混凝土橋梁耐久性環(huán)境因素及其防護(hù)涂料分析

魏小龍 趙靜卓 王 暉 張 青 任國(guó)斌

(甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030)

自從在19世紀(jì)20年代水泥這種材料被發(fā)明出來(lái)后，就一直作為混凝土的膠結(jié)材料，被廣泛的應(yīng)用在各種混凝土建筑當(dāng)中，比如，房屋、橋梁、道路、碼頭等。但是由于在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)、材料選擇、施工過程當(dāng)中出現(xiàn)了各種細(xì)節(jié)問題，便會(huì)導(dǎo)致在環(huán)境的影響下，使得混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)法達(dá)到預(yù)期壽命，提早造成了破壞，使得財(cái)產(chǎn)、資源等受到了浪費(fèi)。因此，為了保障混凝土橋梁的耐久性，相對(duì)于其他混凝土建筑而言，在其防護(hù)涂料方面需要更加嚴(yán)格，所以進(jìn)行“混凝土橋梁耐久性環(huán)境因素及其防護(hù)涂料分析”該論題的研究對(duì)于我國(guó)交通道路的建設(shè)將有著極高的實(shí)際意義。

1 環(huán)境對(duì)混凝土橋梁的影響

1.1 大氣環(huán)境對(duì)混凝土橋梁的影響

大氣環(huán)境對(duì)混凝土橋梁耐久性的影響主要來(lái)源于二氧化碳、二氧化硫的酸性氣體與混凝土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得混凝土的pH值下降。當(dāng)混凝土內(nèi)部的pH值下降到9的時(shí)候，其內(nèi)部鋼筋便會(huì)失去堿性的保護(hù)而出現(xiàn)生銹的跡象，使得混凝土的強(qiáng)度明顯變低。

如果把混凝土放在pH值為1的硫酸溶液中，經(jīng)過8周期的腐蝕，其強(qiáng)度降低了8.8%，經(jīng)過13周期的腐蝕，其強(qiáng)度降低了13.8%，這樣的情況都被認(rèn)為該混凝土已經(jīng)完全遭到了腐蝕破壞。除了會(huì)對(duì)混凝土內(nèi)部的鋼筋產(chǎn)生腐蝕，還會(huì)使得混凝土內(nèi)部的膠結(jié)材料水泥失去其粘結(jié)性，導(dǎo)致混凝土的整體結(jié)構(gòu)受到破壞。

另外大氣中所具有的二氧化硫是形成酸雨的主要成分之一，而這種酸性物質(zhì)不管是濕沉降還是干沉降，均會(huì)導(dǎo)致土壤酸化。當(dāng)土地發(fā)生酸化之后，那么對(duì)混凝土橋墩耐久性造成影響的，將不只有大氣環(huán)境，還有酸化后的土地也會(huì)使得混凝土的橋墩開裂的情況，最終導(dǎo)致整個(gè)橋梁的結(jié)構(gòu)都發(fā)生形變，大大降低了橋梁的使用壽命。

1.2 水對(duì)混凝土橋梁的影響

大部分的橋梁設(shè)計(jì)出來(lái)都是為了橫跨江河湖海，特別是一些超大型的跨海橋梁，其混凝土橋墩部分必然需要長(zhǎng)期處于水環(huán)境中。那么在水的腐蝕下，混凝土內(nèi)部材料極有可能會(huì)發(fā)生各種溶解，也就是溶蝕。再加上隨著工業(yè)排放物對(duì)水資源的影響，會(huì)讓硫酸鹽與水共同溶蝕混凝土橋墩，這便將受了混凝土的強(qiáng)度變低。

部分寒冷地區(qū)，在不同的季節(jié)中，水會(huì)被凍住或者融化，那么在凍脹和凍融的循環(huán)中，將會(huì)直接對(duì)混凝土的拉力學(xué)性能及粘結(jié)性有著直接的影響。時(shí)間一久便會(huì)導(dǎo)致鋼筋與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度逐漸變低，受拉力學(xué)性能逐漸下降，使得混凝土橋梁便出現(xiàn)其強(qiáng)度逐漸變低的情況。

