柔韌型混凝土防腐涂層在煤礦中的應(yīng)用

楊源遠(yuǎn)，孫叢濤，陳明忠，胡勁哲，樊 平，樊 薈

(1.陜煤集團(tuán)神木紅柳林礦業(yè)有限公司，陜西榆林719300；2.中國(guó)科學(xué)院海洋研究所，山東青島266071；3.青島迪恩特新材料科技有限公司，山東青島266109；4.內(nèi)蒙古科技大學(xué)土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014010)

混凝土作為當(dāng)今世界上應(yīng)用最為廣泛的建筑材料之一，已經(jīng)大量應(yīng)用于電力、水利、道路、橋梁、鐵路、石油等工程建設(shè)中。然而，由于混凝土自身存在一定缺陷，加之自然環(huán)境和使用環(huán)境的劣化作用，使得鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)耐久性損傷與結(jié)構(gòu)劣化現(xiàn)象[1-2]。結(jié)構(gòu)的耐久性損傷及劣化現(xiàn)象將影響其安全性和適用性，縮短結(jié)構(gòu)正常服役的壽命，早期的劣化如果不足以引起人們的重視，嚴(yán)重劣化會(huì)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)破壞和坍塌。因此，為了降低結(jié)構(gòu)損傷及破壞造成的損失，應(yīng)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)采取合理的防護(hù)措施，有效抵御環(huán)境的腐蝕劣化作用，從而確保結(jié)構(gòu)的安全長(zhǎng)壽命服役。

目前，提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命的措施可分為基本措施和附加措施?；敬胧┌ㄊ褂酶咝阅芑炷痢⒃黾颖Ｗo(hù)層厚度等；附加措施主要包括陰極保護(hù)、鋼筋阻銹劑、涂層鋼筋或耐蝕鋼筋、混凝土涂層等[3-4]，其中混凝土涂層防護(hù)被認(rèn)為是最簡(jiǎn)單有效的防護(hù)措施[5]。鑒于此，本文重點(diǎn)介紹柔韌型混凝土防腐涂層及其在煤礦中的應(yīng)用案例。

1 煤礦中混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕狀況

1.1 煤礦概況

神木紅柳煤礦位于陜西榆林市的東北部，據(jù)市區(qū)130 km。神木紅柳林煤礦于2006年開工建設(shè)，2011年投入使用。煤礦整體面積為143.34 km2，核定生產(chǎn)能力達(dá)到1 500×104t/a。

神木寒暑變化劇烈，氣候干燥，降水量偏少且年際變化大。年平均氣溫8.9 ℃，7月平均氣溫最高25 ℃，1月平均氣溫最低-8.1 ℃，年較差33.1 ℃，年平均降水量422.7 mm，平均濕度55 %。

1.2 鋼筋混凝土支架腐蝕狀況

神木紅柳林煤礦煤炭輸送支架和管道支架主體結(jié)構(gòu)為混凝土結(jié)構(gòu)。部分鋼筋混凝土支架在使用過程中出現(xiàn)混凝土表面剝蝕、開裂、剝落以及鋼筋銹蝕等現(xiàn)象(圖1)，個(gè)別部位已形成安全隱患，從而嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的正常服役。因此，對(duì)存在嚴(yán)重腐蝕的混凝土支架進(jìn)行了修復(fù)處理，并進(jìn)行了外包鋼板加固(圖2)。

圖1 混凝土支架腐蝕狀況

圖2 混凝土支架外包鋼加固

2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕的機(jī)理

導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕破壞中，最常見的原因主要有氯離子侵蝕、碳化、凍害、鋼筋銹蝕、堿骨料反應(yīng)等[6-7]。

2.1 氯離子侵蝕機(jī)理

水泥水化后會(huì)形成pH值大于12.5的高堿性環(huán)境，這種環(huán)境下會(huì)使得混凝土中鋼筋表面形成一層致密的鈍化膜。鈍化膜中主要為Si-O鍵，對(duì)鋼筋有很強(qiáng)的保護(hù)作用。這種保護(hù)作用正是鋼筋在正常環(huán)境下不腐蝕的主要原因。但是這種保護(hù)作用只有在高堿環(huán)境下才會(huì)維持穩(wěn)定，當(dāng)pH小于11.5時(shí)，這層鈍化膜就會(huì)開始不穩(wěn)定；當(dāng)pH小于9.88時(shí)，鈍化膜便會(huì)逐漸遭到破壞。氯離子會(huì)游離進(jìn)入混凝土中并附著于鋼筋表面，當(dāng)氯離子局部吸附量增加時(shí)，會(huì)使得鈍化膜的pH值迅速降低，改變?cè)械膲A性環(huán)境。持續(xù)的pH值降低，使得鋼筋局部酸化，pH值迅速降至4以下，進(jìn)而破壞鈍化膜，使得鋼筋發(fā)生銹蝕。

