市政橋梁工程鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)防腐設(shè)計(jì)研究

王 剛

（中譽(yù)設(shè)計(jì)有限公司 廣東清遠(yuǎn) 511518）

1 研究背景及意義

近年來，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，橋梁建設(shè)技術(shù)取得重大突破，鋼筋混凝土橋梁建設(shè)規(guī)模不斷攀升。橋梁工程具有設(shè)計(jì)使用壽命長，養(yǎng)護(hù)成本高等特點(diǎn)，而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)防腐效果的好壞，直接關(guān)系到橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命和養(yǎng)護(hù)成本。中央在“十四五”規(guī)劃中明確提出堅(jiān)持節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的基本國策，堅(jiān)持節(jié)約優(yōu)先、保護(hù)優(yōu)先。因此，加強(qiáng)對橋梁鋼筋混凝土的腐蝕保護(hù)，具有十分重要的意義。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，廣州從2007 年至今，市政橋梁防腐涂裝投入為平均每年約6 000 余萬，平均處理橋梁防腐涂裝面積約為70 萬m2。隨著時(shí)間的推移，將會(huì)有更多的橋梁進(jìn)入中修-大修階段，橋梁防腐形勢日益嚴(yán)峻。廣州市通過以往的橋梁防腐處理，很大程度上解決了市政橋梁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕問題，防腐工作取得了一定的成效。但隨著廣州市經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，市政橋梁建設(shè)規(guī)模不斷增大，市政橋梁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)防腐工作任重道遠(yuǎn)。因此，研究采用新材料、新技術(shù)、新工藝保護(hù)市政橋梁工程鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，節(jié)約橋梁養(yǎng)護(hù)成本，延長橋梁使用壽命，具有重大意義。

2 項(xiàng)目概況

根據(jù)建設(shè)行政主管部門相關(guān)要求，本項(xiàng)目選取同德圍南北高架、黃洲立交和開創(chuàng)大道立交等市政橋梁工程作為試點(diǎn)，對其防撞墻部位鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行防腐設(shè)計(jì)研究，并在實(shí)施完成后進(jìn)行防腐效果后評價(jià)，以便總結(jié)防腐技術(shù)的優(yōu)勢或不足，確定適用范圍，為下一步推廣應(yīng)用提供指引。

3 設(shè)計(jì)方案比選

依據(jù)《混凝土橋梁結(jié)構(gòu)表面涂層防腐技術(shù)條件：JT/T 695—2007》，對腐蝕類型進(jìn)行鑒定，廣州所處的腐蝕環(huán)境為中腐蝕（Ⅱ），為使得防腐體系防護(hù)年限達(dá)到要求，設(shè)計(jì)選取了兩種防腐方案進(jìn)行綜合分析，具體方案如下：

3.1 方案1（成膜型）

3.1.1 涂裝體系

方案1 采用混凝土表面涂層工藝，涂裝體系如表1所示。

表1 方案1涂裝體系［1］Tab.1 Scheme 1 Coating System

方案1是典型的成膜型涂裝體系，在廣州市政橋梁防腐工程中廣泛應(yīng)用，其設(shè)計(jì)使用壽命一般為10 年。水性丙烯酸漆和水性氟碳漆技術(shù)指標(biāo)滿足相關(guān)規(guī)范要求。

3.1.2 涂料特性

水性漆能溶于水，故直接用水來作為溶劑。優(yōu)點(diǎn)是對環(huán)境污染小，成本較低；涂裝工具可使用清水直接清洗，方便節(jié)能；能夠適應(yīng)常見材質(zhì)的表面，具有較強(qiáng)的附著力，不易脫落、氧化，適用范圍較廣泛。缺點(diǎn)是對基材表面要求較高，必須保持平整、潔凈，否則涂裝效果較差，無法保證防腐耐久性。

⑴水性丙稀酸涂料特點(diǎn)

水性丙烯酸涂料通常由底漆、中間漆和面漆3 道涂層組合成一個(gè)系統(tǒng)共同發(fā)揮作用。底漆阻止水、氯離子和氧氣通過，是整個(gè)涂層的基礎(chǔ)，具有良好的耐腐蝕性能及附著力；中間漆主要作用是粘結(jié)底漆和面漆兩層涂膜，并增加整個(gè)涂層厚度，提高涂層系統(tǒng)的屏蔽能力；面漆具有防滲透和裝飾等作用，用來提高涂層系統(tǒng)的耐候性。

⑵水性氟碳涂料特點(diǎn)