1.3 日照對(duì)混凝土橋梁的影響

對(duì)于混凝土橋梁來(lái)說，除了會(huì)有大氣水這類環(huán)境因素對(duì)混凝土橋梁造成腐蝕的不良影響以外，日照也會(huì)對(duì)混凝土橋梁造成破壞。不過日照相對(duì)于大氣、水之類的入侵腐蝕，更多的是在溫度應(yīng)力上對(duì)混凝土耐久性造成影響。對(duì)一些跨境較大的箱型混凝土橋梁中，特別是針對(duì)超靜定結(jié)構(gòu)體系，太陽(yáng)輻射在橋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的溫度應(yīng)力將有可能超過活載應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土橋梁出現(xiàn)正彎矩。比如在我國(guó)漓江二橋，云南六庫(kù)怒江大橋的箱型結(jié)構(gòu)的橋梁等，均已經(jīng)產(chǎn)生了受到日照的影響，導(dǎo)致不同程度的裂損情況。通過與日照相關(guān)的實(shí)驗(yàn)后，研究結(jié)果表明，箱型橋梁某些部位的溫度應(yīng)力如果大，娛樂和在應(yīng)力是混凝土箱梁出現(xiàn)裂縫的主要原因。

1.4 氯鹽對(duì)混凝土橋梁的影響

建立在沿海地區(qū)或者高寒地區(qū)的橋梁是很容易被氯鹽所腐蝕的，因?yàn)樵诨旌纤嗟臅r(shí)候或者是進(jìn)行混凝土地面防寒處理的時(shí)候，往往會(huì)讓混凝土中混入少量的海水、海洋大氣、防冰劑，而這些正好是混凝土內(nèi)部氯鹽的來(lái)源。當(dāng)氯鹽與混凝土混合在一起時(shí)，會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成一種易溶材料“二氯化鈣”。二氯化鈣的體積比較大，會(huì)造成混凝土的膨脹，一旦遇到高溫或低寒便會(huì)溶解，使得混凝土橋面發(fā)生脹裂。

當(dāng)水泥中水合鋁酸鈣含量高于8%時(shí)，混凝土內(nèi)部的氯鹽會(huì)產(chǎn)生自由氯離子。所以混凝土還會(huì)被自由氯離子所腐蝕，同時(shí)自由氯離子與鋼鐵接觸時(shí)，也會(huì)破壞鋼鐵表面的鈍化層，導(dǎo)致鋼筋及時(shí)在混凝土內(nèi)部，不接觸到氧氣也會(huì)出現(xiàn)生銹的情況。一旦混凝土內(nèi)部的鋼筋發(fā)生了生銹，一方面是會(huì)降低了混凝土橋梁的耐久性，另一方面是更容易導(dǎo)致混凝土墻面出現(xiàn)裂縫。根據(jù)鐵路部門所統(tǒng)計(jì)的研究數(shù)據(jù)表明，鋼筋生銹是沿海地區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)老化以及耐久性失效的最主要原因。

在高寒地區(qū)，為了避免地面結(jié)冰，很多地區(qū)都會(huì)選擇在混凝土地面撒上防冰劑。當(dāng)防冰劑內(nèi)部的鹽溶液濃度低于3%～4%的時(shí)候，在鹽冰混合物所造成的凍融循環(huán)影響下，混凝土很容易被凍脹，從而出現(xiàn)表面剝落的情況。而讓鹽溶液濃度高于3%～4%的時(shí)候，則會(huì)造成氯鹽腐蝕，出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)生成二氯化鈣，特別是鹽溶液濃度高于15%的防冰劑，更是明顯提高破壞混凝土表面的速度，讓混凝土劣化十分嚴(yán)重。

1.5 生物對(duì)混凝土橋梁的影響

除了上述環(huán)境因素會(huì)對(duì)混凝土橋梁造成影響以外，在生物力的作用下也會(huì)導(dǎo)致混凝土橋梁被破壞。常見的生物力破壞混凝土橋梁的案例，比如草的種子落入混凝土縫隙當(dāng)中并生根發(fā)芽，使得草根破壞混凝土表面，樹根鉆入混凝土的缺口后，還在不斷的生長(zhǎng)，使得混凝土原本的缺口被越級(jí)越大，最終破壞了混凝土原本的密實(shí)度，使得混凝土橋梁的耐久度降低。另外還有生物造成的混凝土化學(xué)腐蝕，比如某些硫化細(xì)菌能夠與水發(fā)生反應(yīng)生成硫酸，而硫酸會(huì)造成混凝土的腐蝕，同時(shí)硫酸容易與其他物質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)，形成硫酸鹽，硫酸鹽也容易造成混凝土表面的腐蝕。

