混凝土耐久性防護新技術(shù)研究

摘要：闡述了耐久性防護的必要性及混凝土耐久性常規(guī)防護措施的局限性，介紹了新材料技術(shù)一噴涂聚脲在混凝土耐久性防護方面的研究工作。早期防護對提高混凝土耐久性十分必要，常規(guī)防護方法存在功能較單一、施工性差等問題，噴涂聚脲可顯著改善混凝土的抗硅酸鹽腐蝕、抗凍融和抗氯離子侵蝕能力，在混凝土耐久性防護與防腐領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：混凝土耐久性；防護；噴涂聚脲

中圖分類號：TU 56 1．67 文獻標(biāo)識碼：A

　　混凝土結(jié)構(gòu)耐久性是指在限定的使用條件和正常的維護條件下，在目標(biāo)使用年限內(nèi)保持其預(yù)定功能的能力，即保持其安全性與適用性的能力。由于耐久性不足導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的事故時有發(fā)生，其中因鋼筋銹蝕、寒冷氣候下的凍害、侵蝕環(huán)境的物理化學(xué)作用n]等造成的破壞具有普遍性，造成的損失也是難以估量的。每年歐美國家由于耐久性損失而投入的資金動輒數(shù)百億。與國外相比，我國混凝土耐久性問題也不容樂觀，據(jù)估算，我國一年內(nèi)由腐蝕造成的損失約在1 800～3 600億元[2j。目前，我國環(huán)境污染已經(jīng)相當(dāng)嚴(yán)重，酸雨覆蓋面積達國土總面積的30％ ，這成為今后混凝土耐久性難以保證的不利因素。

1 混凝土耐久性防護的必要性

　　當(dāng)前我國對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題的認(rèn)識過多地與結(jié)構(gòu)安全性聯(lián)系在一起，缺少混凝土的早期防護。往往是在結(jié)構(gòu)由于鋼筋銹蝕等出現(xiàn)了承載力問題或影響結(jié)構(gòu)物正常使用性能的情況下才進行混凝土結(jié)構(gòu)的鑒定與修復(fù)，這也就形成了“重修補，輕防護”的現(xiàn)象，從而需大量增加資金的投入。然而，實踐調(diào)查表明，對混凝土結(jié)構(gòu)進行耐久性早期防護并結(jié)合定期的檢測維修，對延長結(jié)構(gòu)工程壽命有顯著的改善效果[3]。

　　美國學(xué)者Sitter也用“五倍定律”觀點[4]形象地說明了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性早期防護的必要性和重要性，即設(shè)計時對新建項目在鋼筋防護方面，每節(jié)省一美元，就意味著在鋼筋銹蝕時采取措施需要多追加維修費5美元，順筋開裂時需要追加維修費25美元，嚴(yán)重破壞時則需要多追加125美元。

　　進行混凝土防護的目的，就是在建筑物使用壽命全周期內(nèi)， 降低結(jié)構(gòu)體系的資本總投入。然而，由于對混凝土耐久性防護方面認(rèn)識的不足，許多建筑物不得不花費高額的費用對結(jié)構(gòu)進行維修。所以本文建議在工程前期費用允許的情況下，對建筑結(jié)構(gòu)進行混凝土結(jié)構(gòu)耐久性早期防護。

2 混凝土耐久性常規(guī)防護措施及其局限性

　　針對混凝土耐久性的影響因素和耐久性損傷，為提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，在設(shè)計階段要正確選擇水泥品種，骨料規(guī)格及其配合比，合理地設(shè)計結(jié)構(gòu)構(gòu)造，保證有足夠的混凝土保護層厚度；在施工階段，要嚴(yán)格控制水灰比、用水量、水泥用量，合理選用引氣劑，充分振搗和養(yǎng)護，防止過早拆除模板和支撐，加強施工管理，減少人為錯誤。

