硅烷浸漬對提高混凝土結構壽命的作用

閆炳潤，王 芳，趙述萍

（青島市潤邦化工建材有限公司，山東青島266321）

0 前言

混凝土結構具有的高強度和耐久性，低彈減震性、原料易得、施工簡單，特別是能耗較低，因而用途極為廣泛。不僅在各種土木工程上使用，目前在造船業，機械工業，海洋開發，地熱工程等，混凝土也是重要的材料。

強度和耐久性是混凝土結構的兩個重要指標，以往工程中習慣上只重視混凝土的強度或片面追求高強度而忽視混凝土的耐久性。耐久性是使用期內結構保證正常功能的能力，關系結構物的使用壽命，隨著結構物老化和環境污染的加重，混凝土耐久性問題已引起各主管部門和廣大設計、施工部門的重視。

1 影響混凝土結構耐久性的因素

混凝土的嚴重受損，將直接威脅建筑結構的穩定性，影響混凝土結構壽命。混凝土結構耐久性的破壞作用主要有冰凍-融解循環、風化、中性化、堿-集料反應、氯離子腐蝕等。

1.1 環境因素對混凝土結構的腐蝕

（1）冰凍-融解循環作用。凍融循環在混凝土中產生內應力，促使裂縫發展、結構疏松，直至表層剝落或整體崩潰。

（2）風化作用。包括干濕、冷熱的循環作用。在溫度、濕度變幅大、變化快的地區，以及兼有其他破壞因素（例如鹽、堿、海水、凍融等）作用時，常能加速混凝土的崩潰。

（3）中性化作用。在空氣中的某些酸性氣體,如Cl2、H2S和CO2在適當溫、濕度條件下使混凝土中液相的堿度降低，引起某些組分的分解，并使體積發生變化。

新澆注的混凝土呈堿性，對鋼筋起鈍化作用。空氣中的酸性氣體，如二氧化碳，需要很長時間才能中和鋼筋外面混凝土的堿性，這個過程稱之為碳化。最終，這種非堿性的碳化區域逐步達到鋼筋的表面，并破壞其鈍化的保護層。然后，空氣中的氧氣和水分，開始對鋼筋造成腐蝕。由于金屬鐵被腐蝕之后體積急劇膨脹，導致鋼筋附近的混凝土層碎裂，從而造成嚴重的破壞。

（4）堿-集料反應。最常見的是水泥或水中的(堿分Na2O、K2O)和某些活性集料 (如蛋白石、燧石、安山巖、方石英)中的SiO2起反應，在界面區生成堿的硅酸鹽凝膠,使體積膨脹，最后能使整個混凝土建筑物崩解。

1.2 氯離子腐蝕

對于混凝土的損害主要涉及到水。水分可導致純粹的物理破壞，例如，霜凍及解凍而產生的張力。同時水還是傳遞腐蝕性物質（例如來自海水及道路除冰鹽中的氯離子）導致鋼筋腐蝕的有害化學反應的重要媒介。

水中溶解的鹽類，包括淡水的浸溶作用、含鹽水和酸性水的侵蝕作用等。其中硫酸鹽、氯鹽、鎂鹽和酸類溶液在一定條件下可產生劇烈的腐蝕作用，導致混凝土的迅速破壞。尤其是氯離子，如果滲透入鋼筋混凝土中，將不受混凝土酸堿性的影響，能夠在極短的時間內對混凝土造成災難性的腐蝕。因此混凝土吸收海水及除冰鹽中的氯離子，碼頭，道路和橋梁更容易受到腐蝕破壞。

2 異丁基三乙氧基硅烷浸漬液的保護機理

對混凝土最有效的保護方法，就是防止混凝土與水分及有害物質接觸。為此可以在混凝土上涂覆保護涂料或防水層得以實現。近年來硅烷等有機硅產品被認為是最適合這種用途的物質之一。

了解混凝土結構的影響因素后，青島潤邦公司技術人員以自主研究為主，聯合高校為輔的方式，查閱相關專利、論文及防腐蝕技術標準等方法，找到非常耐久、經濟的混凝土保護方法—硅烷浸漬。接著，加大投資力度，興建了中國異丁基三乙氧基硅烷生產基地。

硅烷浸漬液對混凝土的保護機理：硅烷與水反應，釋放出乙醇，形成聚合的硅樹脂網絡，在毛細管的表壁上形成一層憎水性的薄膜。使用硅烷浸漬劑對混凝土保護后，浸漬劑與混凝土直接發生化學反應形成穩定硅樹脂層，進一步填充表層混凝土中的空隙，使得混凝土表層具有憎水性和良好的密實度，有降低氯離子吸收量效果。這是因為浸漬劑的滲透熔度較大時，水及氯離子通過保護層達到混凝土內部的毛細孔越曲折，路徑越長，氯離子吸收量的降低效果更明顯。普通混凝土的密實度不高，硅烷浸漬劑在普通混凝土具有更高的滲透深度。

用硅烷浸漬對混凝土保護處理后，混凝土的毛細管仍然打開，對于氣體及水汽的擴散，幾乎沒有影響，混凝土內部的水分可釋放出來，從而保持長期干燥，延緩腐蝕的發生。這是由于有機硅具有優異的憎水性和耐久性。能長久地抵抗物理、化學及微生物的破壞。如果正確地選擇材料，有機硅可起到長久的保護作用。

