柔韌型混凝土防腐涂層在煤礦中的應用

楊源遠，孫叢濤，陳明忠，胡勁哲，樊 平，樊 薈

(1.陜煤集團神木紅柳林礦業有限公司，陜西榆林719300；2.中國科學院海洋研究所，山東青島266071；3.青島迪恩特新材料科技有限公司，山東青島266109；4.內蒙古科技大學土木工程學院，內蒙古包頭014010)

混凝土作為當今世界上應用最為廣泛的建筑材料之一，已經大量應用于電力、水利、道路、橋梁、鐵路、石油等工程建設中。然而，由于混凝土自身存在一定缺陷，加之自然環境和使用環境的劣化作用，使得鋼筋混凝土結構易出現耐久性損傷與結構劣化現象[1-2]。結構的耐久性損傷及劣化現象將影響其安全性和適用性，縮短結構正常服役的壽命，早期的劣化如果不足以引起人們的重視，嚴重劣化會導致混凝土結構破壞和坍塌。因此，為了降低結構損傷及破壞造成的損失，應對混凝土結構采取合理的防護措施，有效抵御環境的腐蝕劣化作用，從而確保結構的安全長壽命服役。

目前，提高鋼筋混凝土結構服役壽命的措施可分為基本措施和附加措施。基本措施包括使用高性能混凝土、增加保護層厚度等；附加措施主要包括陰極保護、鋼筋阻銹劑、涂層鋼筋或耐蝕鋼筋、混凝土涂層等[3-4]，其中混凝土涂層防護被認為是最簡單有效的防護措施[5]。鑒于此，本文重點介紹柔韌型混凝土防腐涂層及其在煤礦中的應用案例。

1 煤礦中混凝土結構腐蝕狀況

1.1 煤礦概況

神木紅柳煤礦位于陜西榆林市的東北部，據市區130 km。神木紅柳林煤礦于2006年開工建設，2011年投入使用。煤礦整體面積為143.34 km2，核定生產能力達到1 500×104t/a。

神木寒暑變化劇烈，氣候干燥，降水量偏少且年際變化大。年平均氣溫8.9 ℃，7月平均氣溫最高25 ℃，1月平均氣溫最低-8.1 ℃，年較差33.1 ℃，年平均降水量422.7 mm，平均濕度55 %。

1.2 鋼筋混凝土支架腐蝕狀況

神木紅柳林煤礦煤炭輸送支架和管道支架主體結構為混凝土結構。部分鋼筋混凝土支架在使用過程中出現混凝土表面剝蝕、開裂、剝落以及鋼筋銹蝕等現象(圖1)，個別部位已形成安全隱患，從而嚴重影響結構的正常服役。因此，對存在嚴重腐蝕的混凝土支架進行了修復處理，并進行了外包鋼板加固(圖2)。

圖1 混凝土支架腐蝕狀況

圖2 混凝土支架外包鋼加固

2 鋼筋混凝土結構腐蝕的機理

導致鋼筋混凝土結構腐蝕破壞中，最常見的原因主要有氯離子侵蝕、碳化、凍害、鋼筋銹蝕、堿骨料反應等[6-7]。

2.1 氯離子侵蝕機理

水泥水化后會形成pH值大于12.5的高堿性環境，這種環境下會使得混凝土中鋼筋表面形成一層致密的鈍化膜。鈍化膜中主要為Si-O鍵，對鋼筋有很強的保護作用。這種保護作用正是鋼筋在正常環境下不腐蝕的主要原因。但是這種保護作用只有在高堿環境下才會維持穩定，當pH小于11.5時，這層鈍化膜就會開始不穩定；當pH小于9.88時，鈍化膜便會逐漸遭到破壞。氯離子會游離進入混凝土中并附著于鋼筋表面，當氯離子局部吸附量增加時，會使得鈍化膜的pH值迅速降低，改變原有的堿性環境。持續的pH值降低，使得鋼筋局部酸化，pH值迅速降至4以下，進而破壞鈍化膜，使得鋼筋發生銹蝕。

2.2 碳化腐蝕機理

混凝土碳化是混凝土中常見的現象，造成這種現象的原因是大氣中CO2與混凝土中水化產物相互作用的結果。一方面，CO2本身是一種能溶于水的氣體，在水中會形成一種酸，但這種酸不同于鹽酸、硫酸等酸性液體，它不會對混凝土中水泥石基體造成腐蝕和損害，而會與混凝土微孔結構中的堿性物質發生化學反應，形成CaCO3，并附著于微孔的內壁上。

另一方面，在碳酸化反應的初始階段，由于氫氧化鈣在微孔水溶液中會出現過飽和的狀態，能夠維持整個水溶液的pH值在12-13的正常范圍內。但是，隨著時間的推移，混凝土微孔結構中Ca(OH)2的不斷消耗以及生成的CaCO3在水溶液中的沉淀，使得水溶液的pH值迅速下降。當整個水溶液的pH值下降到一定程度時，使得OH-離子的濃度降低，進而鈍化膜開始分解和消耗，從而使得鋼筋失去鈍化膜的保護導致銹蝕。

