混凝土新型表面防護材料研究進展*

霍 麗，劉雪麗，李夢杰

(鄭州工程技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450006)

混凝土材料廣泛用于高速公路、碼頭、廠房、民用建筑，作為重要的結(jié)構(gòu)材料具有應(yīng)用廣泛、使用條件復(fù)雜的特點。隨著混凝土日益廣泛使用，問題也隨之出現(xiàn)，其中最突出的問題是耐久性問題。所謂混凝土的耐久性是指混凝土在使用過程中抵御外部環(huán)境介質(zhì)侵蝕，結(jié)構(gòu)和外觀不被破壞，能夠保持混凝土結(jié)構(gòu)安全正常使用的能力。目前，提高混凝土耐久性研究主要包括在設(shè)計和施工過程中采取的預(yù)防措施和在服役階段采取的耐久性修復(fù)措施。前者如改善水泥熟料礦物組成、采用外加劑、正確合理設(shè)計配合比、提高密實度、提高抗?jié)B性等。后者主要采用修補和表面防護的方法。

混凝土表面防護材料主要功能是通過圖、刷等方式在混凝土表面形成一層涂層，阻止空氣中的氧氣、水和鹽類介質(zhì)向混凝土中滲透和擴散，延緩混凝土性能劣化和鋼筋銹蝕。由于混凝土結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于梁、板、柱、地面、內(nèi)外墻、貯槽、地下管道等場合，相應(yīng)的混凝土表面防護涂料品種也非常多[1-5]。

1 混凝土防護材料研究現(xiàn)狀

混凝土表面防護材料按照成分不同，可進行以下分類。

1.1 無機防護材料

在工程實踐中無機防護多用于多用于“內(nèi)”防護，也就通過摻雜的方式在混凝土施工過程中加入?！皟?nèi)”防護常用的方法有[6]：(1)改變礦物熟料組成，使用性能上更加優(yōu)良的水泥品種；(2)摻用高效減水劑、引氣劑等外加劑及硅灰、磨細礦渣等摻和料；(3)正確設(shè)計混凝土的配合比，仔細選擇骨料集配并在工藝上采取措施提高混凝土密實等。對處于氯離子腐蝕環(huán)境下的鋼筋混凝土采用的措施還包括提高混凝土保護層厚度、應(yīng)用阻銹劑、陰極保護及使用環(huán)氧涂層鋼筋[6]等。以上“內(nèi)”防護防護方法具有局限性，只能用于新建或擬建設(shè)混凝土結(jié)構(gòu)。上世紀八十年代以來，我國大量進行基礎(chǔ)建設(shè)，如高速公路、深水碼頭、水庫大壩、城市立交、商廈、居民建筑等大量已建成的混凝土結(jié)構(gòu)的維修保護無法起到作用。近年來，研究用無機防護涂料對已建成混凝土結(jié)構(gòu)材料進行維護保養(yǎng)。

混凝土結(jié)構(gòu)根據(jù)使用場景的不同，應(yīng)具有一種或幾種防護特性。比如對寒冷地區(qū)，混凝土結(jié)構(gòu)除凍融剝蝕是其主要破壞方式，引起凍融破壞的因素，除了低溫及施工因素外，水汽的侵入是主要因素。因此在這種環(huán)境下防止水的侵入是非常重要的。

引起混凝土中鋼筋銹蝕的因素很多，但是大量事例指出“氯鹽”核心破壞因素。氯鹽向混凝土內(nèi)部滲透是靠水作為通道。因此，防止水的滲透也是房子氯鹽引起混凝土鋼筋銹蝕的重中之重。

傳統(tǒng)的混凝土防護方法，現(xiàn)場施工工程量大，施工條件艱苦，難以做到大面積養(yǎng)護，近年來，混凝土表面保護材料近年來發(fā)展十分迅速。一部分是以水泥基材為主的，加入一些添加劑，用改善砂漿或混凝土密實性的方式來改善水泥混凝土的耐久性能[7]。無機混凝土保護涂層物理方式和化學(xué)方式兩種方式起到防護作用。物理方式是利用無機混凝土保護涂層自身成膜來屏蔽腐蝕介質(zhì)進入混凝土的內(nèi)部，這種方式的混凝土保護涂層的效用跟形成的膜的性質(zhì)密切相關(guān)，膜性質(zhì)的好壞將直接影響混凝土耐久性的優(yōu)劣;另一種方式為化學(xué)方式，是指無機混凝土保護劑滲入混凝土內(nèi)部，與水泥石孔隙中的水泥水化產(chǎn)物發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化生成新的物質(zhì)，新生成的物質(zhì)堵塞腐蝕介質(zhì)進入混凝土內(nèi)部的通道，從而有效阻止腐蝕介質(zhì)的滲入。