3 硅烷浸漬技術的應用

硅烷浸漬是將異丁基三乙氧基硅烷浸漬液均勻地噴涂到水泥混凝上路面、防撞墻、隔離墩、橋面、橋身和橋墩等混凝土結構表面上，利用硅烷活性物質的滲透性，并與混凝土基材中的堿性物質作用，生成幾毫米至十幾毫米厚的憎水薄膜。這層憎水薄膜在混凝土基材表面以下，所以不會因噴涂而改變混凝土表面的外觀，也不會因表面磨損而破壞防水薄膜。它能提高混凝土表面的防水、抗滲能力，進而提高混凝土的抗凍融能力，防止氯離子對混凝土的損害，抵御除冰鹽、融雪劑對公路混凝土路面的鹽腐蝕破壞，提高混凝土的耐久性，有效地延長高寒地區混凝土路面的使用壽命，降低其維護成本。

異丁基三乙氧基硅烷是《海港工程混凝土結構防腐蝕技術規范》（JTJ275-2000）指定的混凝土防腐防護材料。特殊的小分子結構，與混凝土基材有著良好的親和力，能輕易滲透到混凝土內部幾毫米，與暴露在酸性和堿性環境中的空氣及基底中的水分產生化學反應，生成羥基團。這些羥基團將與基材及其本身產生交聯、堆積，結合在毛細孔的內壁，不阻塞毛細孔，防水透氣，形成牢固的有機硅網絡保護層，被有機硅網絡覆蓋的混凝土表層多孔部分形成一個憎水層，能夠有效地阻止外部水分及溶解于水分中的鹽類（如氯離子）和有害物質的入侵，并讓內部水氣和有害氣體逸出。從而大大提高混凝土結構的防水性、耐鹽堿性、抗凍融性等特性，延長混凝土的耐久性。特別是在堿性環境，如澆制不久的混凝土會刺激該反應并加速保護層的形成。

硅烷浸漬在國外應用非常廣泛，自進入中國市場以來，已經在國內許多大城市的標志性建筑結構中成功使用，如北京五環高架、天津公路大橋、上海東海大橋、深圳鹽田港二期和三期工程、江蘇連云港廟三碼頭及嘉興電廠二期碼頭等等。青島市潤邦公司已進行硅烷防腐處理的工程有長春繞城高速公路、連云港市海灣橋、連云港行政路景觀橋、濰坊路堤河中橋等。實踐證明，硅烷浸漬技術具有優異的防護能力，能有效地防止環境因素（空氣中的水分、冰融、CO2、SO2、汽車尾氣）對混凝土結構的腐蝕和氯離子等對混凝土表面的腐蝕。據理論推算，使用硅烷浸漬技術防護的工程，其使用年限能夠達到100 a。它施工簡便，幾乎不需要基材處理，能夠采用噴涂、刷涂、滾涂等多種常用施工方法施工。硅烷浸漬劑與普通涂料相比，具有滲透性好，裂縫防水能力強，耐磨耗能力高，不起皮等特點，尤其適合對建筑外觀有特殊需求的工程。它能夠保持混凝上的原貌，并能與普通涂料配合使用，達到更加優異的防腐、防水性能和涂裝效果。從而大大地延長了公路的使用壽命，降低了公路的養護成本。

4 異丁基三乙氧基硅烷的發展前景

要提高混凝土的耐久性，必須從抵抗力和作用力兩個方面入手。增加抵抗力就能抑制或延緩作用力的破壞。因此提高混凝土的強度和密實性常常有利于耐久性的改善，其中密實性尤為重要，因為孔縫常是破壞因素進入混凝土內部的途徑，所以混凝土的抗滲性和抗凍性密切相關。另一方面通過改善環境以削弱作用力，也能提高混凝土的耐久性。異丁基三乙氧基硅烷能很好地解決這一問題。

硅烷類產品是用于保護鋼筋混凝土的理想浸漬劑。它們還具有優越的耐久性，交聯產生的硅樹脂可以與混凝土材料形成穩定的共價鍵連接，從而保證有機硅對紫外線輻射、熱、腐蝕性化學物質，以及微生物等環境因素具有良好的抵抗力。

防腐涂料作為提高混凝土結構壽命的輔助手段，隨著發展的需要，其性能指標有了大幅提高，主要表現在施工簡單、常溫快速固化、有效地延長防護對象的使用壽命等，使其更好地服務于人類社會。由于異丁基三乙氧基硅烷良好的防護性能，應用領域也十分廣泛，無論是基礎設施的防護，還是工程機械、船舶、汽車等都有防腐涂料的用“武”之地，尤其是海洋工程設施更是需要大量的重防腐涂料用于保護船只和設備免受海水的侵蝕。

我國基礎設施建設的步伐不斷加快，大量高速公路、鐵路項目，以及各地大型市政項目紛紛投入建設，對防腐涂料產業的發展將起到不可估量的推動作用。改革開放三十年來，我國從高速公路為零發展到成為世界第二里程大國，將帶動防腐涂料的快速發展，無疑是為防腐涂料開辟了一個新的市場。

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