鹽漬土中混凝土的防腐蝕涂層措施分析

康峰沂 陳志明 高子瑞

(1.南通市公路管理處,江蘇 南通 226000; 2.上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院,上海 200240)

鹽漬土中混凝土的防腐蝕涂層措施分析

康峰沂1陳志明1高子瑞2

(1.南通市公路管理處,江蘇 南通 226000; 2.上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院,上海 200240)

以南通濱海鹽漬土為例，分析了涂覆環氧樹脂體系、丙烯酸體系和無機硅烷體系的混凝土內氯離子分布特征，對比了混凝土結構基于三種防腐蝕涂層的耐久性，得到了一些有價值的結論。

Comsol Multiphysics，混凝土，氯離子，防腐蝕涂層

混凝土結構耐久性最大威脅源于氯離子誘發的混凝土內鋼筋腐蝕[1]。研究表明[1-4]，涂覆防腐蝕層的混凝土內氯離子侵入量急劇降低，顯著延緩混凝土內鋼筋腐蝕。Basheer等[1]和Almusallam等[2]認為防腐涂層顯著提高混凝土抗氯離子侵蝕的能力，硅烷涂層降低混凝土內氯離子侵入量最有效。谷坤鵬[3]研究了表面涂覆層混凝土內的氯離子遷移。認為表面涂覆有效阻礙了混凝土內氯離子的侵入，環氧樹脂涂料比聚合物水泥基防水材料的效果更好。McCarter等[4]對混凝土進行了干濕循環和吸水試驗，經過6次干濕循環，表面涂敷硅烷涂層，氯離子侵入混凝土深度為5 mm。表面未經處理，氯離子侵入混凝土深度為20 mm；本文建立了防腐蝕涂層混凝土內的氯離子運移模型，分析了涂覆環氧樹脂體系、丙烯酸體系和無機硅烷體系的混凝土內氯離子分布，對比了混凝土結構基于三種防腐蝕涂層的耐久性。

1 涂層混凝土內的氯離子運移

1.1 混凝土防腐蝕涂層

環氧樹脂體系、丙烯酸體系和無機硅烷體系是混凝土防腐蝕涂層常用的三種材料。按照材料的涂覆機制分為成膜型、滲透型和復合型[5,6]，如圖1所示。成膜型涂料可以防水并能在混凝土表面形成薄覆層。滲透型涂料能滲入混凝土，致密淺層混凝土，混凝土表面沒有涂覆層。復合型涂料同時擁有上述兩種材料的特性，既能在混凝土表面形成防水薄覆層，又能致密淺層混凝土。后述兩種材料使混凝土的淺層致密，形成的致密層可等效成混凝土涂層。基于此，認為以上三種涂料均在混凝土表面形成涂覆層。

1.2 混凝土內的氯離子運移方程

Zhang等[7]指出，孔隙在混凝土表面開合、在混凝土內相通以及孔隙內有一定的溶液是離子能向混凝土內遷移的前提。混凝土表面開合孔隙率Pst、涂層內離子的擴散速率Dst、涂層厚度Tst影響著涂層混凝土內的氯離子分布。氯離子在防腐涂層中的侵入簡化為Fick擴散過程。考慮混凝土結合作用時，自由氯離子C與總氯離子Ct的比例為0.85。相對混凝土固相，涂層對氯離子的吸附能力極小，可以認為涂覆層內C=Ct，基于上述分析，混凝土內的氯離子遷移模型為式(1)：

(1)

其中，C為氯離子濃度；Dsu為混凝土內離子遷移系數，取5.35×10-12m2/s[8,9]。

2 有限元模型描述

2.1 模型設計

基于混凝土內氯離子遷移方程，利用Comsol Multiphysics建立混凝土保護層中氯離子遷移模型。模型尺寸為80 mm×80 mm。混凝土與鹽漬土接觸邊界的附近離子濃度波動較大，為避免邊界附近區域求得的濃度值異常，加密該區域網格。模型邊界及初始條件為式(2)：

(2)

其中，Cinit為初始氯離子濃度；Cb為邊界氯離子濃度；L為保護層厚度(即模型的寬)，包含著涂層厚度(Tst)與混凝土自身厚度(Tsu)，L=Tst+Tsu。有限元模型中的防腐蝕涂層與混凝土的接觸面，需在x=Tst處設置連續性條件[4]，如式(3)：

(3)

其中，Psu為混凝土開合孔隙率，相關參數見表1。

表1 計算參數[8,9]

2.2 模型環境

南通濱海鹽漬土，土中的易溶鹽含量在0.4%～1.2%之間，實測氯鹽含量在0.2%～0.6%之間[8]。土體大多長期浸水，多屬于A類型砂土、稍濕的粉土。參照GB 50021—2001巖土工程勘察規范中水土腐蝕性評價標準，土對建筑鋼筋腐蝕性屬于中腐蝕等級。為分析不同離子濃度的影響，模型邊界的離子濃度取中腐蝕等級上限值和強腐蝕等級，約為500 mol/m3和1 000 mol/m3。