2.3 凍融破壞機理

凍融破壞是指混凝土在飽水狀態下，受到凍融循環而產生由表及里的剝蝕破壞。在凍融破壞中，飽和狀態是指混凝土中含水量達到91.7 %的臨界值。在該狀態下，混凝土受凍后，其孔壁將會承受靜水壓和滲透壓的雙重作用。一旦兩者壓力之和超過混凝土自身的拉抗強度時，會在混凝土局部表面造成新的微裂紋。在上述過程反復幾次后，混凝土中的新舊微裂紋交相融合，使得混凝土強度逐漸降低，最后完全破壞。在寒冷地區的海洋環境和除冰鹽環境中，鹽的存在會加劇混凝土凍融破壞進程。

2.4 鋼筋銹蝕機理

混凝土中鋼筋銹蝕屬于電化學腐蝕，該過程的發生需同時滿足以下三個條件：

(1)鋼筋的表面形成電位差，構成腐蝕電池。

(2)鋼筋表面的鈍化膜不完整，呈現活化狀態。

(3)鋼筋的表面存在銹蝕反應所必需的水和溶解氧。

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首先，鋼筋由于其自身成分不均勻、且包含多種雜質的特性，使得鋼筋不同部位電極電位存在差異，從而形成腐蝕電池。其次，一方面由于氯離子的侵入或混凝土中摻入過量的氯鹽會使鋼筋表面的氯離子濃度升高，當濃度達到臨界值，將破壞原有的鈍化膜；另一方面，混凝土保護層碳化使得鋼筋表面pH值降低，從而對鋼筋表面的鈍化膜形成破壞；最后，大氣中的氧氣和水分會通過混凝土中的孔隙與微裂縫滲透到鋼筋的表面，為鋼筋銹蝕提供所需要的水和氧氣。

鋼筋銹蝕是導致鋼筋混凝土結構破壞的重要原因，混凝土中的鋼筋發生銹蝕后，其銹蝕產物體積增至原體積的3～4倍，使得鋼筋周圍的混凝土受到膨脹壓力，隨著壓力的增大，使得混凝土保護層出現順筋裂縫，一旦形成順筋裂縫，將進一步加速鋼筋的腐蝕，進而導致混凝土保護層剝落、鋼筋外露、鋼筋截面積減小，嚴重影響結構的安全使用。

2.5 堿骨料反應機理

堿-骨料反應本質上是混凝土中的堿與具有堿活性的骨料間發生的膨脹性反應。常見的堿骨料反應有堿-硅酸鹽反應、堿-碳酸鹽反應等。上述反應的發生會引發混凝土的體積膨脹和開裂，使得混凝土的微觀結構劣化，混凝土的抗壓強度、彈性模量等指標降低，從而危及結構的安全服役，而且很難進行修復和補救。

3 煤礦鋼筋混凝土結構腐蝕原因分析

煤的組成結構較為復雜，主要含有C、H、O、N、S等元素，其中C含量大于50 %，基本為75 %～95 %；按照工業分析方法，煤的組分近似劃分為固定碳、揮發分、灰分和水分[8]。煤塵在煤炭生產過程中產生的懸浮于空氣中的煤炭顆粒，其直徑為0.75～1.00 mm[9]。煤塵在空氣動力作用下會在鋼筋混凝土表面附著，煤塵中可能存在的酸性介質將會加速混凝土的中性化進程。另一方面，冬季的氣候條件可能會對混凝土產生一定的凍融損傷，而這或許會進一步加速混凝土的中性化，并最終導致混凝土中鋼筋的銹蝕。關于煤塵環境下鋼筋混凝土腐蝕的機理尚需要進一步的研究和明確。

4 鋼筋混凝土結構防護的必要性與緊迫性

美國著名學者Sitter曾經用五倍定律對混凝土結構新建和不同腐蝕階段維護費用進行了描述。Sitter指出，在新建混凝土結構時，如果節省1美元的腐蝕防護費用，那么發生鋼筋銹蝕時，需要花費5美元進行維護；而當混凝土表面出現順筋開裂時，則需要25美元來進行維護；甚至，當混凝土結構發生嚴重的銹蝕破壞時，需要高達125美元進行修復。

由此可見，對鋼筋混凝土結構應盡早采取修復與防護措施。即對新建混凝土結構盡早采取合理的防護措施，對在役結構及時進行修復與防護，將會大大延長鋼筋混凝土結構的使用壽命，并大幅減少腐蝕造成的損失。

5 柔韌型混凝土涂層防腐技術

混凝土是主要由膠凝介質與粗細骨料所組成的復合多孔材料，其內部存在連通的孔隙及微裂縫等缺陷，為腐蝕性介質的侵入提供了通道。

實踐證明，對混凝土表面進行涂層封閉可有效阻止環境介質(水、氧氣、氯離子、酸性氣體或液體)向混凝土內部的滲透[10]，進而阻止或延緩鋼筋銹蝕的發生、發展，從而提升混凝土結構的使用壽命。