　　在上述方面得以保證的前提下，采取進一步的措施對混凝土進行耐久性防護，可以延長混凝土的使用壽命，顯著提高其耐久性。目前，混凝土耐久性的防護技術(shù)主要包括：① 針對鋼筋銹蝕防護的陰極防護法、添加鋼筋阻銹劑法和采用涂層鋼筋法；②針對氯鹽侵蝕的電化學(xué)脫鹽法和降低碳化的電化學(xué)再堿化法；③針對混凝土結(jié)構(gòu)體系的表面涂層防護法等。

2．1 鋼筋銹蝕的防護

2．1．1 陰極保護法

　　國際普遍認(rèn)為陰極保護法是抑制鋼筋銹蝕的最佳方法。陰極保護法有犧牲陽極和外加電流兩種方式。犧牲陽極的陰極保護法，由于提供的電流有限，此法不適用于暴露在大氣中的混凝土結(jié)構(gòu)中的保護。外加電流的陰極保護法，采用外加電流方式使鋼筋上陽極區(qū)均變成陰極區(qū)，從而使鋼筋的銹蝕得到抑制?；炷磷鳛樘厥獾慕橘|(zhì)具有電阻率差異大且不均勻的特點，因此對其陰極保護的難度很大。通常用于鋼筋混凝土陰極保護系統(tǒng)的陽極不是價格昂貴的金屬(如鍍鉑鈦)，就是難以加工或難以施工(如硅鑄鐵)，而且陰極保護法的應(yīng)用被較多地限定在鋼筋銹蝕的維修方面，在混凝土耐久性防護方面應(yīng)用較少。

2．1．2 摻加阻銹劑法

　　與陰極保護法相比，添加鋼筋阻銹劑保護鋼筋是較為實用而簡便的方法。鋼筋阻銹劑主要用于預(yù)防鹽類侵蝕污染混凝土引起的鋼筋銹蝕。其應(yīng)用側(cè)重于減緩鋼筋腐蝕的化學(xué)物質(zhì)作用，對混凝土自身性能的改善影響不大。

2．1．3 涂層鋼筋法

　　在鋼筋表面靜電噴涂一層環(huán)氧樹脂粉末，形成具有一定厚度的一層堅韌不滲透連續(xù)的絕緣層，隔離鋼筋與腐蝕介質(zhì)的接觸，從而增強鋼筋防銹蝕的能力。使用這種鋼筋要求涂層有最小厚度遮蓋鋼筋表面缺陷，但又不能太厚影響正常固化和與混凝土的粘結(jié)作用，在運輸、加工、存放、綁扎和澆搗混凝土過程中要嚴(yán)防涂層破壞，注意涂層的保護，因為噴涂涂層之前鋼筋經(jīng)噴砂工藝清除了表面氧化膜，如果涂層破壞導(dǎo)致鋼筋銹蝕，其銹蝕速率可能會加快。涂層鋼筋價格昂貴，而且其使用對施工質(zhì)量及管理水平的要求較高。在我國目前的施工條件下，應(yīng)用并不廣泛。

2．2 電化學(xué)脫鹽法和電化學(xué)再堿化法

　　電化學(xué)脫鹽法可以限制氯鹽進入或排除已經(jīng)進入混凝土中的氯鹽，但可能會使鋼筋周圍出現(xiàn)析氫現(xiàn)象，影響鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能，產(chǎn)生氫脆和應(yīng)力腐蝕等缺陷。降低碳化的電化學(xué)再堿化法可以使鋼筋周圍的混凝土恢復(fù)堿性，在鋼筋與混凝土之間施加一個電場，通過電滲堿性化合物恢復(fù)混凝土高PH值使其再堿化，以達到防止鋼筋繼續(xù)銹蝕的目的。該方法設(shè)置較為復(fù)雜，并且由于陽極和陰極都處在潮濕環(huán)境中，如果電流強度和電壓控制不當(dāng)容易引發(fā)電解水反應(yīng)。這兩類方法在工程中的應(yīng)用均受到一定的限制。

