鋼筋混凝土表面復(fù)合涂層防護技術(shù)的研究進展

　　1引言

　　隨著混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍的不斷擴展，其安全使用和耐久性問題也擺在了人們的面前。從20世紀60年代開始，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題已成為國內(nèi)外科研機構(gòu)重要的研究課題之一。高質(zhì)量混凝土和適當(dāng)厚度的保護層是提高鋼筋混凝土耐久性最重要和最基本的措施，但并不能避免鋼筋混凝土腐蝕破壞的發(fā)生，保證其長期的耐久性，尤其是在重度惡劣的腐蝕環(huán)境下。因此必須對鋼筋混凝土采取防腐蝕附加措施。美國混凝土協(xié)會（ACI）確認了4種鋼筋混凝土保護有效附加措施：環(huán)氧涂層鋼筋、鋼筋阻銹劑、陰極保護和鋼筋混凝土防腐蝕涂料。其中“底層+中間層+面層”的防腐蝕復(fù)合涂層技術(shù)已成為鋼筋混凝土最有效最經(jīng)濟的防護措施，受到世界各國的高度重視和快速推廣應(yīng)用。

　　2表面復(fù)合涂層防護技術(shù)存在的問題

　　2.1涂層的透氣性及吸水性問題

　　楊麗霞等研究證明，有機涂層雖然將基材與腐蝕介質(zhì)隔開，但并不是十分完善的阻擋層，有機涂料涂裝后，因溶劑揮發(fā)而產(chǎn)生針孔及高分子鏈結(jié)構(gòu)的微間隙，給水、氧氣及其它腐蝕介質(zhì)形成擴散通道，從而引起涂層下基材腐蝕的發(fā)生；有機涂層中含有許多可溶性鹽和一些親水基團，涂層接觸雨水（或江、河、海水）后會發(fā)生反應(yīng)，在涂層內(nèi)部形成液體的傳輸途徑，含有氯離子的液體通過這些傳輸途徑滲透到基材界面，在界面處發(fā)生腐蝕，形成原電池反應(yīng)，最終導(dǎo)致涂層起泡、脫落失效。付東興等研究說明，有機涂層起泡失效主要是由滲透壓起泡、陽極起泡、陰極起泡、應(yīng)力起泡、電滲透起泡等行為引起的，重防腐涂層甚至長效防腐復(fù)合涂層也存在類似問題。劉儒平等將表面防護處理后的混凝土試樣進行288h鹽水干濕循環(huán)腐蝕試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)涂層附著力下降了3%～5%，高精度抗?jié)B試驗發(fā)現(xiàn)試樣存在明顯的滲水現(xiàn)象。由于混凝土中鋼筋的腐蝕行為取決于其表面形成的具有保護性能的氧化物膜，鋼筋周圍自由氯離子的存在破壞了氧化膜并導(dǎo)致其局部擊穿和腐蝕，當(dāng)氯離子含量達到臨界值時鋼筋就開始腐蝕，這證明涂層的屏蔽性能十分重要。而混凝土碳化、氯離子侵蝕、酸雨腐蝕、氧和水的作用等腐蝕因素也正是因為涂料涂層的透氣性、吸水性等方面存在缺陷而對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)造成破壞的。