2 混凝土橋梁的防護(hù)涂料分析

2.1 混凝土橋梁的涂層要求

考慮到我國(guó)土地面積較為廣泛，幅員遼闊，各地區(qū)的自然環(huán)境之間的差異明顯，所以不同混凝土橋梁所處的自然環(huán)境完全不同，那么在進(jìn)行混凝土橋梁防護(hù)涂料分析的時(shí)候，就需要涂層體系有著對(duì)環(huán)境很好的適應(yīng)性，而且也能夠延長(zhǎng)混凝土橋梁的使用壽命。因此，從混凝土橋梁的涂層體系來(lái)看，需要綜合考慮到以下幾個(gè)方面的要求。首先是涂層體系中的封閉漆需要具有滲透性，耐堿性和附著力。其次是涂層體系中的中間漆需要具有耐酸耐堿性、柔韌性和良好的屏蔽性。最后還有涂層體系中的面漆需要具有防碳化性能和裝飾性。

2.1.1 耐堿性

對(duì)混凝土橋梁，因其涂層的耐堿性，需要保證混凝土的pH值在12～13左右，因此，在選擇其涂層的時(shí)候，一定要進(jìn)行混凝土表面涂層的耐堿性測(cè)試，確保混凝土表面的涂料能夠具備良好的耐堿性，放置混凝土被堿性物質(zhì)所腐蝕。

2.1.2 滲透性

對(duì)混凝土來(lái)說其表面的涂料還需要具有一定的滲透性，因?yàn)榫哂袧B透性的涂料能夠保證混凝土表面具有良好的附著力，從而通過附著力去抵御外界環(huán)境因素，對(duì)混凝土橋梁的侵蝕。

2.1.3 涂層厚度

涂層厚度指的是在混凝土表面上涂層的時(shí)候必須要達(dá)到的厚度，只有符合了混凝土橋梁的涂層厚度標(biāo)準(zhǔn)，該涂層才能夠起到相應(yīng)的保護(hù)作用，否則既不能保護(hù)混凝土橋梁也造成了資源的浪費(fèi)。不過在為混凝土橋梁上涂層的時(shí)候，一定要考慮到大部分混凝土橋梁的表面都是不規(guī)則的，所以很有可能會(huì)導(dǎo)致上的涂層不夠均勻，使得涂層厚度不夠。一旦涂層達(dá)不到發(fā)揮作用的厚度，必然就會(huì)導(dǎo)致即使上了涂層也沒有任何的作用，難以產(chǎn)生抵抗的內(nèi)應(yīng)力。

2.1.4 柔韌性

混凝土這種材料相對(duì)于鋼筋、鋼鐵而言具有一定的柔韌性和延展性，所以使用在混凝土橋梁表面的涂料也必須如同混凝土一樣，具有一定的柔韌性和粘粘性，只有這樣才能夠去適應(yīng)混凝土應(yīng)溫度應(yīng)力而導(dǎo)致的收縮和膨脹，不至于易出現(xiàn)強(qiáng)烈的溫度應(yīng)力。如果混凝土的涂料沒有具備較好的柔韌性，也無(wú)法與混凝土表面服帖，當(dāng)混凝土在受到溫度影響時(shí)，其表面的涂料就很容易遭到破壞產(chǎn)生開裂，從而使得混凝土涂層失去原有對(duì)于混凝土的保護(hù)作用，同時(shí)還會(huì)造成混凝土橋面呈現(xiàn)出一種比較斑駁的形態(tài)，造成美觀度不夠。

2.1.5 附著力

混凝土橋梁表面的涂料所具有的附著力性能，應(yīng)與鋼鐵表面的涂料所具有的附著性性能不同，因?yàn)榛炷翗蛄簶O建成之后是需要長(zhǎng)期處在一個(gè)潮濕的環(huán)境中，因此對(duì)于其表面的涂料而言，也必須具有很好的滲透性和濕潤(rùn)性，從而能夠更好的附著在混凝土表面上，不至于一遇到較為潮濕的環(huán)境便出現(xiàn)脫落的情況，造成混凝土表面的涂料無(wú)法對(duì)混凝土起到足夠的保護(hù)作用。

2.1.6 防碳化性能

混凝土橋梁表面涂料的防碳化性能指的是因?yàn)榇髿庵杏卸趸嫉拇嬖?，所以受到二氧化碳的影響，混凝土?xí)a(chǎn)生碳化，碳化后的混凝土，體積會(huì)發(fā)生變化，表面出現(xiàn)各種細(xì)小的裂縫，使得氧氣和水分會(huì)通過這些裂縫進(jìn)入混凝土的內(nèi)部，造成鋼筋生銹的情況出現(xiàn)，最終導(dǎo)致混凝土橋梁的使用壽命縮短。因此在選擇混凝土表面涂層的時(shí)候一定要具有防碳化的功能，防止二氧化碳去碳化混凝土。

