混凝土耐久性防护新技术研究

摘要：阐述了耐久性防护的必要性及混凝土耐久性常规防护措施的局限性，介绍了新材料技术一喷涂聚脲在混凝土耐久性防护方面的研究工作。早期防护对提高混凝土耐久性十分必要，常规防护方法存在功能较单一、施工性差等问题，喷涂聚脲可显著改善混凝土的抗硅酸盐腐蚀、抗冻融和抗氯离子侵蚀能力，在混凝土耐久性防护与防腐领域具有良好的应用前景。

关键词：混凝土耐久性；防护；喷涂聚脲

中图分类号：TU 56 1．67 文献标识码：A

　　混凝土结构耐久性是指在限定的使用条件和正常的维护条件下，在目标使用年限内保持其预定功能的能力，即保持其安全性与适用性的能力。由于耐久性不足导致结构破坏的事故时有发生，其中因钢筋锈蚀、寒冷气候下的冻害、侵蚀环境的物理化学作用n]等造成的破坏具有普遍性，造成的损失也是难以估量的。每年欧美国家由于耐久性损失而投入的资金动辄数百亿。与国外相比，我国混凝土耐久性问题也不容乐观，据估算，我国一年内由腐蚀造成的损失约在1 800～3 600亿元[2j。目前，我国环境污染已经相当严重，酸雨覆盖面积达国土总面积的30％ ，这成为今后混凝土耐久性难以保证的不利因素。

1 混凝土耐久性防护的必要性

　　当前我国对混凝土结构耐久性问题的认识过多地与结构安全性联系在一起，缺少混凝土的早期防护。往往是在结构由于钢筋锈蚀等出现了承载力问题或影响结构物正常使用性能的情况下才进行混凝土结构的鉴定与修复，这也就形成了“重修补，轻防护”的现象，从而需大量增加资金的投入。然而，实践调查表明，对混凝土结构进行耐久性早期防护并结合定期的检测维修，对延长结构工程寿命有显著的改善效果[3]。

　　美国学者Sitter也用“五倍定律”观点[4]形象地说明了钢筋混凝土结构耐久性早期防护的必要性和重要性，即设计时对新建项目在钢筋防护方面，每节省一美元，就意味着在钢筋锈蚀时采取措施需要多追加维修费5美元，顺筋开裂时需要追加维修费25美元，严重破坏时则需要多追加125美元。

　　进行混凝土防护的目的，就是在建筑物使用寿命全周期内， 降低结构体系的资本总投入。然而，由于对混凝土耐久性防护方面认识的不足，许多建筑物不得不花费高额的费用对结构进行维修。所以本文建议在工程前期费用允许的情况下，对建筑结构进行混凝土结构耐久性早期防护。

2 混凝土耐久性常规防护措施及其局限性

　　针对混凝土耐久性的影响因素和耐久性损伤，为提高混凝土结构的耐久性，在设计阶段要正确选择水泥品种，骨料规格及其配合比，合理地设计结构构造，保证有足够的混凝土保护层厚度；在施工阶段，要严格控制水灰比、用水量、水泥用量，合理选用引气剂，充分振捣和养护，防止过早拆除模板和支撑，加强施工管理，减少人为错误。

　　在上述方面得以保证的前提下，采取进一步的措施对混凝土进行耐久性防护，可以延长混凝土的使用寿命，显著提高其耐久性。目前，混凝土耐久性的防护技术主要包括：① 针对钢筋锈蚀防护的阴极防护法、添加钢筋阻锈剂法和采用涂层钢筋法；②针对氯盐侵蚀的电化学脱盐法和降低碳化的电化学再碱化法；③针对混凝土结构体系的表面涂层防护法等。

2．1 钢筋锈蚀的防护

2．1．1 阴极保护法

　　国际普遍认为阴极保护法是抑制钢筋锈蚀的最佳方法。阴极保护法有牺牲阳极和外加电流两种方式。牺牲阳极的阴极保护法，由于提供的电流有限，此法不适用于暴露在大气中的混凝土结构中的保护。外加电流的阴极保护法，采用外加电流方式使钢筋上阳极区均变成阴极区，从而使钢筋的锈蚀得到抑制。混凝土作为特殊的介质具有电阻率差异大且不均匀的特点，因此对其阴极保护的难度很大。通常用于钢筋混凝土阴极保护系统的阳极不是价格昂贵的金属(如镀铂钛)，就是难以加工或难以施工(如硅铸铁)，而且阴极保护法的应用被较多地限定在钢筋锈蚀的维修方面，在混凝土耐久性防护方面应用较少。