　　2.2涂層追隨性問題

　　裂縫是混凝土材料不可避免的，控制混凝土裂縫對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性有著十分重要的意義。楊林德等研究發(fā)現(xiàn)，開裂及滲漏會加速氯離子遷移，促進鋼筋銹蝕，鋼筋起銹時間隨裂縫深度的增加而縮短。目前鋼筋混凝土防護涂裝一般在底材處理后先使用封閉底漆、封閉膩子對混凝土表面及裂縫進行封閉處理，然后進行中涂、面涂施工。涂層的追隨性反映涂層跨越裂縫的能力，顯示出涂層在混凝土裂縫產(chǎn)生、擴大過程中仍然保持腐蝕防護作用能力的大小。李偉華等對涂料涂層混凝土裂縫追隨性的研究表明：以環(huán)氧底漆、環(huán)氧中涂漆和聚氨酯、氟樹脂面漆組成的復(fù)合涂層體系的追隨性與其厚度密切相關(guān)。復(fù)合涂層厚度為100μm時涂層延伸量為0.81mm，200μm時為1.29mm，1000μm時達到3.40mm，其柔韌性也隨厚度的增加而改善?；炷溜@微裂縫和大裂縫一般在0.1～0.3mm，而受承載重力或因溫度變化出現(xiàn)的裂紋可達到0.1～1.0mm。復(fù)合涂層要經(jīng)受日照、凍融、雨水、風(fēng)浪等環(huán)境因素的影響，其追隨性能將隨涂層的使用年限逐漸下降，正因如此，上述復(fù)合涂層（總厚度為250～350μm）的預(yù)期壽命最高可達60年，目前實際設(shè)計壽命僅為10～20年。

　　2.3涂層的耐久性問題

　　有機涂層在陽光、鹽霧、干濕交替以及冷熱交替等因素的作用下，涂層體系會逐漸老化。世界各國均對鋼筋混凝土防護涂料的耐久性進行了明確規(guī)定，如通常的面層涂料要求耐人工加速老化時間不低于1000h（JTJ275—2000《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐涂層》），氟碳涂料則達到2500h（HG/T3792—2005《交聯(lián)型氟樹脂涂料》）。JTG/TB07-01—2006《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》要求防護涂層耐人工加速老化時間在3000h以上，被業(yè)內(nèi)專家認為指標過高，一般戶外涂料難以滿足要求[8]。由此不難看出，目前鋼筋混凝土防護涂料及復(fù)合涂層實際耐久性能存在的不足。

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　　2.4涂層耐重防腐環(huán)境綜合作用問題

　　處于重防腐環(huán)境下的鋼筋混凝土其腐蝕環(huán)境復(fù)雜多樣，如浪花飛濺區(qū)、潮差區(qū)等不僅經(jīng)受海洋大氣腐蝕，還有海水夾雜泥沙與海洋漂浮物的沖刷、氣蝕、干濕交替以及異物意外撞擊等的侵蝕[9]，其腐蝕級別分別達到E級和F級，該處混凝土最易出現(xiàn)氯離子侵蝕、涂層脫落、混凝土碳化、鋼筋銹蝕等綜合性腐蝕現(xiàn)象，其防護壽命最短，需要及時維護，甚至應(yīng)采取設(shè)置防護擋板等其它額外保護措施。

　　3研究進展

　　1981年對華南地區(qū)18座近?；炷链a頭質(zhì)量調(diào)查發(fā)現(xiàn)，89%出現(xiàn)鋼筋銹蝕損壞，一些工程使用不到5年即因梁、柱順筋開裂而不得不進行維修。1984年美國洲際公路上56萬座橋梁的一半出現(xiàn)鋼筋腐蝕破壞，約16%屬于嚴重失效。美國1998年因鋼筋腐蝕的橋梁維修費達到1550億美元。工程技術(shù)人員在對高性能混凝土、環(huán)氧涂層鋼筋、鋼筋阻銹劑以及鋼筋陰極保護系統(tǒng)進行開發(fā)應(yīng)用的同時，也在鋼筋混凝土涂層防護新技術(shù)上做了研究，如聚脲技術(shù)、厚涂涂料（一次涂裝厚度1200μm）、玻璃鱗片重防腐涂料、水性涂料及高固體分涂料等，并取得一定的應(yīng)用效果，但并未從根本上解決傳統(tǒng)有機涂層存在的諸多問題。

　　3.1納米改性涂料涂層技術(shù)

