融雪鹽環(huán)境下橋梁混凝土防腐涂層研究進(jìn)展

文一平　呂昕　宋莉芳

摘? ?要：橋梁混凝土在服役過(guò)程中如遭受鹽凍腐蝕，將導(dǎo)致混凝土耐久性變差，使用壽命大大降低。研究橋梁混凝土的在融雪鹽環(huán)境下的腐蝕破壞現(xiàn)象，提高其耐久性，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文總結(jié)了公路橋梁混凝土在融雪鹽環(huán)境下的腐蝕破壞特點(diǎn)和形成原因，歸納了目前針對(duì)融雪鹽造成的混凝土鹽凍腐蝕破壞問(wèn)題的防護(hù)手段，最后對(duì)混凝土防腐蝕涂層的材料研發(fā)和應(yīng)用的進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：橋梁混凝土? 防腐? 鹽凍? 涂層

中圖分類號(hào)：TQ316.33? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）07（a）-044-04

Abstract： The durability of bridge concret will be deteriorated if the salt corrosion occured during the service process. The? concrete service life will be greatly reduced. It is of great practical value to study the corrosion damage of bridge concrete under the snow melting salt environment and improve its durability. The corrosion failure characteristics and corrosion formation reasons of bridge concrete under snow melting salt environment have been summarized. The current protection measures for bridge concrete against salt corrosion caused by snow melting salt has been presented. Finally， the research progress and application of concrete anti-corrosion coating materials have been given in detail.

Key Words： Bridge concrete; Anti-corrosion; Salt freezing; Coating

近年來(lái)，我國(guó)公路橋梁建設(shè)發(fā)展迅速，交通設(shè)施逐步完善，但也給公路橋梁維護(hù)帶來(lái)了巨大壓力。特別是水泥混凝土橋面板、護(hù)欄等結(jié)構(gòu)，在服役過(guò)程中往往受到諸多因素的影響，如凍融，腐蝕，堿骨料反應(yīng)，鋼筋腐蝕，機(jī)械損傷等。繼而在應(yīng)力腐蝕作用下出現(xiàn)層狀剝落脫落，嚴(yán)重情況下出現(xiàn)砂石外漏、疏松露筋。甚至有的混凝土結(jié)構(gòu)的外觀并沒(méi)有明顯的腐蝕劣化，但強(qiáng)度明顯降低，腐蝕破壞現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

鹽凍腐蝕破壞問(wèn)題在橋梁混凝土中十分突出，特別是由融雪鹽引起的鹽凍腐蝕破壞會(huì)嚴(yán)重導(dǎo)致混凝土劣化、鋼筋銹蝕、橋梁結(jié)構(gòu)耐久性顯著下降。人為大量使用融雪鹽，造成混凝土受鹽凍剝蝕，難達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命。由于融雪鹽頻繁使用，造成的橋梁混凝土耐久性失效所引起的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益損失巨大，加劇了橋梁混凝土耐久性的失效風(fēng)險(xiǎn)。

1? 混凝土鹽凍腐蝕的特點(diǎn)

混凝土鹽凍腐蝕作為一種特殊的混凝土腐蝕破壞現(xiàn)象，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)損害巨大，破壞效果嚴(yán)重。一般情況下，與因凍融循環(huán)等其他因素所引起的腐蝕破壞相比，混凝土在鹽凍環(huán)境中所發(fā)生的破壞，破壞速度更快，表層剝落、疏松和鋼筋銹蝕現(xiàn)象更加嚴(yán)重，最終導(dǎo)致混凝土表層砂漿剝落，骨料暴露脫落，表面凹凸不平，嚴(yán)重影響混凝土構(gòu)件的服役壽命[1]。

水泥橋梁混凝土是我國(guó)部分地區(qū)極重要的交通結(jié)構(gòu)形式，為保證雪后交通安全采取融雪鹽對(duì)路面除雪十分必要，但不可避免造成橋梁橋面及護(hù)欄的剝蝕和開(kāi)裂，使水泥橋梁混凝土達(dá)不到設(shè)計(jì)的使用年限，不僅影響了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，而且影響我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