1.2 有機防護材料

有機防護材料主要是各種聚合物，按其成分不同可分成傳統(tǒng)聚合物材料、改性聚合物材料、疏水浸漬材料。

1.2.1 傳統(tǒng)聚合物材料

傳統(tǒng)聚合物材料是利用防護涂層自身成膜來阻擋腐蝕性介質(zhì)進入混凝土，這種涂層方式的混凝土防護效果與樹脂固化形成膜的性質(zhì)密切相關(guān)，膜的性質(zhì)優(yōu)劣直接影響混凝土的耐久性。環(huán)氧樹脂、丙烯酸酯和聚氨酯是最常見的傳統(tǒng)防護涂料，具有較好的耐久性和防護性能。但環(huán)氧類樹脂耐較差的耐紫外線性能、較大的固化收縮比，丙烯酸酯類與混凝土結(jié)合力差，聚氨酯主要原料異氰酸酯對人體有害等不利因素限制了傳統(tǒng)樹脂類防護材料的應(yīng)用。

文獻[8]從混凝土防水性、氯離子擴散、耐化學(xué)侵蝕等方面考察了環(huán)氧樹脂、丙烯酸酯和聚氨酯的防護性能，發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹脂和聚氨酯材料做防護涂層對提高混凝土的耐久性最佳。

1.2.2 改性聚合物材料

傳統(tǒng)聚合物材料破壞方式主要有四種[9-11]：鼓包、裂縫、孔洞和剝落。通過改性聚合物涂料可以明顯提高涂層的強度、、彈性模量、耐腐蝕性能、耐熱性能，并且可以提高抗?jié)B性和阻燃性?？赏ㄟ^納米改性聚合物改善成膜性能，但對于納米改性聚合物涂料在混凝土表面防護領(lǐng)域的應(yīng)用研究較少[12-13]。

聚合物改性水泥基材料是常見的混凝土表面防護材料，以傳統(tǒng)聚合物材料環(huán)氧樹脂、丙烯酸酯、聚氨酯與水泥基材料以及高純度集料混合而成，實際是無機和有機混合材料。文獻[11]闡述了該類材料通過聚合物將水泥基材料聚合成網(wǎng)絡(luò)、填充水泥基材料縫隙孔洞，增強水泥基材料自愈合性能、改善涂料的防紫外線性能提高涂料的成膜性能。

1.2.3 疏水浸漬材料

疏水浸漬材料是通過混凝土的多孔結(jié)構(gòu)進行滲透，并增大材料表面接觸角，當(dāng)接觸角>90°時，混凝土表面即為超疏水表面。經(jīng)浸漬處理后的混凝土表面可以阻止水和有害離子的水溶液進入混凝土內(nèi)部造成混凝土的裂化，同時可以保證水蒸氣自由進入混凝土。

硅烷、硅氧烷或者兩者的混合物是常用的疏水浸漬劑。硅烷和硅氧烷較小的分子量可以使之能滲透到混凝土表面下3～20 mm，分子鏈上的硅烷具有憎水性，降低材料表面張力。涂布量、基材強度、混凝土的水膠比、混凝土的濕度以及硅烷種類都會影響滲透深度[14-16]。

2 新型混凝土表面防護材料

在惡劣環(huán)境下，一般的混凝土防護材料無法滿足使用條件，目前具有綜合性和環(huán)保性的新型防護材料研究不斷進展，下面介紹幾種新型防護材料。

2.1 玻璃鱗片參合聚合物涂層材料

在傳統(tǒng)聚合物材料里參合極薄的玻璃鱗片，通過涂刷、高壓無氣噴涂等方式厚涂在混凝土表面。由于玻璃鱗片具有耐久性、抗腐蝕性、固化收縮比小、抗?jié)B透性等優(yōu)點，在各種惡劣環(huán)境下得到廣泛應(yīng)用，特別是近年來在海工領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。賈夢秋等[17]對其耐久性能進行了研究，結(jié)果表明：參合玻璃鱗片的聚合物材料比不參合的 聚合物材料的耐久性、抗腐蝕性提高，同時具有抗沖擊性和抗剝離性，可有效抵御海浪等沖擊剝離。