水性氟碳漆通常用作面漆，主要成分為水性氟碳樹脂，是一種環(huán)保型單組分氟碳乳液涂料。具有出色的耐候性、抗污性及耐腐蝕性，適用范圍非常廣泛［2］。

耐候性：水性氟碳涂料具有超高的C-F 鍵能，使涂料化學(xué)穩(wěn)定性極強(qiáng)，所以具有優(yōu)秀的抗紫外線降解能力和超耐候性能。

抗污性：水性氟碳涂料的分子結(jié)構(gòu)致密，涂膜堅(jiān)硬，表面能低，同時(shí)漆膜表面的電阻率高不易引起靜電，所以具有極強(qiáng)的抗污性和憎水性。

耐腐蝕性：水性氟碳涂料經(jīng)2 000 h 鹽霧試驗(yàn)，漆膜基本無變化，非常適用于廣州等沿海地區(qū)的環(huán)境。

3.2 方案2（滲透型）

為了積極響應(yīng)建設(shè)主管部門關(guān)于新材料、新技術(shù)、新工藝研究應(yīng)用的相關(guān)要求，經(jīng)過大量的分析與研究，方案2 采用混凝土表面硅烷浸漬技術(shù)。設(shè)計(jì)采用兩道硅烷浸漬（異丁基三乙氧基硅烷液體），每道用量300 g/m2，硅烷含量≥98.9%，硅氧烷含量≤0.1%，密度≤0.88 g/mL，材料活性100%，氯離子吸收降低率≥90%，混凝土硅烷浸漬滲透深度≥3mm，防腐設(shè)計(jì)使用壽命≥15年。

硅烷浸漬技術(shù)是滲透型混凝土保護(hù)技術(shù)，與成膜型涂料有著本質(zhì)區(qū)別，其用最有效、最經(jīng)濟(jì)的方式將混凝土與水隔離，達(dá)到保護(hù)目的，是一種能高效、經(jīng)濟(jì)地提高混凝土耐久性的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于橋梁、碼頭、港口等工程。

3.2.1 作用機(jī)理

硅烷浸漬，是用硅烷類產(chǎn)品浸漬混凝土表面，使表面具有低吸水率，低氯離子滲透率的一種混凝土表面防腐措施。硅烷材料分為異丁基三乙氧基硅烷液體和異辛基三乙氧基硅烷膏體兩種，對含量要求分別為98.9%和80.0%以上。浸漬就是對混凝土結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行噴涂的過程，根據(jù)工程設(shè)計(jì)文件要求、所用硅烷產(chǎn)品、以及施工部位采用不同的涂裝方式，如滾涂、高/低壓噴涂、無氣噴涂等。

硅烷屬于小分子結(jié)構(gòu)，能夠通過混凝土表面的毛細(xì)孔滲透進(jìn)混凝土內(nèi)部，具有優(yōu)秀的滲透性能，滲透深度一般可達(dá)到3～10 mm，如圖1 所示。硅烷浸漬后能與堿性環(huán)境中的空氣及水分子發(fā)生水解和縮合兩步化學(xué)反應(yīng)，如圖2所示，形成二聚體甚至多聚體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，與混凝土化學(xué)連結(jié)［3］，牢牢吸附在混凝土毛細(xì)孔壁，使得混凝土外表具有長久的憎水性，防止水和氯離子的侵入，保證鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)免遭腐蝕，同時(shí)還具有透氣性能。

圖1 滲透深度Fig.1 Penetration Depth

圖2 化學(xué)反應(yīng)Fig.2 Chemical Reaction

3.2.2 涂料特性

硅烷浸漬混凝土防腐技術(shù)具有以下特性：

⑴防水性能（見圖3）：硅烷能通過混凝土毛細(xì)孔滲透進(jìn)內(nèi)部，滲透的深度高達(dá)3～10 mm，并通過化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)鍵合作用，讓混凝土具有長久的憎水性能，同時(shí)還能防止混凝土開裂，讓防水層具備自行修復(fù)功能［4］。

圖3 防水性能Fig.3 Waterproof Performance

⑵透氣性能（見圖4）：與成膜型涂層體系不同，硅烷浸漬后的混凝土未封閉毛細(xì)孔隙通道，讓混凝土具備透氣性能［4］，能將混凝土內(nèi)部水汽排出體外，比成膜型涂層體系具備更耐久的保護(hù)能力。