2.2 碳化腐蝕機(jī)理

混凝土碳化是混凝土中常見的現(xiàn)象，造成這種現(xiàn)象的原因是大氣中CO2與混凝土中水化產(chǎn)物相互作用的結(jié)果。一方面，CO2本身是一種能溶于水的氣體，在水中會(huì)形成一種酸，但這種酸不同于鹽酸、硫酸等酸性液體，它不會(huì)對(duì)混凝土中水泥石基體造成腐蝕和損害，而會(huì)與混凝土微孔結(jié)構(gòu)中的堿性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成CaCO3，并附著于微孔的內(nèi)壁上。

另一方面，在碳酸化反應(yīng)的初始階段，由于氫氧化鈣在微孔水溶液中會(huì)出現(xiàn)過飽和的狀態(tài)，能夠維持整個(gè)水溶液的pH值在12-13的正常范圍內(nèi)。但是，隨著時(shí)間的推移，混凝土微孔結(jié)構(gòu)中Ca(OH)2的不斷消耗以及生成的CaCO3在水溶液中的沉淀，使得水溶液的pH值迅速下降。當(dāng)整個(gè)水溶液的pH值下降到一定程度時(shí)，使得OH-離子的濃度降低，進(jìn)而鈍化膜開始分解和消耗，從而使得鋼筋失去鈍化膜的保護(hù)導(dǎo)致銹蝕。

2.3 凍融破壞機(jī)理

凍融破壞是指混凝土在飽水狀態(tài)下，受到凍融循環(huán)而產(chǎn)生由表及里的剝蝕破壞。在凍融破壞中，飽和狀態(tài)是指混凝土中含水量達(dá)到91.7 %的臨界值。在該狀態(tài)下，混凝土受凍后，其孔壁將會(huì)承受靜水壓和滲透壓的雙重作用。一旦兩者壓力之和超過混凝土自身的拉抗強(qiáng)度時(shí)，會(huì)在混凝土局部表面造成新的微裂紋。在上述過程反復(fù)幾次后，混凝土中的新舊微裂紋交相融合，使得混凝土強(qiáng)度逐漸降低，最后完全破壞。在寒冷地區(qū)的海洋環(huán)境和除冰鹽環(huán)境中，鹽的存在會(huì)加劇混凝土凍融破壞進(jìn)程。

2.4 鋼筋銹蝕機(jī)理

混凝土中鋼筋銹蝕屬于電化學(xué)腐蝕，該過程的發(fā)生需同時(shí)滿足以下三個(gè)條件：

(1)鋼筋的表面形成電位差，構(gòu)成腐蝕電池。

(2)鋼筋表面的鈍化膜不完整，呈現(xiàn)活化狀態(tài)。

(3)鋼筋的表面存在銹蝕反應(yīng)所必需的水和溶解氧。

休閑體育的概念雖然在我國(guó)體育教學(xué)當(dāng)中的應(yīng)用時(shí)間較短，但在教學(xué)當(dāng)中已經(jīng)發(fā)揮了顯著的作用，因此在體育教學(xué)當(dāng)中學(xué)校與教師應(yīng)該積極的轉(zhuǎn)變?cè)械乃枷虢虒W(xué)觀念，積極的將休閑體育的概念融入到教學(xué)當(dāng)中去，抓住學(xué)生的特征，立足于學(xué)生的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)教學(xué)方式，轉(zhuǎn)換教學(xué)形式，安排教學(xué)內(nèi)容，從而使休閑體育能夠真正的幫助學(xué)生，促進(jìn)學(xué)生健康快樂發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生成為全方面發(fā)展的人才。

首先，鋼筋由于其自身成分不均勻、且包含多種雜質(zhì)的特性，使得鋼筋不同部位電極電位存在差異，從而形成腐蝕電池。其次，一方面由于氯離子的侵入或混凝土中摻入過量的氯鹽會(huì)使鋼筋表面的氯離子濃度升高，當(dāng)濃度達(dá)到臨界值，將破壞原有的鈍化膜；另一方面，混凝土保護(hù)層碳化使得鋼筋表面pH值降低，從而對(duì)鋼筋表面的鈍化膜形成破壞；最后，大氣中的氧氣和水分會(huì)通過混凝土中的孔隙與微裂縫滲透到鋼筋的表面，為鋼筋銹蝕提供所需要的水和氧氣。

鋼筋銹蝕是導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞的重要原因，混凝土中的鋼筋發(fā)生銹蝕后，其銹蝕產(chǎn)物體積增至原體積的3～4倍，使得鋼筋周圍的混凝土受到膨脹壓力，隨著壓力的增大，使得混凝土保護(hù)層出現(xiàn)順筋裂縫，一旦形成順筋裂縫，將進(jìn)一步加速鋼筋的腐蝕，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土保護(hù)層剝落、鋼筋外露、鋼筋截面積減小，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全使用。

