混凝土橋梁耐久性環(huán)境因素及其防護(hù)涂料分析

包琪　許純梅

摘要：橋梁作為交通樞紐發(fā)揮著越來越重要的作用。然而，大量混凝土橋梁在沒有達(dá)到預(yù)定的使用年限，就出現(xiàn)了耐久性嚴(yán)重退化現(xiàn)象。本文分析混凝土橋梁所處的腐蝕環(huán)境（大氣、水、氯鹽及日照）和腐蝕特點(diǎn)，介紹國內(nèi)外橋梁防護(hù)涂料的技術(shù)要求及防護(hù)涂裝配套體系的研究現(xiàn)狀，針對目前防護(hù)涂料缺乏考慮日照對混凝土橋梁的不利影響，提出應(yīng)用熱反射隔熱涂料的趨勢，為今后混凝土橋梁用功能性防護(hù)涂料提供參考。

關(guān)鍵詞：混凝土橋梁；腐蝕環(huán)境；防護(hù)涂料

中圖分類號：S 773；U 448.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1001-005X（2015）01-0128-04

Analysis of the Durability Environmental Factors

and Protective Coatings of Concrete Bridge

Bao Qi，Xu Chunmei*

（College of Civil Engineering，Southwest Forestry University，Kunming 650224）

Abstract：As the transportation junction，the bridge is playing an increasingly important role.However，a lot of the concrete bridges are broken seriously prior to the end of the predetermined useful life.In this paper，the corrosive environment and characteristics of the concrete bridge，such as air，water，chlorine，salt and sunshine were analyzed.The research status of the technical requirements of the bridge protective coatings and the system of matched protective coating were introduced.Due to the lack of consideration of the adverse effects of sunlight on the concrete bridge，it was put forward that heat reflective thermal insulating coating must be the trends，which will provide reference for the functional protective coatings of concrete bridge.

Keywords： concrete bridge；corrosive environment；protective coatings

收稿日期：2014-09-15

基金項(xiàng)目：西南林業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新基金（1402）

第一作者簡介：包琪，碩士研究生。研究方向：森林工程。

*通訊作者：許純梅，副教授。研究方向：橋梁工程。Email：705382404@qq.com

引文格式：包琪，許純梅.混凝土橋梁耐久性環(huán)境因素及其防護(hù)涂料分析[J].森林工程，2015，31（1）：128-131.公路橋梁作為交通運(yùn)輸?shù)难屎矶鴤涫荜P(guān)注，其運(yùn)營狀態(tài)對保障公路的正常通行、提高公路交通運(yùn)營效益具有非常重要的作用。然而，隨著環(huán)境的日益惡化，大量的鋼筋混凝土橋梁出現(xiàn)的病害使其還未達(dá)到規(guī)范中規(guī)定的使用年限，就提前失效了?；炷翗蛄翰『Ξa(chǎn)生的原因很多，有些是由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的抗力不足所導(dǎo)致，有的則是受使用荷載的不利影響，有的也與施工及其他因素有關(guān)，但更主要的原因是由于橋梁材料耐久性不足造成的。橋梁病害的產(chǎn)生給人類生命和財(cái)產(chǎn)帶來巨大損失。美國學(xué)者Sitter[1]曾用“五倍定律”形象地描述了由于考慮不周或措施不當(dāng)而導(dǎo)致混凝土耐久性不足造成的經(jīng)濟(jì)損失。目前，提高混凝土橋梁耐久性的技術(shù)手段眾多，如選擇高性能的鋼材與混凝土主材、通過添加劑改善材料的性能、表面處理技術(shù)、陰極保護(hù)技術(shù)等。其中，橋梁涂料因其具有輕質(zhì)、美觀、經(jīng)濟(jì)、施工簡單方便及具有良好的性能等優(yōu)點(diǎn)而備受青睞。本文將從混凝土橋梁腐蝕環(huán)境因素入手分析，提出混凝土橋梁用防護(hù)涂料的性能要求，指明日后混凝土橋梁用防護(hù)涂料的發(fā)展趨勢。

1混凝土橋梁腐蝕環(huán)境因素分析

鋼筋混凝土的發(fā)明與發(fā)展的主要因素之一是水泥漿具有保護(hù)鋼筋免受腐蝕的能力，暴露于大氣當(dāng)中的鋼筋混凝土梁體結(jié)構(gòu)受大氣環(huán)境（SO2、CO2）、水（混凝土溶蝕、凍融循環(huán)）、氯鹽及日照等影響，不可避免地導(dǎo)致混凝土劣化。劣化的混凝土使有害介質(zhì)得以順利進(jìn)去混凝土內(nèi)部引發(fā)鋼筋銹蝕，影響外觀的同時對結(jié)構(gòu)安全性造成威脅。