⑶抗氯離子侵蝕性能：試驗(yàn)采用氯化鈉溶液浸泡使用不同用量硅烷浸漬后的混凝土試塊，驗(yàn)證各試塊對氯化鈉溶液的吸收量，發(fā)現(xiàn)相比于未經(jīng)處理的試塊，使用硅烷浸漬后的試塊對氯化鈉的吸收量明顯大幅降低［5］；且硅烷用量越大，吸收量越?。?］；當(dāng)硅烷用量達(dá)到300 g/m2時(shí)，隨著浸泡時(shí)間增加，氯化鈉吸收量幾乎沒有增長，抗氯離子侵蝕能力較強(qiáng)。不同用量硅烷浸漬混凝土對氯化鈉吸收量如圖5所示。

圖5 不同用量硅烷浸漬混凝土對氯化鈉吸收量Fig.5 Absorption of Sodium Chloride by Concrete

⑷抗凍融性能：混凝土采用硅烷浸漬后，具備了優(yōu)秀的防水性能，所以對水的吸收量極低，能有效減少凍融現(xiàn)象的發(fā)生，提高混凝土的耐候性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：相比于未經(jīng)處理的混凝土試塊，使用硅烷浸漬后試塊的抗凍融性能得到了大幅提升［4］。

⑸抗碳化性能：在廣州等華南地區(qū)，橋梁混凝土結(jié)構(gòu)的主要破壞因素為酸雨、生物侵蝕和碳化作用。碳化作用使混凝土體積產(chǎn)生收縮，如果收縮應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度，表面會(huì)出現(xiàn)裂縫［7］，水分沿著裂縫進(jìn)入混凝土內(nèi)部進(jìn)而腐蝕鋼筋，影響橋梁結(jié)構(gòu)安全。試驗(yàn)采用膏體硅烷及液體硅烷對C50 混凝土浸漬保護(hù)后，與未浸漬保護(hù)試件耐水性及耐酸性、碳化對比，結(jié)果表明：經(jīng)過硅烷浸漬后的混凝土試件無論耐水性、耐酸性還是抗碳化性能都大幅提高［7］，如表2所示。

表2 抗碳化性能Tab.2 Carbonization Resistance Performance Impregnated with Different Amounts of Silane

⑹耐久性能：數(shù)據(jù)表明，混凝土使用高濃度硅烷浸漬，達(dá)到最佳滲透深度，在不直接接觸液態(tài)水的條件下，防腐耐久年限可以達(dá)到20年［3］。

3.3 方案比選

通過分析兩種防腐方案，方案比選如表3所示。

表3 方案比選Tab.3 Scheme Comparison and Selection

綜合分析對比以上兩種方案，考慮防腐耐久性、經(jīng)濟(jì)性、創(chuàng)新性、環(huán)保節(jié)能性，本工程推薦采用方案2硅烷浸漬技術(shù)。

4 施工工藝

4.1 材料準(zhǔn)備

⑴涂裝前應(yīng)仔細(xì)檢查硅烷品種、型號、規(guī)格、顏色、儲(chǔ)藏期限是否符合設(shè)計(jì)文件及規(guī)范要求，不得使用質(zhì)量不合格或不配套的產(chǎn)品。

⑵加強(qiáng)硅烷產(chǎn)品入場質(zhì)量抽檢，確保是異丁基三乙氧基硅烷，含量≥98.9%，產(chǎn)品指標(biāo)應(yīng)滿足《混凝土結(jié)構(gòu)硅烷浸漬技術(shù)規(guī)程：山東省地方標(biāo)準(zhǔn)DB37/T 4383—2021》［8］的相關(guān)規(guī)定。

4.2 混凝土表面處理

⑴混凝土表面應(yīng)無明顯的破損，不應(yīng)有空鼓、疏松等現(xiàn)象，否則應(yīng)采用手工打磨等方式處理空鼓、疏松部位。

⑵混凝土表面存在明顯蜂窩麻面、空洞、裂縫等缺陷時(shí)，應(yīng)采用水泥砂漿進(jìn)行修補(bǔ)，強(qiáng)度不應(yīng)低于基體混凝土強(qiáng)度。⑶混凝土表面應(yīng)清除干凈，不應(yīng)有油污、脫模劑、養(yǎng)護(hù)劑等附著物殘留［8］，否則應(yīng)采用高壓淡水沖洗。

4.3 涂裝工藝要求

⑴噴涂試驗(yàn)：混凝土表面處理后，大面積硅烷浸漬前，應(yīng)進(jìn)行噴涂試驗(yàn)，試驗(yàn)區(qū)面積為1～5 m2［9］，然后按規(guī)定的方法對試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行鉆芯取樣［10］，當(dāng)檢測結(jié)果符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，才能大面積噴涂硅烷浸漬液。

