混凝土防腐涂層的進(jìn)展研究

唐占榮，葉海龍，康海平

(巴彥淖爾電業(yè)局，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000)

混凝土由于其原材料豐富、價(jià)格低廉、生產(chǎn)工藝簡便等特點(diǎn)，使其成為現(xiàn)代建筑中應(yīng)用最廣泛、使用量最大的建筑類材料，因此，如何提高混凝土的耐久性及使用強(qiáng)度一直是實(shí)際工程中的熱點(diǎn)問題。由于混凝土在土木工程領(lǐng)域的大面積使用，因此不可避免的使其暴露在各種不可確定的復(fù)雜的使用環(huán)境中，因此其受到環(huán)境中諸如物理、化學(xué)、生物等綜合因素的影響，根據(jù)使用環(huán)境對混凝土進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，并按要求進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維護(hù)，可極大地增加混凝土的使用壽命，然而在實(shí)際的應(yīng)用過程中會存在各種如環(huán)境條件惡劣，設(shè)計(jì)不合理、施工不到位等問題，從而使混凝土的使用壽命急劇降低[1]。大量工程案例證明，混凝土的耐久性不足會對工程產(chǎn)生難以估量的損失，并導(dǎo)致嚴(yán)重的社會問題，因此，有效可靠的提高混凝土的耐久性及強(qiáng)度對基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)及社會經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定有至關(guān)重要的意義[2]。

1 混凝土腐蝕因素

由于混凝土的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不均勻，因此，在微觀層面，混凝土其實(shí)是具有大量微小細(xì)孔結(jié)構(gòu)的材料，腐蝕因子非常容易就可以進(jìn)入混凝土內(nèi)部，對混凝土結(jié)構(gòu)造成不可逆損壞[3]。

1.1 物理腐蝕

混凝土內(nèi)部具有豐富的孔洞結(jié)構(gòu)，該孔結(jié)構(gòu)主要由毛細(xì)孔、大氣孔、凝膠孔構(gòu)成；環(huán)境中的水分子會輕易地進(jìn)入混凝土的多孔結(jié)構(gòu)中，在我國北方地區(qū)，在冬季最低氣溫會降到零攝氏度以下，這會導(dǎo)致進(jìn)入混凝土孔結(jié)構(gòu)中的水分結(jié)冰，體積變大；隨著溫度的升高，結(jié)冰又會融化，因此，水分子在混凝土內(nèi)部就會發(fā)生凍融變化[4]。凍融損壞是混凝土腐蝕的主要因素。凍融過程十分復(fù)雜且與混凝土的材質(zhì)有著密切的關(guān)系，并且與外部環(huán)境也有很大關(guān)系。凍融損壞其實(shí)就是混凝土在飽水狀態(tài)下混凝土孔隙微裂縫中的水在正負(fù)溫度的變化下凍結(jié)與溶解的過程，在這個(gè)過程中混凝土中的水會產(chǎn)生滲透壓，使水分?jǐn)y帶著有害離子進(jìn)一步進(jìn)入到混凝土的內(nèi)部造成進(jìn)一步的損壞；同時(shí)水凝結(jié)成冰的時(shí)候體積變大，會在混凝土內(nèi)部孔隙縫隙中產(chǎn)生很大的壓力，多次凍融后會導(dǎo)致孔隙及縫隙進(jìn)一步發(fā)展擴(kuò)大，形成較大的縫隙進(jìn)而使得混凝土的受力減小，導(dǎo)致混凝土破壞[5，6]。并且混凝土的腐蝕是綜合因素，凍融擴(kuò)大混凝土縫隙后，導(dǎo)致其他有害離子進(jìn)入混凝土內(nèi)部加速了混凝土內(nèi)部及鋼筋的腐蝕，鋼筋與腐蝕因子反應(yīng)生成的腐蝕產(chǎn)物具有更大的體積，會進(jìn)一步增大混凝土內(nèi)部壓力，導(dǎo)致混凝土開裂，使其強(qiáng)度及耐久性明顯降低[7]。

1.2 化學(xué)腐蝕

由于混凝土的服役環(huán)境復(fù)雜，因此，環(huán)境中含有的各種腐蝕因子都有可能對其造成腐蝕。在酸性條件下服役的混凝土，硫酸根離子對混凝土的破壞被很多學(xué)者認(rèn)為是最重要的化學(xué)腐蝕因素。氯離子是腐蝕混凝土最常見的離子，氯離子腐蝕混凝土主要是與其他因素協(xié)同反應(yīng)。碳化腐蝕主要集中在二氧化碳濃度高且濕度較大的環(huán)境中。