3 計算結果分析

3.1 環氧樹脂體系涂層

表面未經處理與表面涂覆了環氧樹脂的混凝土內氯離子分布對比見圖2。圖2表明，環氧樹脂涂層大大降低了混凝土內的氯離子含量。因為涂覆環氧樹脂后的混凝土，其累計電量、吸水率顯著降低，減弱了電遷移場與毛細作用，環氧樹脂涂層能夠顯著降低飽水狀態下混凝土內氯離子的擴散速度。離子含量在混凝土內隨深度增加而下降，降低速度在涂層與混凝土的接觸面兩側有著明顯變化。

3.2 丙烯酸體系涂層

涂覆丙烯酸體系對混凝土內氯離子分布的影響見圖3。圖3表明，相比未經處理的混凝土，丙烯酸涂層降低了混凝土內的氯離子濃度。降低效果低于丙烯酸體系涂層。離子濃度在混凝土內隨深度增加而下降，降低速度在涂層與混凝土相接觸兩側變化不明顯；隨時間增加，混凝土內給定深度處的氯離子含量逐漸增長。

3.3 硅烷體系涂層

涂覆硅烷對混凝土內氯離子分布的影響見圖4。硅烷涂層混凝土內的氯離子濃度極低，表明硅烷涂層混凝土抵抗氯離子侵蝕的能力很強。硅烷涂料是復合型涂料，在混凝土構成憎水膜層，同時密實淺層混凝土，從而極大的發揮阻礙水與氯離子侵入的能力。

不同涂層處理的混凝土內氯離子分布如圖5所示。假設混凝土涂層具有20年使用年限，20年后，即便是高氯離子濃度邊界，表面防腐蝕涂層對延緩混凝土內氯離子的侵入作用依然十分明顯。說明表面防腐蝕涂層能夠極大降低混凝土內的氯離子含量。

4 結語

1)混凝土內氯離子的侵入量隨時間增長逐漸增加，隨距混凝土表面距離增加迅速減少。表面涂覆環氧樹脂體系涂層、丙烯酸體系涂層與硅烷涂層能降低混凝土內氯離子的含量，其降低速度從涂層進入混凝土發生明顯改變。 2)相比涂覆環氧樹脂體系混凝土，環氧樹脂體系涂層混凝土抗氯離子侵蝕的效果較明顯，硅烷涂層混凝土的效果最明顯。混凝土內鋼筋表面的氯離子濃度低，則鋼筋腐蝕延緩，從而延長混凝土耐久性。因此就涂層混凝土耐久性而言，硅酸涂層混凝土耐久性最好，丙烯酸涂層混凝土耐久性最差。

[1] Basheer P A M, Basheer L, Cleland D J, et al. Surface treatments for concrete: assessment methods and reported performance[J]. Construction and Building Materials,1997,11(7):413-429.

[2] Almusallam A A, Khan F M, Dulaijan S U, et al. Effectiveness of surface coatings in improving concrete durability[J]. Cement and Concrete Composites,2003,25(4):473-481.

[3] 谷坤鵬,李 漠.粉煤灰與表面涂層對混凝土抗氯離子侵蝕能力的影響[J].腐蝕與防護,2008,29(7):385-388.

[4] McCarter W J. Assessing the protective qualities of treated and untreated concrete surfaces under cyclic wetting and drying[J]. Building and Environment,1996,31(6):551-556.

[5] 薛 明,鐘 洲,趙 陽.鹽漬土地區公路構筑物防腐混凝土及防腐涂層施工技術[J].公路交通科技(應用技術版),2008(9):32-35.

[6] 趙羽習,杜攀峰,金偉良.混凝土防腐涂料抗氯離子侵蝕性能試驗研究[J].建筑科學與工程學報,2009,26(2):9-14.

[7] Zhang J.Z., McLoughlin I.M., Buenfeld N.R.. Modelling of chloride diffusion into surface-treated concrete[J]. Cement and Concrete Composites,1998(20):253-261.

[8] 高子瑞,徐永福,李淑娥,等.混凝土內修正的氯離子運移模型及耐久性分析[J].河海大學學報(自然科學版),2016,44(5):432-437.

[9] 喬 頔.濱海鹽漬土環境中結構物耐久性分析與對策[D].上海:上海交通大學,2012.

Analysis of anti-corrosion coating for concrete in saline soil

Kang Fengyi1Chen Zhiming1Gao Zirui2

(1.NantongCityHighwayManagementOffice,Nantong226000,China; 2.SchoolofNavalArchitecture,OceanandCivilEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China)

From the saline soil in Nantong coastal areas, the chloride ion distribution in concrete coated with epoxy resin, acrylic acid and inorganic silane was analyzed, and the concrete structure durability based on three kinds of anti-corrosion coatings was compared, some valuable conclusions are obtained.

Comsol Multiphysics, concrete, chloride ion, anti-corrosion coating

1009-6825(2017)03-0115-02

2016-11-13

康峰沂(1985- )，男，碩士，工程師； 陳志明(1974- )，男，工程師； 高子瑞(1990- )，男，助理工程師

TU528

A