混凝土表面由于內外因素的作用不可避免得存在裂縫，從而易導致傳統混凝土涂層開裂，涂層一旦開裂將隨即失效。因此，混凝土涂層應具有柔韌性，為此研發了柔韌型混凝土防腐涂層，該涂層體系具有優異的裂縫追隨性能，裂縫追隨性不小于0.8 mm。

5.1 柔韌型混凝土涂層體系構成

柔韌型混凝土防腐涂層體系主要由四層構成，第一層為底漆，主要作用是對混凝土基體進行密封，阻止腐蝕性介質的入侵；第二層為膩子，主要作用是密封并填充混凝土表層的缺陷；第三層為中間漆，具有優異的柔韌性能，主要作用是阻止有害介質的侵入；第四層為面漆，具有良好的耐候性能，主要作用為涂層體系的長壽命防護提供保障。柔韌型混凝土涂層體系的構成及功能如表1所示。

表1 柔韌型混凝土防腐涂層構成及功能

5.2 施工工藝

柔韌型混凝土防腐涂層施工工藝主要包括表面處理、底漆、膩子、中間漆、面漆五個步驟(圖3)。

圖3 施工工藝流程

5.2.1 表面處理

表面處理的主要作用是為了把混凝土表面的灰塵、異物以及表面的高低差異去除，并借助打磨工具將表面打磨光滑。在對表面打磨處理后，通過空氣吹、高壓水洗等方式充分清潔表面。如果處理后的表面仍有可見的水漬，應該通過熱吹風機等工具烘干。

5.2.2 底漆

混凝土表面處理完成后，開始涂刷底漆。底漆主劑與固化劑配比為1∶1，配制時用攪拌機邊攪拌主劑邊加入固化劑，確保主劑和固化劑攪拌均勻。用輥子、刷子進行底漆涂刷時，應避免出現漏涂、涂刷不均勻等現象。底漆用量為0.12 kg/m2，配制后應在24 h以內(20 ℃)使用完畢。

5.2.3 膩子

底漆涂刷完成后，在6 h至10 d內，確認底漆固化及表面狀態無異常后，開始刮涂膩子。膩子主劑與固化劑的配比為1∶1，配制時用攪拌機邊攪拌主劑邊加入固化劑，確保主劑和固化劑攪拌均勻。用刮刀進行膩子刮涂時，應避免出現漏刮、刮涂不均勻等現象。膩子用量為0.3～0.5 kg/m2，配制后應在1 h以內(20 ℃)使用完畢。

5.2.4 中間漆

膩子刮涂完成后，在10 h至7 d內，確認膩子固化及表面狀態無異常后，開始涂刷中間漆。中間漆主劑與固化劑的配比為9∶1，配制時用攪拌機邊攪拌主劑邊加入固化劑，確保主劑和固化劑攪拌均勻。為了便于涂刷，可在中間漆加入少于5 %的專用稀釋劑攪拌均勻。中間漆涂刷時，用輥子、刷子涂刷2遍，應避免出現漏涂、褶皺、涂刷不均勻等現象。中間漆用量為0.36 kg/m2，配制后應在4 h以內(20 ℃)使用完畢。

5.2.5 面漆

中間漆涂刷完成后，在12 h至10 d內，確認中間漆固化及表面狀態無異常后，開始涂刷面漆。面漆主劑與固化劑的配比為4∶1，配制時用攪拌機邊攪拌主劑邊加入固化劑，確保主劑和固化劑攪拌均勻。為了便于涂刷，可在面漆中加入少于5 %的專用稀釋劑攪拌均勻。用輥子、刷子進行面漆涂刷時，應避免出現漏涂、褶皺、涂刷不均勻等現象。面漆用量為0.15 kg/m2，配制后應在6 h以內(20 ℃)使用完畢。

5.3 應用效果

柔韌型混凝土防腐涂層已在神木紅柳林煤礦鋼筋混凝土支架中推廣應用，該涂層可有效阻止煤塵中有害介質及水分對混凝土的入侵，同時也降低了凍融循環對混凝土的損傷，取得了良好的防護效果。

6 結束語

本文針對煤礦鋼筋混凝土結構出現的腐蝕問題，初步分析了腐蝕的原因，煤塵腐蝕引發的混凝土中性化和凍融循環可能是導致結構耐久性損傷的主要原因。

本文重點介紹了柔韌型混凝土防腐涂層體系，該涂層體系具有附著力強、裂縫追隨性好以及防腐性能優異的特性，可有效阻止水分及有害環境介質向混凝土內部侵蝕。該涂層體系已在神木紅柳林煤礦鋼筋混凝土支架中推廣應用，取得了良好的應用效果，為煤炭的安全生產提供了相應保障。