2? 混凝土鹽凍腐蝕的形成原因

在既有橋梁混凝土結(jié)構(gòu)中，鹽凍腐蝕破壞現(xiàn)象普遍存在，嚴(yán)重危害混凝土結(jié)構(gòu)適用性，造成巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失，混凝土鹽凍腐蝕的形成原因有自然因素和人為因素。

2.1 自然氣候因素

在高速路網(wǎng)和城市基礎(chǔ)設(shè)施使用中，大量橋梁混凝土構(gòu)件的日常養(yǎng)護(hù)不到位，橋梁混凝土具有嚴(yán)重的耐久性失效風(fēng)險(xiǎn)。受自然地理氣候因素條件制約，河流、湖泊、海洋、鹽漬土區(qū)域的橋梁混凝土結(jié)構(gòu)不可避免地受到侵蝕性鹽離子腐蝕，在寒區(qū)的橋梁混凝土結(jié)構(gòu)面臨的鹽凍腐蝕破壞現(xiàn)象更為嚴(yán)重?；炷了幍母g性的主要環(huán)境因素包括干濕循環(huán)、鹽霧腐蝕、凍融循環(huán)、浪濺沖擊、行車飛濺等。

2017年末我國(guó)公路橋梁達(dá)83.25萬(wàn)座、總長(zhǎng)度達(dá)5225.62萬(wàn)m，其中特大橋梁4646座、826.72萬(wàn)m，大橋91777座、2424.37萬(wàn)米[2]。我國(guó)地形復(fù)雜，山地面積廣袤，部分地區(qū)山巒重疊、溝壑縱橫。溝深谷幽、戈壁大漠等地形地貌特點(diǎn)迫使部分地區(qū)大規(guī)模的采用以橋代路的方式來(lái)構(gòu)建交通布局[3]，這樣的交通方式加劇了公路橋梁混凝土的日常養(yǎng)護(hù)難度。橋梁混凝土橋面、排水設(shè)施、護(hù)欄、伸縮縫、支座、河床防護(hù)、墩臺(tái)、調(diào)治構(gòu)造物等面臨著巨大的日常養(yǎng)護(hù)重任。

2.2 融雪鹽使用

目前，大多數(shù)地區(qū)在冰雪天氣保證交通，經(jīng)常使用大量氯鹽融雪劑，主要包括氯化鈉，氯化鈣，氯化鎂等。在寒冷山區(qū)路段，高速路橋隧相連，每逢冬季降雪路面結(jié)冰，降雪長(zhǎng)時(shí)間不化;在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)下坡路橋時(shí)，為防止剎車片過(guò)熱、避免剎車失靈，常利用噴淋使剎車片降溫，會(huì)在深冬季節(jié)結(jié)冰，嚴(yán)重威脅車輛行駛安全。為保證交通安全，常拋灑氯鹽類融雪鹽，使冰雪迅速融化。

上述各種人為因素，使得橋梁混凝土的橋面、護(hù)欄均不同程度的遭受融雪鹽引起的鹽凍腐蝕破壞。此外由于日平均溫度變化、車輛碾壓，路面積冰積雪反復(fù)凍融循環(huán)，在被迫采用大量融雪鹽對(duì)路面進(jìn)行除雪除冰的條件下，冰、雪、鹽長(zhǎng)期存在，對(duì)混凝土路面表層的侵蝕破壞非常大[4]。由此可知，由融雪鹽引起的橋梁混凝土耐久性破壞更為嚴(yán)峻。

3? 鹽凍腐蝕對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響

公路橋梁混凝土耐久性現(xiàn)狀相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)[5]，我國(guó)高寒地區(qū)和以西北、東北為主的廣大北方地區(qū)，因大量使用融雪鹽而產(chǎn)生的鹽凍現(xiàn)象，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用產(chǎn)生嚴(yán)重影響。有關(guān)調(diào)研[6]深入考查橋梁混凝土耐久性問(wèn)題，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，排除混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工等先決因素，大量使用融雪鹽是橋梁混凝土侵蝕損壞，鋼筋腐蝕和橋梁耐久性的重要外部環(huán)境因素。