1.3 生物腐蝕

微生物對混凝土的腐蝕影響非常復(fù)雜，水中的微生物繁殖代謝生成的代謝產(chǎn)物會對混凝土產(chǎn)生腐蝕作用，微生物代謝生成的有機(jī)酸、無機(jī)酸會與混凝土中的堿性水化物發(fā)生中和反應(yīng)，同時(shí)伴隨著發(fā)生一系列復(fù)雜的生化反應(yīng)，對混凝土進(jìn)行腐蝕。

混凝土的腐蝕往往都是多因素條件下產(chǎn)生的，多數(shù)學(xué)者研究了雙因素以及三因素的影響規(guī)律，通過多因素實(shí)驗(yàn)找到對混凝土腐蝕的主要因素，為混凝土防腐找到更好的解決辦法；但綜合大部分學(xué)者的研究成果發(fā)現(xiàn)，腐蝕的主要因素還是由于腐蝕因子透過混凝土表面進(jìn)入混凝土內(nèi)部，造成混凝土的腐蝕，因此有效的阻隔混凝土腐蝕因子的進(jìn)入是混凝土防腐蝕的有效手段。

2 混凝土防腐蝕涂層

目前，提高混凝土耐久性減少混凝土腐蝕的方法主要有兩種，一是向混凝土內(nèi)部添加各種提高其穩(wěn)定性、材料致密程度的材料，改良其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，還有一種是向混凝土表面添加防腐蝕涂層，使其與外界隔絕，起到防護(hù)的作用[8]。第一種防護(hù)措施有其局限性，①混凝土是一種多孔結(jié)構(gòu)的材料，添加劑的加入不會改變這一狀態(tài)；②添加劑的加入有可能會影響混凝土的強(qiáng)度。而第二種在混凝土外表面涂刷防腐涂層擁有操作簡單，效果明顯等特點(diǎn)，被廣泛使用到實(shí)際生產(chǎn)中。目前，混凝土防腐涂層主要有表面成膜型涂料與滲透型涂料以及二者結(jié)合的復(fù)合型涂層為主。防腐涂層的特點(diǎn)是在混凝土表面形成一層有效的可以隔絕環(huán)境中腐蝕因子向混凝土內(nèi)部滲入。

2.1 有機(jī)成膜型涂層

常見的有機(jī)成模型防腐涂層有環(huán)氧樹脂涂層、丙烯酸酯涂層、聚氨酯防腐涂層、高氯化聚乙烯防腐涂層等。

環(huán)氧樹脂涂料是一種利用環(huán)氧樹脂作為成膜物質(zhì)，在固化劑、催化劑等的參與下，交聯(lián)固化反應(yīng)形成的一種具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的樹脂材料，其具有穩(wěn)定性好、黏合作用力大、體積穩(wěn)定性好、耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。趙志軍[9]利用化學(xué)接枝技術(shù)，將環(huán)氧樹脂利用含有親水基團(tuán)地對氨基苯磺酸改性，制備出成膜性能優(yōu)良且性質(zhì)穩(wěn)定的水性環(huán)氧樹脂涂層乳液；Yang等[10]自制了新型無溶劑環(huán)氧樹脂涂層材料，并利用海洋仿真模擬設(shè)備進(jìn)行了檢測，結(jié)構(gòu)表明，該涂層具有優(yōu)良的抗侵蝕性、物理力學(xué)性能以及水解穩(wěn)定性，且具有綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。黃君哲[11]測試了環(huán)氧樹脂涂層防護(hù)氯離子滲透的性能，結(jié)構(gòu)顯示，該涂層有效地降低了氯離子對混凝土的腐蝕性能。Hassan[12]利用快速擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)?zāi)M現(xiàn)實(shí)環(huán)境中氯離子對混凝土的滲透能力，結(jié)果表明，環(huán)氧樹脂涂層具有良好的抗氯離子滲透的能力，并且有研究表明，環(huán)氧樹脂涂料的耐酸性能明顯優(yōu)于聚氨酯防腐涂料；石亞軍等[13]研究人員通過優(yōu)選高性能的水性環(huán)氧樹脂和固化劑，研究了不同配比下不同反應(yīng)體系下涂層的性能，并確定出該涂層的最佳配比及最優(yōu)用量。

