鋼筋混凝土表面復(fù)合涂層防護(hù)技術(shù)的研究進(jìn)展

　　1引言

　　隨著混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)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(jì)60年代開始，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題已成為國(guó)內(nèi)外科研機(jī)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(hù)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(zhǎng)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(duì)鋼筋混凝土采取防腐蝕附加措施。美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)（ACI）確認(rèn)了4種鋼筋混凝土保護(hù)有效附加措施：環(huán)氧涂層鋼筋、鋼筋阻銹劑、陰極保護(hù)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(jì)的防護(hù)措施，受到世界各國(guó)的高度重視和快速推廣應(yīng)用。

　　2表面復(fù)合涂層防護(hù)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(jī)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(jī)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(kuò)散通道，從而引起涂層下基材腐蝕的發(fā)生；有機(jī)涂層中含有許多可溶性鹽和一些親水基團(tuán)，涂層接觸雨水（或江、河、海水）后會(huì)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(guò)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(shuō)明，有機(jī)涂層起泡失效主要是由滲透壓起泡、陽(yáng)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(zhǎng)效防腐復(fù)合涂層也存在類似問題。劉儒平等將表面防護(hù)處理后的混凝土試樣進(jìn)行288h鹽水干濕循環(huán)腐蝕試驗(yàn)，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(yàn)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(hù)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(dá)到臨界值時(shí)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?yàn)橥苛贤繉拥耐笟庑浴⑽缘确矫娲嬖谌毕荻鴮?duì)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(duì)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(huì)加速氯離子遷移，促進(jìn)鋼筋銹蝕，鋼筋起銹時(shí)間隨裂縫深度的增加而縮短。目前鋼筋混凝土防護(hù)涂裝一般在底材處理后先使用封閉底漆、封閉膩?zhàn)訉?duì)混凝土表面及裂縫進(jìn)行封閉處理，然后進(jìn)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(kuò)大過(guò)程中仍然保持腐蝕防護(hù)作用能力的大小。李偉華等對(duì)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(shí)涂層延伸量為0.81mm，200μm時(shí)為1.29mm，1000μm時(shí)達(dá)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(dá)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(dá)60年，目前實(shí)際設(shè)計(jì)壽命僅為10～20年。

　　2.3涂層的耐久性問題

　　有機(jī)涂層在陽(yáng)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(huì)逐漸老化。世界各國(guó)均對(duì)鋼筋混凝土防護(hù)涂料的耐久性進(jìn)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(shí)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(dá)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(hù)涂層耐人工加速老化時(shí)間在3000h以上，被業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為指標(biāo)過(guò)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(hù)涂料及復(fù)合涂層實(shí)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(jí)別分別達(dá)到E級(jí)和F級(jí)，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(hù)壽命最短，需要及時(shí)維護(hù)，甚至應(yīng)采取設(shè)置防護(hù)擋板等其它額外保護(hù)措施。

　　3研究進(jìn)展

　　1981年對(duì)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(jìn)行維修。1984年美國(guó)洲際公路上56萬(wàn)座橋梁的一半出現(xiàn)鋼筋腐蝕破壞，約16%屬于嚴(yán)重失效。美國(guó)1998年因鋼筋腐蝕的橋梁維修費(fèi)達(dá)到1550億美元。工程技術(shù)人員在對(duì)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(hù)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)應(yīng)用的同時(shí)，也在鋼筋混凝土涂層防護(hù)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(jī)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(jìn)展。添加的納米粉體呈均勻的分散狀態(tài)，由單個(gè)或數(shù)個(gè)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(duì)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(guò)6MPa，遠(yuǎn)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(jī)械性能以及耐老化性能。測(cè)試表明，經(jīng)過(guò)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(hù)技術(shù)

　　由于有機(jī)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(zhǎng)效防護(hù)。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(zhǎng)效防腐的首選方法，混凝土中的鋼筋也已采用了這種防護(hù)效果突出的陰極保護(hù)措施。土結(jié)構(gòu)的陰極保護(hù)，純鋅被作為陽(yáng)極涂層材料噴涂于混凝土保護(hù)面上。實(shí)際應(yīng)用表明，在其保護(hù)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(guó)GrillowerkeAG公司將電弧噴鋅涂層技術(shù)與有機(jī)涂層技術(shù)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了在惡劣環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)久保護(hù)。大量熱噴涂陽(yáng)極涂層在鋼筋混凝土上應(yīng)用的研究報(bào)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(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋的陰極保護(hù)。試驗(yàn)報(bào)告說(shuō)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(yáng)極涂層材料中，Al（20）-Zn-In（0.2）是最適合發(fā)展的合金陽(yáng)極材料，它具有最低的陽(yáng)極極化，在各種環(huán)境中都能保持相對(duì)活化的靜電勢(shì)。對(duì)照試驗(yàn)證明，電弧噴涂Al-Zn-In合金涂層可產(chǎn)生相對(duì)于純Zn涂層更高更穩(wěn)定的陰極保護(hù)電流，涂層附著力也相對(duì)提高。隨著水下電弧噴涂設(shè)備及電弧噴涂機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，借鑒國(guó)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(hù)技術(shù)將逐漸在國(guó)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(jī)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(hù)提供了更可靠的保證。

　　4結(jié)語(yǔ)

　　隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(jì)壽命都要求達(dá)到100年，因?yàn)閷?duì)鋼筋混凝土的耐久性以及腐蝕防護(hù)技術(shù)均提出了更高的要求。應(yīng)用實(shí)踐說(shuō)明正在改進(jìn)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(huì)是鋼筋混凝土在惡劣腐蝕環(huán)境下較佳的防護(hù)選擇。