1.1大氣環(huán)境因素對混凝土耐久性的影響

隨著工業(yè)、建筑業(yè)及交通運(yùn)輸設(shè)備制造業(yè)的迅猛發(fā)展，污染的大氣中含有的硫化物、碳化物及氮化物是影響混凝土橋梁耐久性的主要不利因素。

SO2、CO2等酸性氣體與混凝土中的Ca（OH）2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)其pH值下降至9時，混凝土內(nèi)部的鋼筋因失去堿性保護(hù)而產(chǎn)生銹蝕，同時混凝土強(qiáng)度也明顯降低。在pH值為1.0的硫酸溶液中腐蝕8周期和13周期的普通硅酸鹽混凝土試件，強(qiáng)度分別降低8.8%和18.3%，認(rèn)為試件已被完全破壞[2]。而且，酸蝕還會使混凝土失去水泥黏結(jié)性，暴露出粗糙的骨料和腐蝕的鋼筋，最終導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)破壞。

此外，大氣中的有害氣體SO2是形成酸雨的主要成分，無論是酸性濕沉降還是干沉降，均將引起土壤酸化。酸化的土壤對混凝土橋墩耐久性有重要影響，當(dāng)土壤中所含硫酸鹽高于0.1%時，將導(dǎo)致混凝土膨脹開裂，結(jié)構(gòu)劣化失效。

1.2水對混凝土耐久性的影響

橋梁是橫跨江河湖海的，墩梁不可避免地處于水的腐蝕環(huán)境之中，混凝土材料的溶蝕及發(fā)生霜凍和解凍過程均需要水的參與或以水為介質(zhì)。溶蝕是一個比較復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)過程，其膠凝性隨著水泥中水化產(chǎn)物的分解和溶出而逐漸喪失[3]，導(dǎo)致混凝土的密實(shí)度和強(qiáng)度降低，因此溶蝕而引起的耐久性問題不容忽視。此外，隨著工業(yè)排放物對淡水的污染，溶蝕與水中硫酸鹽侵蝕的共同作用，加速了混凝土的劣化。因此，考慮多種因素的耦合作用對混凝土的長期性能及壽命評價來說是非常必要的[4]。

第1期包琪等：混凝土橋梁耐久性環(huán)境因素及其防護(hù)涂料分析

森林工程第31卷

身處冬季寒冷地區(qū)的混凝土橋梁，由于凍融和凍脹的循環(huán)作用，混凝土按由表及里的方向逐漸產(chǎn)生裂縫和剝蝕，形成大量的微觀滲水通道，溶解于水中的有害介質(zhì)（硫酸鹽、氯鹽、污染物、灰塵）浸入通道造成混凝土災(zāi)難性的腐蝕[5]。試驗(yàn)表明，凍融循環(huán)的次數(shù)與溫度對混凝土受拉力學(xué)性能及鋼筋混凝土的粘結(jié)性有著直接的影響，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土受拉力學(xué)性能下降程度逐漸增大[6]，鋼筋與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度逐漸降低。20～-75℃溫度段對鋼筋與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度強(qiáng)敵作用明顯[7]。

1.3氯鹽對混凝土耐久性的影響

氯鹽的腐蝕是沿海及高寒地區(qū)橋梁腐蝕破壞最重要的原因之一。氯鹽來自于混凝土的原材料、外部的海水、海洋大氣、防冰劑等，其通常以“混入”和“滲入”兩種方式進(jìn)入混凝土內(nèi)部，導(dǎo)致混凝土劣化及鋼筋銹蝕。

氯鹽與混凝土反應(yīng)生成易溶的CaCl2，體積增大好幾倍，造成混凝土的膨脹脹裂。當(dāng)水泥中水合鋁酸鈣含量高于8%時，混凝土很容易受到自由氯離子的腐蝕。同時，穿透力極強(qiáng)的Cl-與鋼鐵接觸時將迅速破壞鋼鐵表面的鈍化層，在鋼筋表面形成極易透氣和透水的鐵銹，一定程度下鐵銹產(chǎn)生的膨脹壓力將會使混凝土出現(xiàn)裂縫，引起混凝土損壞剝落，危害結(jié)構(gòu)的使用安全。鐵路部門2010年統(tǒng)計(jì)研究表明，侵蝕環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋銹蝕是近海橋梁結(jié)構(gòu)老化及耐久性失效的最主要原因。