2．3 混凝土結(jié)構(gòu)體系的表面涂層防護法

　　混凝土表面涂層的防護， 目前多采用對混凝土表面進行憎水浸漬的處理技術(shù)，使混凝土表面由親水變?yōu)樵魉?由此降低混凝土的吸水率，防止氯離子等有害介質(zhì)向混凝土內(nèi)部的滲透。常規(guī)混凝土表面防護涂層可分為兩種：無機材料涂層和有機材料涂層。無機材料覆蓋層，如水泥漿、石膏等。有機材料涂層，如采用丙烯酸樹脂類乳濁劑、強彈性丙烯酸橡膠和強彈性聚合物等防水材料與有機聚合物系列、硅烷系列特殊改性樹脂等疏水材料制成的混凝土涂層。常規(guī)無機材料性能局限于混凝土碳化的防護，對其他的耐久性損傷改善效果并不明顯。常規(guī)的有機材料涂層性能良好，但是涂層材料普遍存在低溫脆性的缺點，在凍融循環(huán)較為頻繁地區(qū)的應(yīng)用受到較大的限制。

　　實踐表明，混凝土表面涂層防護法是較為經(jīng)濟的方法，但是常規(guī)表面防護涂層存在較多的不足，選擇性能更加優(yōu)良的表面涂層材料對提高此種方法的應(yīng)用有重要的意義。

　　目前國內(nèi)外研制了許多優(yōu)良的表面涂層材料如：水性氟碳乳膠涂料、納米SiO2復(fù)合水性丙烯酸樹脂類涂料等。有機高分子化合物噴涂聚脲就是其中一種，噴涂聚脲彈性體是疏水性材料，具有許多優(yōu)良的性能，作為混凝土耐久性表面防護涂層，具有比常規(guī)混凝土表面防護涂層更加優(yōu)良的性能。

3 噴涂聚脲彈性體性能的研究

　　噴涂聚脲(Sprav Polyurea簡稱SPUA)是為適應(yīng)環(huán)保要求而研制開發(fā)的一種新型材料技術(shù)。美國聚脲發(fā)展協(xié)會將其定義為由異氰酸酯封端的預(yù)聚物與氨基化合物組分反應(yīng)生成的高聚物。美國材料試驗協(xié)會(ASTM)將聚脲歸為聚氨酯類6種涂層中的第5種即ASTMD16 TYPE V[6]。

　　噴涂聚脲是噴涂聚氨酯／聚脲技術(shù)的第三代產(chǎn)品，與常規(guī)的混凝土表面防護材料相比，具有許多優(yōu)異的物理力學(xué)性能[s]。SPUA對環(huán)境溫度、濕度有很強的容忍度，其密度幾乎不隨體系NCO指數(shù)的變化而變化，不會因發(fā)泡而影響材料的使用，低溫韌性好、防腐、耐磨、抗?jié)窕⒛屠匣?、抗熱沖擊，并具有良好的耐介質(zhì)性能，是一種優(yōu)良的混凝土耐久性防護表面涂層。

3．1 SPUA對提高混凝土耐久性的作用

3．1．1 SPUA涂層混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能

　　利用快速腐蝕試驗法，研究SPU A涂層試件在硫酸鈉溶液中浸泡后的宏觀力學(xué)性能。噴涂聚脲試件抗折強度隨時間的增長而提高，如圖l所示，直到浸泡120 d時，抗折強度才開始有所降低。無涂層試件到120 d時，其抗折強度較涂層試件低很多。此外，在硫酸鈉溶液中，浸泡時間在120 d以內(nèi)時，涂層試件的抗壓強度仍然隨時間的增長而提高。試驗表明，SPUA對硫酸鹽的侵蝕具有明顯的阻礙作用，可以顯著地提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能。

3．1．2 SPUA涂層混凝土抗凍融性能

　　混凝土處于飽水狀態(tài)和凍融循環(huán)交替作用是發(fā)生混凝土凍融破壞的必要條件，對這兩種因素采取適當(dāng)?shù)姆雷o措施，可以在一定程度上降低混凝土的凍融破壞。ASTM標(biāo)準(zhǔn)與GBJ82— 85都做了如下的試件破壞規(guī)定：遇到下列情況之一即可認(rèn)為試件破壞，① 已達到300次凍融循環(huán)；②相對動彈性模量下降到60％以下；③質(zhì)量損失率達到5％。