2．1．2 掺加阻锈剂法

　　与阴极保护法相比，添加钢筋阻锈剂保护钢筋是较为实用而简便的方法。钢筋阻锈剂主要用于预防盐类侵蚀污染混凝土引起的钢筋锈蚀。其应用侧重于减缓钢筋腐蚀的化学物质作用，对混凝土自身性能的改善影响不大。

2．1．3 涂层钢筋法

　　在钢筋表面静电喷涂一层环氧树脂粉末，形成具有一定厚度的一层坚韧不渗透连续的绝缘层，隔离钢筋与腐蚀介质的接触，从而增强钢筋防锈蚀的能力。使用这种钢筋要求涂层有最小厚度遮盖钢筋表面缺陷，但又不能太厚影响正常固化和与混凝土的粘结作用，在运输、加工、存放、绑扎和浇捣混凝土过程中要严防涂层破坏，注意涂层的保护，因为喷涂涂层之前钢筋经喷砂工艺清除了表面氧化膜，如果涂层破坏导致钢筋锈蚀，其锈蚀速率可能会加快。涂层钢筋价格昂贵，而且其使用对施工质量及管理水平的要求较高。在我国目前的施工条件下，应用并不广泛。

2．2 电化学脱盐法和电化学再碱化法

　　电化学脱盐法可以限制氯盐进入或排除已经进入混凝土中的氯盐，但可能会使钢筋周围出现析氢现象，影响钢筋与混凝土的粘结性能，产生氢脆和应力腐蚀等缺陷。降低碳化的电化学再碱化法可以使钢筋周围的混凝土恢复碱性，在钢筋与混凝土之间施加一个电场，通过电渗碱性化合物恢复混凝土高PH值使其再碱化，以达到防止钢筋继续锈蚀的目的。该方法设置较为复杂，并且由于阳极和阴极都处在潮湿环境中，如果电流强度和电压控制不当容易引发电解水反应。这两类方法在工程中的应用均受到一定的限制。

2．3 混凝土结构体系的表面涂层防护法

　　混凝土表面涂层的防护， 目前多采用对混凝土表面进行憎水浸渍的处理技术，使混凝土表面由亲水变为憎水， 由此降低混凝土的吸水率，防止氯离子等有害介质向混凝土内部的渗透。常规混凝土表面防护涂层可分为两种：无机材料涂层和有机材料涂层。无机材料覆盖层，如水泥浆、石膏等。有机材料涂层，如采用丙烯酸树脂类乳浊剂、强弹性丙烯酸橡胶和强弹性聚合物等防水材料与有机聚合物系列、硅烷系列特殊改性树脂等疏水材料制成的混凝土涂层。常规无机材料性能局限于混凝土碳化的防护，对其他的耐久性损伤改善效果并不明显。常规的有机材料涂层性能良好，但是涂层材料普遍存在低温脆性的缺点，在冻融循环较为频繁地区的应用受到较大的限制。

　　实践表明，混凝土表面涂层防护法是较为经济的方法，但是常规表面防护涂层存在较多的不足，选择性能更加优良的表面涂层材料对提高此种方法的应用有重要的意义。

　　目前国内外研制了许多优良的表面涂层材料如：水性氟碳乳胶涂料、纳米SiO2复合水性丙烯酸树脂类涂料等。有机高分子化合物喷涂聚脲就是其中一种，喷涂聚脲弹性体是疏水性材料，具有许多优良的性能，作为混凝土耐久性表面防护涂层，具有比常规混凝土表面防护涂层更加优良的性能。

3 喷涂聚脲弹性体性能的研究

　　喷涂聚脲(Sprav Polyurea简称SPUA)是为适应环保要求而研制开发的一种新型材料技术。美国聚脲发展协会将其定义为由异氰酸酯封端的预聚物与氨基化合物组分反应生成的高聚物。美国材料试验协会(ASTM)将聚脲归为聚氨酯类6种涂层中的第5种即ASTMD16 TYPE V[6]。

　　喷涂聚脲是喷涂聚氨酯／聚脲技术的第三代产品，与常规的混凝土表面防护材料相比，具有许多优异的物理力学性能[s]。SPUA对环境温度、湿度有很强的容忍度，其密度几乎不随体系NCO指数的变化而变化，不会因发泡而影响材料的使用，低温韧性好、防腐、耐磨、抗湿滑、耐老化、抗热冲击，并具有良好的耐介质性能，是一种优良的混凝土耐久性防护表面涂层。