2.5 堿骨料反應(yīng)機(jī)理

堿-骨料反應(yīng)本質(zhì)上是混凝土中的堿與具有堿活性的骨料間發(fā)生的膨脹性反應(yīng)。常見的堿骨料反應(yīng)有堿-硅酸鹽反應(yīng)、堿-碳酸鹽反應(yīng)等。上述反應(yīng)的發(fā)生會(huì)引發(fā)混凝土的體積膨脹和開裂，使得混凝土的微觀結(jié)構(gòu)劣化，混凝土的抗壓強(qiáng)度、彈性模量等指標(biāo)降低，從而危及結(jié)構(gòu)的安全服役，而且很難進(jìn)行修復(fù)和補(bǔ)救。

3 煤礦鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕原因分析

煤的組成結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，主要含有C、H、O、N、S等元素，其中C含量大于50 %，基本為75 %～95 %；按照工業(yè)分析方法，煤的組分近似劃分為固定碳、揮發(fā)分、灰分和水分[8]。煤塵在煤炭生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的懸浮于空氣中的煤炭顆粒，其直徑為0.75～1.00 mm[9]。煤塵在空氣動(dòng)力作用下會(huì)在鋼筋混凝土表面附著，煤塵中可能存在的酸性介質(zhì)將會(huì)加速混凝土的中性化進(jìn)程。另一方面，冬季的氣候條件可能會(huì)對(duì)混凝土產(chǎn)生一定的凍融損傷，而這或許會(huì)進(jìn)一步加速混凝土的中性化，并最終導(dǎo)致混凝土中鋼筋的銹蝕。關(guān)于煤塵環(huán)境下鋼筋混凝土腐蝕的機(jī)理尚需要進(jìn)一步的研究和明確。

4 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)防護(hù)的必要性與緊迫性

美國(guó)著名學(xué)者Sitter曾經(jīng)用五倍定律對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)新建和不同腐蝕階段維護(hù)費(fèi)用進(jìn)行了描述。Sitter指出，在新建混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，如果節(jié)省1美元的腐蝕防護(hù)費(fèi)用，那么發(fā)生鋼筋銹蝕時(shí)，需要花費(fèi)5美元進(jìn)行維護(hù)；而當(dāng)混凝土表面出現(xiàn)順筋開裂時(shí)，則需要25美元來進(jìn)行維護(hù)；甚至，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重的銹蝕破壞時(shí)，需要高達(dá)125美元進(jìn)行修復(fù)。

由此可見，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)盡早采取修復(fù)與防護(hù)措施。即對(duì)新建混凝土結(jié)構(gòu)盡早采取合理的防護(hù)措施，對(duì)在役結(jié)構(gòu)及時(shí)進(jìn)行修復(fù)與防護(hù)，將會(huì)大大延長(zhǎng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，并大幅減少腐蝕造成的損失。

5 柔韌型混凝土涂層防腐技術(shù)

混凝土是主要由膠凝介質(zhì)與粗細(xì)骨料所組成的復(fù)合多孔材料，其內(nèi)部存在連通的孔隙及微裂縫等缺陷，為腐蝕性介質(zhì)的侵入提供了通道。

實(shí)踐證明，對(duì)混凝土表面進(jìn)行涂層封閉可有效阻止環(huán)境介質(zhì)(水、氧氣、氯離子、酸性氣體或液體)向混凝土內(nèi)部的滲透[10]，進(jìn)而阻止或延緩鋼筋銹蝕的發(fā)生、發(fā)展，從而提升混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。

混凝土表面由于內(nèi)外因素的作用不可避免得存在裂縫，從而易導(dǎo)致傳統(tǒng)混凝土涂層開裂，涂層一旦開裂將隨即失效。因此，混凝土涂層應(yīng)具有柔韌性，為此研發(fā)了柔韌型混凝土防腐涂層，該涂層體系具有優(yōu)異的裂縫追隨性能，裂縫追隨性不小于0.8 mm。

5.1 柔韌型混凝土涂層體系構(gòu)成

柔韌型混凝土防腐涂層體系主要由四層構(gòu)成，第一層為底漆，主要作用是對(duì)混凝土基體進(jìn)行密封，阻止腐蝕性介質(zhì)的入侵；第二層為膩?zhàn)?，主要作用是密封并填充混凝土表層的缺陷；第三層為中間漆，具有優(yōu)異的柔韌性能，主要作用是阻止有害介質(zhì)的侵入；第四層為面漆，具有良好的耐候性能，主要作用為涂層體系的長(zhǎng)壽命防護(hù)提供保障。柔韌型混凝土涂層體系的構(gòu)成及功能如表1所示。