此外，為了保證交通暢行及行車安全，冬季嚴(yán)寒地區(qū)要向橋面撒防冰劑。20世紀(jì)五六十年代，美國等西方國家由于對防冰鹽危害的認(rèn)識不足，20a后，56.7萬座高速公路橋已有半數(shù)以上遭腐蝕和需要修復(fù)，修復(fù)費(fèi)用高達(dá)千億美元。防冰劑中鹽溶液的濃度決定了混凝土的劣化性質(zhì)與程度。當(dāng)鹽溶液濃度（≤3%～4%）較低時，鹽—冰混合物在物理作用（凍融循環(huán)）下將導(dǎo)致混凝土凍脹剝落[8]；鹽溶液濃度高于3%～4%的防冰劑則對混凝土表面形成化學(xué)侵蝕。無論在濕潤還是干燥條件下，鹽溶液濃度大于15%的除冰劑明顯提高了混凝土的劣化速度[9]。此外，研究表明MgCl2和CaCl2對混凝土造成最大傷害的劣化濃度分別為20%和22%[10]，而目前市售的防冰劑當(dāng)中鹽溶液的濃度高達(dá)16%～32%。

1.4日照對混凝土耐久性的影響

除了考慮侵蝕介質(zhì)對橋梁耐久性的不利影響，還需考慮到日照（即溫度應(yīng)力）對混凝土橋梁的破壞。在大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁橋中，特別是超靜定結(jié)構(gòu)體系，太陽輻射在橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生的非線性溫差引起的溫度應(yīng)力可以達(dá)到甚至超過活載應(yīng)力[11]。10℃的線性溫差在跨中為181.4 m的橋梁中產(chǎn)生的正彎矩值相當(dāng)于中跨兩條車道布載所產(chǎn)生的正彎矩[12]；德國Jagst橋的厚腹板箱梁在通車第五年后邊出現(xiàn)嚴(yán)重裂縫，經(jīng)估算溫度拉應(yīng)力高達(dá)2.6MPa；美國對Clcampiny箱形橋梁進(jìn)行了觀測，其支座反力一日內(nèi)變化量高達(dá)26%（相當(dāng)于這一反力變化值的箱梁頂、底板表面的10℃溫差引起3.29 MPa下翼緣應(yīng)力）。在我國，漓江二橋、云南六庫怒江大橋、山東臺兒莊大橋、貴州思恩大橋和山西風(fēng)陵渡黃河大橋等的箱梁結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)了不同程度的裂損情況[13]；試驗(yàn)研究表明，箱梁某些部位的溫度應(yīng)力大于荷載應(yīng)力是預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁發(fā)生裂縫的主要原因。

我國幅員遼闊，各地的自然環(huán)境差異較大。由于混凝土橋梁所處的自然環(huán)境不同，對涂刷其表面的防護(hù)涂層體系的性能要求將有所不同。涂層體系（底漆+面漆或底漆+中間漆+面漆）要與混凝土基面具有很好的適應(yīng)性，同時能夠在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)維持應(yīng)有的防護(hù)效果。一方面，封閉漆與混凝土基面應(yīng)具有優(yōu)異的相容性（潤濕性、滲透性、耐堿性和優(yōu)異的附著力）。另一方面，中間漆應(yīng)具有良好的屏蔽性能。此外，工業(yè)污染嚴(yán)重地區(qū)，面漆的性能要求主要考慮耐酸、耐堿性；沿海地區(qū)海洋大氣中氯離子含量較高，應(yīng)涂刷具有抗氯離子能力及耐水性好的面漆；冬季寒冷地區(qū)，為避免凍融循環(huán)及防冰劑的不利影響，具有耐水性和抗氯鹽性能良好的面漆為最佳選擇；針對夏季高溫炎熱地區(qū)，在設(shè)計(jì)階段如果沒有充分考慮太陽輻射產(chǎn)生的溫度應(yīng)力或成橋后對梁體的降溫措施不當(dāng)，那么其對混凝土橋梁運(yùn)營階段的結(jié)構(gòu)安全性和耐久性的影響是相當(dāng)可觀的。這就要求混凝土橋梁用防護(hù)涂料在防水防腐的基礎(chǔ)上，還應(yīng)具有一定隔熱降溫的功能特性，將隔熱降溫涂料涂刷于混凝土橋梁受日照影響較大的部位可有效降低其表面溫度，避免由于日照引起的結(jié)構(gòu)開裂而使有害介質(zhì)的順利侵入。