⑵硅烷液體用法和用量：噴涂硅烷液體時(shí)應(yīng)連續(xù)噴涂，使表面飽和溢流，噴涂至基材表面濕潤呈鏡面狀。在立面上，應(yīng)自下而上噴涂［10］，垂流長度為15～20 cm，每個(gè)部位噴涂兩遍，每遍噴涂量為300 g/m2，兩遍間隔時(shí)間為4～6 h，以達(dá)到更高的滲透深度。

⑶涂裝方式：施工面積超過1 000 m2時(shí)，宜采用低壓噴涂方式施工，施工面積少于1 000 m2時(shí)，宜采用輥涂或刷涂方式施工，避免漏涂。

⑷涂裝條件：基面平整、干燥、潔凈具有一定的粗糙度。環(huán)境溫度低于5 ℃或高于40 ℃或風(fēng)力大于六級時(shí)應(yīng)停止施工，雨、雪、霧天禁止施工。

⑸特殊情況處理：施工過程中，如果遇到突然下雨，應(yīng)立即對已涂裝部位采取必要的保護(hù)措施，以免硅烷被雨水稀釋或沖刷，失去活性，影響滲透效果。

4.4 質(zhì)量控制

應(yīng)按設(shè)計(jì)要求的涂裝遍數(shù)進(jìn)行施工，嚴(yán)格控制硅烷的使用量和涂刷部位；第一遍涂裝前應(yīng)檢查基材表面，合格后方可施工，第二遍涂裝前應(yīng)檢查第一遍涂裝效果，合格后方可施工；硅烷浸漬施工完成后，采取自然風(fēng)干，并應(yīng)至少保持干燥狀態(tài)24 h以上。

5 實(shí)施完成后評價(jià)

本項(xiàng)目實(shí)施完成后，由建設(shè)方委托了第三方檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行后評價(jià)，結(jié)果為：

⑴異丁基三乙氧基硅烷原材料滿足設(shè)計(jì)要求；耐沖擊性、耐水性、耐鹽水性、耐堿性、耐酸性、抗氯離子滲透性、耐候性、附著力及外觀指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)和相關(guān)規(guī)范要求。

⑵根據(jù)《水運(yùn)工程結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：JTS 153—2015》［11］對混凝土硅烷浸漬材料采用染料指示法進(jìn)行浸漬深度試驗(yàn)，現(xiàn)場試驗(yàn)檢測結(jié)果顯示，3個(gè)異丁基三乙氧基硅烷浸漬技術(shù)防腐涂裝試點(diǎn)路段的涂層滲透深度分別為：同德圍南北高架防撞墻滲透效果較好，滲透深度最大值為4.78 mm，平均滲透深度為3.23 mm；開創(chuàng)大道立交防撞墻滲透深度為0～3.48 mm，整體效果一般；黃洲立交防撞墻表面涂刷了清水混凝土面漆，導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常，該數(shù)據(jù)舍棄。

⑶硅烷浸漬技術(shù)具有較好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益，值得推廣應(yīng)用。

6 結(jié)論

本文通過研究傳統(tǒng)的成膜型涂裝技術(shù)和新型滲透型硅烷浸漬技術(shù)，并在市政橋梁防腐工程中成功應(yīng)用了硅烷浸漬技術(shù)，得出如下主要結(jié)論：

⑴在市政橋梁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)防腐工程中，建議應(yīng)用硅烷浸漬技術(shù)，在規(guī)范的操作條件下，各項(xiàng)指標(biāo)均能達(dá)到設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，能很好地保護(hù)混凝土結(jié)構(gòu)。

⑵在廣州等中腐蝕環(huán)境下，對比成膜型涂裝技術(shù)，硅烷浸漬技術(shù)在防腐耐久性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保節(jié)能性等方面具有優(yōu)勢。

⑶硅烷浸漬技術(shù)特別適用于新建橋梁混凝土結(jié)構(gòu)的防腐涂裝保護(hù)，混凝土表面孔隙通暢，硅烷能發(fā)揮最大程度的滲透能力，滲透深度大于3 mm，防腐效果良好。

⑷對于已建橋梁，尤其是建成時(shí)間較長或已實(shí)施過涂裝保護(hù)的橋梁混凝土結(jié)構(gòu)，硅烷浸漬應(yīng)用效果一般，為確保硅烷的滲透性，需要對混凝土基材表面做深層清理后，硅烷浸漬才能更好發(fā)揮作用。