2.2 水泥基滲透防護材料

水泥基滲透防護材料是以水泥基材為主的，加入一些添加劑，用改善砂漿或混凝土密實性的方式來改善水泥混凝土的耐久性能，如西佩克(XYPEX)、克塞佩克斯、韓國的水牛防水劑以及德國的KOESTERNBI系列產(chǎn)品等，還有我國的雪佳等產(chǎn)品。這類材料是由于混合物中的化學(xué)藥品在混凝土孔隙和毛細孔中形成許多分支的晶須，這些晶須會在各個方向上填實混凝土結(jié)構(gòu)，以阻止水分和其他液體的滲入。具有良好的透氣性，可以阻擋水分子但不能阻擋空氣分子的透過，在廣泛范圍內(nèi)不受弱酸性物質(zhì)、堿性物質(zhì)的侵襲，能防止凍融循環(huán)對混凝土的破壞，并對鋼筋起保護作用。這類材料在國際上享有“生物水泥”的美稱。鄭敏升[18]研究了該類涂層材料發(fā)現(xiàn)涂層具有良好的耐久性、抗腐蝕性、抗氯離子滲透性，可廣泛應(yīng)用于海工、鹽堿、高寒等環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)建設(shè)中。

2.3 新型有機硅防護材料

陳少鵬[19]，李柯[20]，黨俐[12]等分別探索了用有機硅改性環(huán)氧樹脂、丙烯酸酯合成新型防護材料，發(fā)現(xiàn)通過有機硅改性的材料具有良好的耐久性、抗?jié)B透性以及透氣性，具有良好研究前景和探索價值。有機硅類通常是指含有Si-C鍵的化合物，有機硅材料的表面能低，且能夠滲透到混凝土內(nèi)一定深度，使得混凝土表面與水的接觸角增大，甚至可達到105°以上。用于混凝土防護的有機硅類材料通常含有Si-O鍵，Si-O鍵可以和混凝土形成Si-O-Si鍵，牢固附著于混凝土表面，硅和氧的電負性差異大，接近于離子鍵，鍵強大，不易離解從而賦予它耐熱、抗氧化、耐輻射等性能。

通過阻止水的滲入和遷移，有機硅材料可以有效提高混凝土的耐水性、耐鹽腐蝕性能和抗凍融性能。進而提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。有機硅防護涂料產(chǎn)品通常以烷基/烷氧基硅烷、硅氧烷、烷基硅醇鹽和含氫硅油等為主要活性成分，按照組成形式不同，有的由100%的活性物質(zhì)組成，有的由活性物質(zhì)按一定比例溶入溶劑組成。有機硅類涂料品種繁多，主要可分為溶劑型有機硅涂料、水性有機硅涂料、改性有機硅乳液和硅烷類等。

2.4 自修復(fù)涂層材料

自修復(fù)涂層材料是指涂層遭到破壞后能夠自動修復(fù)的材料。自20世紀90年代提出以來，其研究方興未艾。從材料修復(fù)機理看主要有添加劑修復(fù)和本證修復(fù)兩種。王桂明[19]研究制備了化學(xué)轉(zhuǎn)換型水泥混凝土裂縫自修復(fù)材料(CCSM)，并研究其對裂縫修復(fù)的作用機理。研究表明，CCSM可顯著提高水泥基材料的抗?jié)B性和抗壓強度。CCSM主要是通過化學(xué)物質(zhì)擴散滲透到混凝土內(nèi)部，借助化學(xué)轉(zhuǎn)換作用來提 高混凝土的抗?jié)B性，并賦予混凝土自修復(fù)功能。

3 結(jié) 語

混凝土作為人類社會發(fā)展至今最重要的建筑材料，廣泛應(yīng)用于房屋、橋梁、鐵路、機場、地下管廊等重要的人類活動場所。對混凝土的防護是一種非常重要又缺乏系統(tǒng)研究的領(lǐng)域據(jù)不完全統(tǒng)計，我國2018年人均擁有混凝土的數(shù)量達到6 m3，可以說，我們的生活已經(jīng)和混凝土密切關(guān)聯(lián)而且不可或缺。隨著混凝土結(jié)構(gòu)材料耐久性研究的深入，對混凝土表面防護材料研究日益受到重視，提高混凝土防護材料防護性能，環(huán)境友好性，降低防護造價對提高我國混凝土結(jié)構(gòu)防護水平以及混凝土機構(gòu)安全運行具有重要意義。