大部分路橋冬季易結(jié)冰，融雪鹽使用頻繁，國(guó)內(nèi)外因使用融雪鹽而導(dǎo)致的橋梁混凝土結(jié)構(gòu)耐久性降低的案例不勝枚舉，造成的經(jīng)濟(jì)損失也十分慘重。有學(xué)者用5倍定律強(qiáng)調(diào)了橋梁混凝土耐久性，在鋼筋防護(hù)方面節(jié)省1美元，每當(dāng)發(fā)生鋼筋銹蝕、順筋開(kāi)裂、嚴(yán)重破壞時(shí)，因采取措施所花費(fèi)的費(fèi)用卻以5倍趨勢(shì)遞增。

鹽凍腐蝕不僅造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，在加固舊梁并修建新梁的過(guò)程中，還會(huì)造成嚴(yán)重影響交通及公眾日常生活等一系列問(wèn)題。德國(guó)某大型立交橋梁由于撒布融雪鹽，不足20年混凝土護(hù)欄就出現(xiàn)表面剝蝕、鋼筋銹蝕的現(xiàn)象，無(wú)法正常使用，被迫在原址近旁新建橋梁。英國(guó)于1973在一段長(zhǎng)為25km的高速公路上建造了11座橋梁，因保障雪天的交通通暢而大量使用融雪鹽，使用數(shù)年內(nèi)混凝土表面就出現(xiàn)順筋裂縫，多年來(lái)在修復(fù)花費(fèi)費(fèi)用巨大，據(jù)估計(jì)2004年的修復(fù)費(fèi)用已經(jīng)達(dá)到工程造價(jià)6倍左右。加拿大地區(qū)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，若對(duì)所有因在冰雪季大量使用融雪鹽而發(fā)生嚴(yán)重破壞的橋梁進(jìn)行維修，保守估計(jì)修復(fù)費(fèi)用將超5000億美元。

20世紀(jì)70年代末，我國(guó)大量建造和使用中的橋梁混凝土也因融雪鹽使用，從而損失巨大。有關(guān)調(diào)研顯示，北京市政立交橋路面、哈大高速公路護(hù)欄等混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重的剝蝕和開(kāi)裂現(xiàn)象。遼寧省的白山立交橋，沈海立交橋等橋梁混凝土有不同程度的融雪鹽蝕。

4? 橋梁混凝土的防護(hù)措施

針對(duì)以上突出問(wèn)題，對(duì)普遍存在同時(shí)重要影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)的橋梁混凝土構(gòu)件，目前針對(duì)其耐久性改善手段主要集中在改善混凝土的配合比、提高施工水平和使用封閉涂層防護(hù)3個(gè)方面[7]。然而在混凝土構(gòu)件發(fā)生鹽凍腐蝕破壞現(xiàn)象前，可采用預(yù)防性涂層防護(hù)處理;鹽凍破壞發(fā)生后，在采取常規(guī)修復(fù)、加固等手段外，仍能采用涂層防護(hù)處理?？梢?jiàn)涂層防護(hù)處理對(duì)橋梁混凝土構(gòu)件的質(zhì)量保障意義重大。因此，對(duì)于現(xiàn)有的橋梁混凝土結(jié)構(gòu)，采用有效的涂層保護(hù)措施是保證橋梁混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要措施。

橋梁混凝土在融雪鹽環(huán)境下的防護(hù)現(xiàn)狀，主要是從優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、改善混凝土性能和表面涂層保護(hù)3個(gè)方面來(lái)進(jìn)行防護(hù)的。

4.1 優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，結(jié)構(gòu)更為安全的橋梁混凝土對(duì)融雪鹽環(huán)境具有更優(yōu)異的防護(hù)效果。橋梁結(jié)構(gòu)是橋梁使用性能中的最為重要表現(xiàn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是較為復(fù)雜的系統(tǒng)工程，目前橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮強(qiáng)度因素多于耐久性;考慮強(qiáng)度的極限狀態(tài)多于使用的極限狀態(tài)，考慮橋梁結(jié)構(gòu)的建造多于橋梁結(jié)構(gòu)的維護(hù)。為此，需要本著結(jié)構(gòu)安全、耐久適用、經(jīng)濟(jì)合理性原則來(lái)優(yōu)化橋梁設(shè)計(jì)。