2橋梁涂裝的國內(nèi)外研究進(jìn)展

2.1混凝土涂裝規(guī)范體系

在混凝土涂裝標(biāo)準(zhǔn)方面，歐洲和日本已形成了較為完整的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。EN1062、EN1504-2、EN1504-9和EN1504-10均為歐洲標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。日本相關(guān)部門分別在1884年制訂了《道路橋梁氯離子對策指南·解釋》、1988年制訂的《混凝土維護(hù)修復(fù)要領(lǐng)·橋梁篇》等。我國對混凝土涂裝的防腐提出了一些指導(dǎo)性意見的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范有GB50046-1995、HG/T20587-1996、JTJ275-2000、JTG/TB07-01-2006。隨后頒布實(shí)施的交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JT/T695-2007《混凝土橋梁結(jié)構(gòu)表面涂層防腐技術(shù)條件》和JT/T821-2011《混凝土橋梁結(jié)構(gòu)表面防腐涂料》是專門針對混凝土橋梁表面涂層的標(biāo)準(zhǔn)[14]，它系統(tǒng)地介紹了混凝土橋梁結(jié)構(gòu)表面防腐涂層的設(shè)計(jì)原則和施工質(zhì)量控制。

目前，國內(nèi)外有關(guān)混凝土橋梁涂料的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中僅對防腐技術(shù)和涂層體系要求做了規(guī)定，如規(guī)定了水的滲透性、二氧化碳透過率、氯離子濃度決定涂裝體系及耐堿性和抗氯離子的滲透指標(biāo)等等。而對具有降溫隔熱功能的混凝土橋梁用涂裝體系的相關(guān)規(guī)定尚未提及。

2.2混凝土橋梁用防護(hù)涂裝體系

目前，國內(nèi)外混凝土橋梁常用的防護(hù)涂裝材料品種包括環(huán)氧及改性產(chǎn)品涂料、聚氨酯產(chǎn)品、聚脲彈性體、丙烯酸酯以及氟樹脂涂料等，多以防水防腐為主。如上海南浦大橋采用了環(huán)氧富鋅底漆+云鐵環(huán)氧中漆+氯化橡膠面漆的體系；杭州灣跨海大橋采用的涂裝體系為環(huán)氧樹脂封閉底漆+環(huán)氧樹脂中涂+聚氨酯面漆/氟碳面漆；京滬高鐵混凝土橋梁全線采用的聚氨酯底漆+芳香聚脲脂中層+丙烯酸脂肪族聚氨酯面漆配套體系在全國掀起了聚脲熱；美國加利福尼亞圣馬特奧橋采用100%固體分含量環(huán)氧砂漿底漆+芳香族聚脲樹脂中間涂層+脂肪族聚脲樹脂面漆的配套體系；日本的明石海峽大橋采用無機(jī)富鋅底漆+環(huán)氧中漆+氟樹脂面漆的涂裝配套體系[15]；

隨著防護(hù)涂料在混凝土橋梁上的普遍使用，完善混凝土橋梁用防護(hù)涂料的功能性是極其必要的。為降低橋梁混凝土結(jié)構(gòu)表面溫度，可在涂料當(dāng)中加入功能材料，使其滿足防水防腐要求的同時具有隔熱降溫功能。隔熱降溫涂料是一種新型的功能性涂料，其按隔熱機(jī)理和隔熱方式的不同，可分為阻隔性隔熱涂料、反射隔熱涂料及輻射隔熱涂料3類[16-17]。其中，熱反射隔熱涂料具有降溫效果明顯、安全系數(shù)高、施工操作簡便且環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在建筑、儲（氣）罐、汽車以及飛行器甲板等領(lǐng)域的降溫中得到廣泛的應(yīng)用并取得較好的效果。熱反射隔熱涂料在混凝土橋梁上的應(yīng)用有待研究，這里提出了幾種應(yīng)用方案：可將原涂層體系的面漆替換成熱反射隔熱涂料；或制備具有隔熱降溫功能的防水防腐涂料直接涂刷于混凝土結(jié)構(gòu)表面；亦或研制具有荷葉效應(yīng)的防水防腐降溫涂料等。

3結(jié)束語

在眾多的提高混凝土橋梁耐久性的防護(hù)措施中，表面涂層防護(hù)是一種簡便而有效的防護(hù)措施。與提高混凝土保護(hù)層厚度和增加混凝土的密實(shí)度相同，表面涂層通過物理隔絕方式阻隔腐蝕因子的侵入。本文從混凝土橋梁腐蝕環(huán)境因素展開分析，介紹了混凝土橋梁用防護(hù)涂料應(yīng)具有的基本性能要求，并針對尚未考慮日照產(chǎn)生的溫度應(yīng)力造成混凝土橋梁耐久性不足的問題，提出了熱反射隔熱涂料在混凝土橋梁防護(hù)當(dāng)中的現(xiàn)實(shí)方案，為更加完善混凝土橋梁用防護(hù)涂裝提供參考依據(jù)。

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