3．1 SPUA对提高混凝土耐久性的作用

3．1．1 SPUA涂层混凝土抗硫酸盐侵蚀性能

　　利用快速腐蚀试验法，研究SPU A涂层试件在硫酸钠溶液中浸泡后的宏观力学性能。喷涂聚脲试件抗折强度随时间的增长而提高，如图l所示，直到浸泡120 d时，抗折强度才开始有所降低。无涂层试件到120 d时，其抗折强度较涂层试件低很多。此外，在硫酸钠溶液中，浸泡时间在120 d以内时，涂层试件的抗压强度仍然随时间的增长而提高。试验表明，SPUA对硫酸盐的侵蚀具有明显的阻碍作用，可以显著地提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能。

3．1．2 SPUA涂层混凝土抗冻融性能

　　混凝土处于饱水状态和冻融循环交替作用是发生混凝土冻融破坏的必要条件，对这两种因素采取适当的防护措施，可以在一定程度上降低混凝土的冻融破坏。ASTM标准与GBJ82— 85都做了如下的试件破坏规定：遇到下列情况之一即可认为试件破坏，① 已达到300次冻融循环；②相对动弹性模量下降到60％以下；③质量损失率达到5％。

　　聚脲涂层混凝土在3．5％氯化钠溶液中冻融后试件的质量损失与横向基频变化如图2、图3所示。图示表明，冻融循环过程中，无涂层试件表现出剧烈的质量损失变化与基频的降低，在接近300次的冻融循环过程中，聚脲涂层试件没有明显的质量损失和基频变化，质量与基频近似呈直线分布。试验表明，聚脲涂层可以显著改善混凝土的抗冻融性能，这是其它的常规耐久性防护涂层所不具备的。

3．1．3 SPUA涂层混凝土抗氯离子侵蚀性能

　　杨华东利用自然浸泡试验方法，测定了聚脲涂层抵抗氯离子渗透的性能 ]。聚脲涂层试件在10％氯化钠中浸泡半年和一年后氯离子的渗透深度都是零(见表1)。试验表明，聚脲涂层对混凝土抵抗氯离子侵蚀有很好的防护性能。

　　基于喷涂聚脲弹性体自身的优异性能，用作混凝土耐久性表面防护涂层时，能同时起到多方面的作用，如改善混凝土抗硫酸盐侵蚀的能力、抗氯离子侵蚀的能力和抗冻融性能等，从而有效地降低了混凝土结构钢筋发生锈蚀的可能性。喷涂聚脲弹性体在混凝土耐久性防护领域的应用，可以有效提高混凝土的耐久性，对降低混凝土使用全寿命中的维修费用有积极的意义。

　　目前，喷涂聚脲已经在国内外许多工程中得到应用，如印尼原油长输管线、美国阿拉斯加管道、俄罗斯西伯利亚管道、大庆油田原油储罐防腐及沈阳普利司通公司码头护舷等，并取得了良好的应用效果。

3．2 工程应用中应注意的问题

　　(1)鉴于裂缝对混凝土耐久性降低的影响，喷涂聚脲特别适用于对建筑结构大面积裂纹的修补应用，特别是对于裂缝宽度小于0．2mm的裂缝，在对混凝土表面进行适当处理的情况下，即可快速进行混凝土裂缝表面喷涂覆盖处理。对于裂缝宽度大于0．2 mm的裂缝，在对裂缝进行灌浆等处理后，再进行聚脲的喷涂可以达到良好地防止钢筋腐蚀的效果。

　　(2)聚脲施工属于喷涂工艺，所以对基材的要求较为严格，为了提高混凝土与聚脲的粘结力，应对底材进行适当的处理，如在喷涂前应去除混凝土表面软弱层等，建议按照SSPC— SP 13／NACE 6标准对混凝土进行表面处理[1 2l。

　　(3)对已经出现耐久性损伤的混凝土结构，应与其它方法综合应用，如当钢筋产生一定的锈蚀时，采用阻锈剂处理后，再利用聚脲对混凝土进行表面防护，效果会更好。

4 结语

　　(1)混凝土耐久性损伤会降低结构使用寿命，其维修会增加资金总投入。所以，有必要增加结构的初期投入进行混凝土耐久性早期防护。

　　(2)常规的混凝土耐久性防护方法种类较多，但是均存在着一定的不足之处，如功能较单一、施工性不强、甚至存在钢筋氢脆等副作用。

　　(3)喷涂聚脲弹性体作为一种优良的多功能防护材料，在混凝土耐久性防护与防腐领域中，有良好的应用前景。

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