2.1.7 裝飾性

對(duì)于混凝土橋梁表面的涂層而言，除了具有上述所提到的6種功能以外，還需要具備一定的裝飾性能，作為混凝土橋梁的表面涂料，應(yīng)當(dāng)表現(xiàn)出豐滿的漆膜感和保光保色性能，最好還能夠擁有比較豐富的色彩，作為橋梁的裝飾物。

2.2 混凝土橋梁的表面處理

2.2.1 除油

為了使得混凝土橋梁表面的涂層效果更加有用，需要對(duì)混凝土橋梁表面先進(jìn)行處理之后再去上涂層。比如除油就是必須要進(jìn)行表面處理之一，所謂的除油指的是利用洗滌劑或者碳酸鈉溶液，對(duì)混凝土表面的油污進(jìn)行清理，清理結(jié)束后，使用純凈水沖洗混凝土表面殘留的洗滌劑或者碳酸鈉溶液，確保混凝土表面的pH值的達(dá)到中性，也就是pH值在7～8左右。但是考慮到個(gè)別混凝土區(qū)域可能會(huì)出現(xiàn)被油污嚴(yán)重污染的情況，甚至出現(xiàn)了油污直接滲透到混凝土內(nèi)部的局面，那么針對(duì)這種情況，則需要先使用熱堿液，讓熱堿液侵入混凝土內(nèi)部與油污發(fā)生反映，起到取出油污的作用，然后再用純凈水把弱堿液進(jìn)行沖洗掉，確保在完成除油工作之后，才能夠進(jìn)行混凝土橋梁表面的上涂層操作。

2.2.2 表面打磨或噴砂處理

對(duì)于混凝土橋梁的表面處理，還需要進(jìn)行表面打磨或者噴砂處理。這種處理主要是使用打磨工具來(lái)去除混凝土表面存在的浮漿以及弱堿層。當(dāng)然，除了可以通過打磨工具來(lái)去除浮漿以外，也可以使用噴砂工具，是有同樣的效果。在完成打磨或者噴砂處理之后，混凝土表面還會(huì)殘留一層灰塵，如果不去除這一層灰塵，對(duì)于后續(xù)在混凝土表面上涂料來(lái)說也并不方便，即使能夠上好涂料，也容易造成橋梁表面出現(xiàn)斑駁的情況，對(duì)于橋梁建筑來(lái)說不夠美觀。所以針對(duì)混凝土橋梁表面的灰塵則通過壓縮空氣把表面浮塵吹走，從而保證混凝土表面的干凈，方便后續(xù)進(jìn)行上涂料。

2.2.3 酸蝕處理

酸蝕處理并不是所有混凝土橋梁都需要進(jìn)行的表面處理，這種處理方法主要是適用于油污比較多的混凝土表面。當(dāng)混凝土表面出現(xiàn)過多的油污時(shí)，需要用濃度10%～15%的鹽液清洗混凝土表面。在清洗的過程中，往往可以很明顯的看到混凝土表現(xiàn)出現(xiàn)了化學(xué)反應(yīng)，即產(chǎn)生各種氣泡，這代表著鹽溶液正在與混凝土表面的油污進(jìn)行反應(yīng)，當(dāng)化學(xué)反應(yīng)結(jié)束后，也就是不再產(chǎn)生氣泡后，再用清水進(jìn)行表面的清洗，即完成了混凝土表面的酸蝕處理，可以進(jìn)行在處理完畢后的混凝土表面開始上涂層。

3 結(jié) 語(yǔ)

總的來(lái)說，考慮到大氣、水、日照、氯鹽、生物力等外界環(huán)境因素對(duì)于混凝土橋梁造成的腐蝕影響來(lái)看。通過上涂料對(duì)混凝土表面進(jìn)行處理，并嚴(yán)格按照混凝土橋梁的涂層要求來(lái)進(jìn)行涂料的選擇和使用，將有效提升混凝土橋梁的使用壽命，并減少混凝土橋梁的維護(hù)工作及費(fèi)用，同時(shí)優(yōu)秀的混凝土表面涂料還具備不錯(cuò)的裝飾性能力，所以能夠起到美化環(huán)境的作用。因此重視混凝土橋梁防護(hù)材料的篩選，不僅可以降低環(huán)境因素造成的混凝土橋梁耐久性不足的問題，還對(duì)于我國(guó)城市建設(shè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有積極的正向意義。