　　聚脲涂層混凝土在3．5％氯化鈉溶液中凍融后試件的質(zhì)量損失與橫向基頻變化如圖2、圖3所示。圖示表明，凍融循環(huán)過程中，無涂層試件表現(xiàn)出劇烈的質(zhì)量損失變化與基頻的降低，在接近300次的凍融循環(huán)過程中，聚脲涂層試件沒有明顯的質(zhì)量損失和基頻變化，質(zhì)量與基頻近似呈直線分布。試驗表明，聚脲涂層可以顯著改善混凝土的抗凍融性能，這是其它的常規(guī)耐久性防護涂層所不具備的。

3．1．3 SPUA涂層混凝土抗氯離子侵蝕性能

　　楊華東利用自然浸泡試驗方法，測定了聚脲涂層抵抗氯離子滲透的性能 ]。聚脲涂層試件在10％氯化鈉中浸泡半年和一年后氯離子的滲透深度都是零(見表1)。試驗表明，聚脲涂層對混凝土抵抗氯離子侵蝕有很好的防護性能。

　　基于噴涂聚脲彈性體自身的優(yōu)異性能，用作混凝土耐久性表面防護涂層時，能同時起到多方面的作用，如改善混凝土抗硫酸鹽侵蝕的能力、抗氯離子侵蝕的能力和抗凍融性能等，從而有效地降低了混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋發(fā)生銹蝕的可能性。噴涂聚脲彈性體在混凝土耐久性防護領(lǐng)域的應(yīng)用，可以有效提高混凝土的耐久性，對降低混凝土使用全壽命中的維修費用有積極的意義。

　　目前，噴涂聚脲已經(jīng)在國內(nèi)外許多工程中得到應(yīng)用，如印尼原油長輸管線、美國阿拉斯加管道、俄羅斯西伯利亞管道、大慶油田原油儲罐防腐及沈陽普利司通公司碼頭護舷等，并取得了良好的應(yīng)用效果。

3．2 工程應(yīng)用中應(yīng)注意的問題

　　(1)鑒于裂縫對混凝土耐久性降低的影響，噴涂聚脲特別適用于對建筑結(jié)構(gòu)大面積裂紋的修補應(yīng)用，特別是對于裂縫寬度小于0．2mm的裂縫，在對混凝土表面進行適當(dāng)處理的情況下，即可快速進行混凝土裂縫表面噴涂覆蓋處理。對于裂縫寬度大于0．2 mm的裂縫，在對裂縫進行灌漿等處理后，再進行聚脲的噴涂可以達到良好地防止鋼筋腐蝕的效果。

　　(2)聚脲施工屬于噴涂工藝，所以對基材的要求較為嚴(yán)格，為了提高混凝土與聚脲的粘結(jié)力，應(yīng)對底材進行適當(dāng)?shù)奶幚?，如在噴涂前?yīng)去除混凝土表面軟弱層等，建議按照SSPC— SP 13／NACE 6標(biāo)準(zhǔn)對混凝土進行表面處理[1 2l。

　　(3)對已經(jīng)出現(xiàn)耐久性損傷的混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)與其它方法綜合應(yīng)用，如當(dāng)鋼筋產(chǎn)生一定的銹蝕時，采用阻銹劑處理后，再利用聚脲對混凝土進行表面防護，效果會更好。

4 結(jié)語

　　(1)混凝土耐久性損傷會降低結(jié)構(gòu)使用壽命，其維修會增加資金總投入。所以，有必要增加結(jié)構(gòu)的初期投入進行混凝土耐久性早期防護。

　　(2)常規(guī)的混凝土耐久性防護方法種類較多，但是均存在著一定的不足之處，如功能較單一、施工性不強、甚至存在鋼筋氫脆等副作用。

　　(3)噴涂聚脲彈性體作為一種優(yōu)良的多功能防護材料，在混凝土耐久性防護與防腐領(lǐng)域中，有良好的應(yīng)用前景。

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