表1 柔韌型混凝土防腐涂層構(gòu)成及功能

5.2 施工工藝

柔韌型混凝土防腐涂層施工工藝主要包括表面處理、底漆、膩?zhàn)?、中間漆、面漆五個(gè)步驟(圖3)。

圖3 施工工藝流程

5.2.1 表面處理

表面處理的主要作用是為了把混凝土表面的灰塵、異物以及表面的高低差異去除，并借助打磨工具將表面打磨光滑。在對(duì)表面打磨處理后，通過空氣吹、高壓水洗等方式充分清潔表面。如果處理后的表面仍有可見的水漬，應(yīng)該通過熱吹風(fēng)機(jī)等工具烘干。

5.2.2 底漆

混凝土表面處理完成后，開始涂刷底漆。底漆主劑與固化劑配比為1∶1，配制時(shí)用攪拌機(jī)邊攪拌主劑邊加入固化劑，確保主劑和固化劑攪拌均勻。用輥?zhàn)印⑺⒆舆M(jìn)行底漆涂刷時(shí)，應(yīng)避免出現(xiàn)漏涂、涂刷不均勻等現(xiàn)象。底漆用量為0.12 kg/m2，配制后應(yīng)在24 h以內(nèi)(20 ℃)使用完畢。

5.2.3 膩?zhàn)?/p>

底漆涂刷完成后，在6 h至10 d內(nèi)，確認(rèn)底漆固化及表面狀態(tài)無異常后，開始刮涂膩?zhàn)?。膩?zhàn)又鲃┡c固化劑的配比為1∶1，配制時(shí)用攪拌機(jī)邊攪拌主劑邊加入固化劑，確保主劑和固化劑攪拌均勻。用刮刀進(jìn)行膩?zhàn)庸瓮繒r(shí)，應(yīng)避免出現(xiàn)漏刮、刮涂不均勻等現(xiàn)象。膩?zhàn)佑昧繛?.3～0.5 kg/m2，配制后應(yīng)在1 h以內(nèi)(20 ℃)使用完畢。

5.2.4 中間漆

膩?zhàn)庸瓮客瓿珊螅?0 h至7 d內(nèi)，確認(rèn)膩?zhàn)庸袒氨砻鏍顟B(tài)無異常后，開始涂刷中間漆。中間漆主劑與固化劑的配比為9∶1，配制時(shí)用攪拌機(jī)邊攪拌主劑邊加入固化劑，確保主劑和固化劑攪拌均勻。為了便于涂刷，可在中間漆加入少于5 %的專用稀釋劑攪拌均勻。中間漆涂刷時(shí)，用輥?zhàn)印⑺⒆油克?遍，應(yīng)避免出現(xiàn)漏涂、褶皺、涂刷不均勻等現(xiàn)象。中間漆用量為0.36 kg/m2，配制后應(yīng)在4 h以內(nèi)(20 ℃)使用完畢。

5.2.5 面漆

中間漆涂刷完成后，在12 h至10 d內(nèi)，確認(rèn)中間漆固化及表面狀態(tài)無異常后，開始涂刷面漆。面漆主劑與固化劑的配比為4∶1，配制時(shí)用攪拌機(jī)邊攪拌主劑邊加入固化劑，確保主劑和固化劑攪拌均勻。為了便于涂刷，可在面漆中加入少于5 %的專用稀釋劑攪拌均勻。用輥?zhàn)?、刷子進(jìn)行面漆涂刷時(shí)，應(yīng)避免出現(xiàn)漏涂、褶皺、涂刷不均勻等現(xiàn)象。面漆用量為0.15 kg/m2，配制后應(yīng)在6 h以內(nèi)(20 ℃)使用完畢。

5.3 應(yīng)用效果

柔韌型混凝土防腐涂層已在神木紅柳林煤礦鋼筋混凝土支架中推廣應(yīng)用，該涂層可有效阻止煤塵中有害介質(zhì)及水分對(duì)混凝土的入侵，同時(shí)也降低了凍融循環(huán)對(duì)混凝土的損傷，取得了良好的防護(hù)效果。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)煤礦鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的腐蝕問題，初步分析了腐蝕的原因，煤塵腐蝕引發(fā)的混凝土中性化和凍融循環(huán)可能是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)耐久性損傷的主要原因。

本文重點(diǎn)介紹了柔韌型混凝土防腐涂層體系，該涂層體系具有附著力強(qiáng)、裂縫追隨性好以及防腐性能優(yōu)異的特性，可有效阻止水分及有害環(huán)境介質(zhì)向混凝土內(nèi)部侵蝕。該涂層體系已在神木紅柳林煤礦鋼筋混凝土支架中推廣應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果，為煤炭的安全生產(chǎn)提供了相應(yīng)保障。