丙烯酸樹脂涂料是以丙烯酸樹脂為主要涂層組成部分，加入如耐候填料、耐候添加劑等，經(jīng)過先進(jìn)的工藝制備成單組分防腐涂料，其中丙烯酸樹脂是以丙烯酸酯、苯乙烯等乙烯基類單體為主要原料聚合而成。丙烯酸涂料分熱塑性和熱固性兩種，其中熱塑性涂料由熱塑性樹脂、溶劑、填料、顏料及其他助劑組成，當(dāng)溶劑揮發(fā)后自然呈現(xiàn)光滑平整的漆膜。熱塑性涂料的性能由所用單體及單體的分子量、配比、分布決定。熱固性涂料指結(jié)構(gòu)中原有的官能團(tuán)和制漆過程中加入的環(huán)氧樹脂、聚氨酯、氨基樹脂中的官能團(tuán)反應(yīng)而形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在這個(gè)過程中，側(cè)鏈官能團(tuán)和外加官能團(tuán)相互反應(yīng)交聯(lián)成膜，改變了原有結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，使其具有較高的固體分，涂層堅(jiān)實(shí)、抗磨，防腐性能較好[14]。熱固性丙烯酸涂層是通過官能團(tuán)的反應(yīng)和溶劑的揮發(fā)交聯(lián)固化成膜的，其分子量比熱塑性丙烯酸樹脂低，但固體含量比熱塑性的高，可選擇的溶劑種類更多，成膜后具有更好的光澤和耐溶劑性、耐化學(xué)侵蝕及抗黏著性，因此其應(yīng)用更為廣泛[15]。

聚氨酯由羥基化合物和單體物質(zhì)異氰酸酯聚合而成：①聚氨酯由雙組分聚合在一起交聯(lián)形成的保護(hù)膜，分子結(jié)構(gòu)間間距小、距離整齊，外界環(huán)境中的水和氧氣很難侵入混凝土結(jié)構(gòu)中，在鹽類溶液和石油中不會溶解，抗腐蝕能力強(qiáng)。②涂層密實(shí)、完整，無針孔、無裂縫、無氣泡，水蒸氣的滲透系數(shù)小，在防水的同時(shí)還有隔絕氣體進(jìn)入的功能。③涂層中的高分子物質(zhì)可以深入混凝土表面的縫隙中，追隨性強(qiáng)，與混凝土表面的黏結(jié)能力強(qiáng)，在有水的情況下仍具有較好的附著性。涂層的韌性較好，當(dāng)基層出現(xiàn)伸縮和開裂時(shí)仍具有較好的吸附性，抗拉強(qiáng)度高。耐候性好，低溫環(huán)境中不易龜裂，高溫環(huán)境中不易流淌，具有較好的抗老化能力，耐磨、耐油、耐臭氧、耐酸堿腐蝕[17]。

2.2 滲透型防腐涂料

滲透型防腐涂料主要是以分子結(jié)構(gòu)較小的硅烷及硅氧烷類的涂料為主，其分子直徑一般在1nm～7nm之間，并且擁有較小的黏度，因此可以很好地滲透到混凝土的空隙中，對混凝土的空隙進(jìn)行很好地封閉。Christodoulou等[18]利用硅烷涂刷正在服役中的混凝土材料，并進(jìn)行追蹤，發(fā)現(xiàn)在使用20年后，該混凝土依然具有良好的疏水性能，Basheer等[19]研究發(fā)現(xiàn)，涂刷了硅烷類涂料的混凝土，其凍融循環(huán)次數(shù)增加了一倍以上，Buenfeld[20]等利用硅烷類涂料涂刷混凝土，發(fā)現(xiàn)涂刷后的混凝土抗氯離子明顯提升了1～3個(gè)數(shù)量級。

然而由于硅烷類的涂料反應(yīng)活性低，因此其只能在混凝土的空隙內(nèi)壁成膜，但是不能很好地封閉孔隙，該涂層材料不會阻止空氣中二氧化碳進(jìn)入孔隙，因此不具有良好的抗二氧化碳性能，混凝土在二氧化碳濃度高的地區(qū)服役的防腐效果不明顯[21]；并且研究表明，在具有一定水壓的服役環(huán)境下，硅烷類防腐涂層的抗氯離子性能明顯降低，這是因?yàn)樵谳^大的壓力下，氯離子可以進(jìn)入混凝土孔隙中；在混凝土擁有較低的孔隙率時(shí)，硅烷類防腐涂層的效果就不是特別明顯，因?yàn)槠渲饕臋C(jī)理就是滲入混凝土的孔隙中，對混凝土進(jìn)行防腐保護(hù)，當(dāng)混凝土的孔隙率較低時(shí)，其不能滲入孔隙中，因此防腐效果不明顯[22]，硅烷類防腐涂層對水性腐蝕因子有較好的防腐效果，但是不能很好地阻隔油性分子在其表面的滲透。

3 結(jié)束語

混凝土作為土木工程領(lǐng)域最主要的材料，在服役期間主要受到環(huán)境中的物理腐蝕、化學(xué)腐蝕及生物腐蝕，為防止其被腐蝕，增強(qiáng)其耐久性，研究人員研究發(fā)現(xiàn)在其表面添加防腐涂層是行之有效的方法，目前主要的混凝土防腐涂層有滲入型與表面成膜型防腐涂層；在考慮混凝土服役環(huán)境的差異選擇適宜的防腐涂層對增強(qiáng)混凝土的耐久性是有重要的意義。