīng)環(huán)境并與噴涂涂層性能匹配的有機涂層進行堵孔，施加在噴涂涂層表面進行復(fù)合保護。

3)以環(huán)境保護為前提進行鋼筋混凝土防護涂層研究，走綠色可持續(xù)發(fā)展路線。

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Application of Protection Coating for Reinforced Concrete

SONG Jin-chao，HAN Wen-jing，ZHAI Zhan，F(xiàn)ENG Min
(Department of Civil Engineering，Yongcheng Vocational Colloge，Yongcheng 476600，China)

Protection coating is one of the useful methods for enhancing the durability of reinforced concrete.In this paper，the failure cause of reinforced concrete under corrosive environment are analyzed，and then the current status of protection coating for reinforced concrete are summarized from concrete and rebar protection.Finally，the deveolpmental trends of coating materials for reinforced concrete are predicted.

reinforced concrete;failure;coating;durability;protection

TB304;TU37

A

1001-3849(2012)06-0020-05

2011-11-17

2011-12-14