　　將納米粉體采用專利分散技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)的重防腐涂料中，取得了積極進展。添加的納米粉體呈均勻的分散狀態(tài)，由單個或數(shù)個納米粒子組成的納米顆粒，其分散尺度絕大多數(shù)低于100nm；納米改性后的環(huán)氧封閉劑對熱噴涂層、鋼筋混凝土具有更加突出的滲透、封閉和附著性，納米改性環(huán)氧封閉劑在鋼筋混凝土上的附著力（拉拔法）超過6MPa，遠優(yōu)于現(xiàn)有的環(huán)氧封閉漆（2～3MPa）；納米粒子填充到高分子樹脂的架構(gòu)中，形成相互鏈接，能顯著提高涂層的致密度、物理機械性能以及耐老化性能。測試表明，經(jīng)過納米改性的含氟聚氨酯面漆其耐候性完全能滿足JTG/TB07-01—2006的要求。

　　3.2鋼筋混凝土陰極保護技術(shù)

　　由于有機涂層先天存在諸多缺陷研究人員已開始嘗試將熱噴涂金屬涂層技術(shù)應(yīng)用于鋼筋混凝土表面的長效防護。熱噴涂技術(shù)問世已有100年的歷史，目前已成為大型鋼鐵結(jié)構(gòu)件長效防腐的首選方法，混凝土中的鋼筋也已采用了這種防護效果突出的陰極保護措施。土結(jié)構(gòu)的陰極保護，純鋅被作為陽極涂層材料噴涂于混凝土保護面上。實際應(yīng)用表明，在其保護下不僅混凝土鋼筋沒有出現(xiàn)任何的銹蝕現(xiàn)象，混凝土表面也沒有剝落、斷裂和起皮問題的發(fā)生。1997年德國GrillowerkeAG公司將電弧噴鋅涂層技術(shù)與有機涂層技術(shù)結(jié)合起來，實現(xiàn)了在惡劣環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的長久保護。大量熱噴涂陽極涂層在鋼筋混凝土上應(yīng)用的研究報告也證明，熱噴涂鋅層后能顯著降低高濕度、低混凝土電阻率條件下混凝土內(nèi)置鋼筋的腐蝕。另外，也可以將噴涂于混凝土表面的鋅涂層與混凝土內(nèi)部的鋼筋相連，使它們相互連通導(dǎo)電，混凝土則成為電解質(zhì)并形成原電池，不需要外加電流金屬鋅即可實現(xiàn)對鋼筋的陰極保護。試驗報告說明，在純Zn、純Al、Zn-Al合金、Al-Mg合金、Al-Zn-Mg合金、Al-Zn-Sn合金、Al-Zn-In合金等熱噴涂陽極涂層材料中，Al（20）-Zn-In（0.2）是最適合發(fā)展的合金陽極材料，它具有最低的陽極極化，在各種環(huán)境中都能保持相對活化的靜電勢。對照試驗證明，電弧噴涂Al-Zn-In合金涂層可產(chǎn)生相對于純Zn涂層更高更穩(wěn)定的陰極保護電流，涂層附著力也相對提高。隨著水下電弧噴涂設(shè)備及電弧噴涂機器人技術(shù)的不斷發(fā)展，借鑒國外近10年的研究應(yīng)用成果，性能優(yōu)異、安全可靠的混凝土陰極保護技術(shù)將逐漸在國內(nèi)重大鋼筋混凝土工程中得到應(yīng)用。而其與納米改性有機涂層組成的超高性能復(fù)合涂層系統(tǒng)也給惡劣腐蝕環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕防護提供了更可靠的保證。

　　4結(jié)語

　　隨著我國國民經(jīng)濟的健康快速發(fā)展及人民生活水平的不斷提高，大型交通工程、城鎮(zhèn)重要基礎(chǔ)工程的設(shè)計壽命都要求達到100年，因為對鋼筋混凝土的耐久性以及腐蝕防護技術(shù)均提出了更高的要求。應(yīng)用實踐說明正在改進發(fā)展的納米涂料改性技術(shù)、熱噴涂金屬涂層技術(shù)尤其是二者相結(jié)合的應(yīng)用技術(shù)將會是鋼筋混凝土在惡劣腐蝕環(huán)境下較佳的防護選擇。