4.2 改善混凝土性能

在改善混凝土性能方面，更高性能的橋梁混凝土對(duì)融雪鹽環(huán)境具有更優(yōu)異的防護(hù)效果，混凝土性能的提高主要是指混凝土強(qiáng)度、混凝土抗變形性和混凝土耐久性的提高。具體可采用高強(qiáng)度等級(jí)的水泥、降低水灰比、濕熱養(yǎng)護(hù)、齡期調(diào)整、改進(jìn)施工工藝、摻加外加劑等?；炷列阅艿母纳剖菑牟牧献陨斫嵌忍嵘龢蛄夯炷聊腿谘}腐蝕的重要要措施。

4.3 表面涂層保護(hù)

在表面涂層保護(hù)方面，采用合適防腐涂料涂裝的混凝土對(duì)融雪鹽環(huán)境具有更優(yōu)異的防護(hù)效果。相比于上述兩種主動(dòng)防腐手段，采取表面涂層保護(hù)，可以針對(duì)性的處理混凝土表面，使用范圍廣，成本較低廉，操作簡(jiǎn)易快捷。主要采用隔絕腐蝕通道原理，通過(guò)在混凝土表面涂裝防腐涂料，封閉表面裂縫和細(xì)小孔隙，隔絕混凝土與侵蝕性離子的接觸，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土構(gòu)件的防護(hù)。表面涂層防護(hù)既可用來(lái)作為新建橋梁混凝土結(jié)構(gòu)的預(yù)防性保護(hù)，也適用于既有舊橋的修復(fù)加固。表面涂層保護(hù)作為預(yù)防保護(hù)性防護(hù)措施已經(jīng)在混凝土防護(hù)方面發(fā)揮著重要的作用。

5? 橋梁混凝土防腐涂層研究進(jìn)展

涂層保護(hù)措施是緩解橋梁混凝土結(jié)構(gòu)損壞的有效措施。通常使用封閉的涂層，能使腐蝕性介質(zhì)與混凝土接觸隔離，并最終延遲混凝土失效。普通混凝土耐腐蝕涂層可分為有機(jī)，無(wú)機(jī)和有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合混凝土涂層。然而，傳統(tǒng)的混凝土防腐涂料是有機(jī)涂料，如全氯乙烯涂料，氯化橡膠涂料，丙烯酸酯涂料，聚氨酯涂料等。含有大量有機(jī)溶劑，不僅危害環(huán)境，還影響人體健康。

環(huán)保型防腐涂料目前是利用混凝土表面涂層來(lái)解決混凝土鹽凍破壞的途徑。其特點(diǎn)在于低毒無(wú)害，不包含或低釋放可揮發(fā)有機(jī)物含量（VOC）[9]。環(huán)保型水性涂料，常以水性化樹(shù)脂或分散樹(shù)脂為主要成膜基料。特點(diǎn)在于稀釋劑為水，大大提升了環(huán)保性。成膜基料眾多，包括環(huán)氧樹(shù)脂、丙烯酸樹(shù)脂、聚氨脂、氟碳樹(shù)脂、氯化橡膠等，大量地應(yīng)用于火車、橋梁、船舶等表面防腐蝕、防銹涂裝等。

由此可見(jiàn)，涂層保護(hù)措施是緩解橋梁混凝土結(jié)構(gòu)的一種有效措施。以水性涂料為代表的環(huán)保型防腐涂料作為預(yù)防性防護(hù)涂料，符合環(huán)保的要求，發(fā)展?jié)摿薮?，發(fā)展趨勢(shì)快速。然而采用環(huán)保型防腐涂層方式來(lái)達(dá)到提高橋梁混凝土耐久性能的研究仍處在起步階段，可以預(yù)見(jiàn)，水性化環(huán)保涂料性能的提高，應(yīng)用范圍的擴(kuò)展，將成為研究重點(diǎn)。