混凝土防腐涂層的進展研究

唐占榮，葉海龍，康海平

(巴彥淖爾電業局，內蒙古 巴彥淖爾 015000)

混凝土由于其原材料豐富、價格低廉、生產工藝簡便等特點，使其成為現代建筑中應用最廣泛、使用量最大的建筑類材料，因此，如何提高混凝土的耐久性及使用強度一直是實際工程中的熱點問題。由于混凝土在土木工程領域的大面積使用，因此不可避免的使其暴露在各種不可確定的復雜的使用環境中，因此其受到環境中諸如物理、化學、生物等綜合因素的影響，根據使用環境對混凝土進行合理的設計，并按要求進行養護維護，可極大地增加混凝土的使用壽命，然而在實際的應用過程中會存在各種如環境條件惡劣，設計不合理、施工不到位等問題，從而使混凝土的使用壽命急劇降低[1]。大量工程案例證明，混凝土的耐久性不足會對工程產生難以估量的損失，并導致嚴重的社會問題，因此，有效可靠的提高混凝土的耐久性及強度對基礎設施的建設及社會經濟的穩定有至關重要的意義[2]。

1 混凝土腐蝕因素

由于混凝土的結構復雜且不均勻，因此，在微觀層面，混凝土其實是具有大量微小細孔結構的材料，腐蝕因子非常容易就可以進入混凝土內部，對混凝土結構造成不可逆損壞[3]。

1.1 物理腐蝕

混凝土內部具有豐富的孔洞結構，該孔結構主要由毛細孔、大氣孔、凝膠孔構成；環境中的水分子會輕易地進入混凝土的多孔結構中，在我國北方地區，在冬季最低氣溫會降到零攝氏度以下，這會導致進入混凝土孔結構中的水分結冰，體積變大；隨著溫度的升高，結冰又會融化，因此，水分子在混凝土內部就會發生凍融變化[4]。凍融損壞是混凝土腐蝕的主要因素。凍融過程十分復雜且與混凝土的材質有著密切的關系，并且與外部環境也有很大關系。凍融損壞其實就是混凝土在飽水狀態下混凝土孔隙微裂縫中的水在正負溫度的變化下凍結與溶解的過程，在這個過程中混凝土中的水會產生滲透壓，使水分攜帶著有害離子進一步進入到混凝土的內部造成進一步的損壞；同時水凝結成冰的時候體積變大，會在混凝土內部孔隙縫隙中產生很大的壓力，多次凍融后會導致孔隙及縫隙進一步發展擴大，形成較大的縫隙進而使得混凝土的受力減小，導致混凝土破壞[5，6]。并且混凝土的腐蝕是綜合因素，凍融擴大混凝土縫隙后，導致其他有害離子進入混凝土內部加速了混凝土內部及鋼筋的腐蝕，鋼筋與腐蝕因子反應生成的腐蝕產物具有更大的體積，會進一步增大混凝土內部壓力，導致混凝土開裂，使其強度及耐久性明顯降低[7]。

1.2 化學腐蝕

由于混凝土的服役環境復雜，因此，環境中含有的各種腐蝕因子都有可能對其造成腐蝕。在酸性條件下服役的混凝土，硫酸根離子對混凝土的破壞被很多學者認為是最重要的化學腐蝕因素。氯離子是腐蝕混凝土最常見的離子，氯離子腐蝕混凝土主要是與其他因素協同反應。碳化腐蝕主要集中在二氧化碳濃度高且濕度較大的環境中。

1.3 生物腐蝕

微生物對混凝土的腐蝕影響非常復雜，水中的微生物繁殖代謝生成的代謝產物會對混凝土產生腐蝕作用，微生物代謝生成的有機酸、無機酸會與混凝土中的堿性水化物發生中和反應，同時伴隨著發生一系列復雜的生化反應，對混凝土進行腐蝕。

混凝土的腐蝕往往都是多因素條件下產生的，多數學者研究了雙因素以及三因素的影響規律，通過多因素實驗找到對混凝土腐蝕的主要因素，為混凝土防腐找到更好的解決辦法；但綜合大部分學者的研究成果發現，腐蝕的主要因素還是由于腐蝕因子透過混凝土表面進入混凝土內部，造成混凝土的腐蝕，因此有效的阻隔混凝土腐蝕因子的進入是混凝土防腐蝕的有效手段。

2 混凝土防腐蝕涂層

目前，提高混凝土耐久性減少混凝土腐蝕的方法主要有兩種，一是向混凝土內部添加各種提高其穩定性、材料致密程度的材料，改良其內部結構，還有一種是向混凝土表面添加防腐蝕涂層，使其與外界隔絕，起到防護的作用[8]。第一種防護措施有其局限性，①混凝土是一種多孔結構的材料，添加劑的加入不會改變這一狀態；②添加劑的加入有可能會影響混凝土的強度。而第二種在混凝土外表面涂刷防腐涂層擁有操作簡單，效果明顯等特點，被廣泛使用到實際生產中。目前，混凝土防腐涂層主要有表面成膜型涂料與滲透型涂料以及二者結合的復合型涂層為主。防腐涂層的特點是在混凝土表面形成一層有效的可以隔絕環境中腐蝕因子向混凝土內部滲入。

2.1 有機成膜型涂層

常見的有機成模型防腐涂層有環氧樹脂涂層、丙烯酸酯涂層、聚氨酯防腐涂層、高氯化聚乙烯防腐涂層等。

環氧樹脂涂料是一種利用環氧樹脂作為成膜物質，在固化劑、催化劑等的參與下，交聯固化反應形成的一種具有三維網狀結構的樹脂材料，其具有穩定性好、黏合作用力大、體積穩定性好、耐化學腐蝕等優點。趙志軍[9]利用化學接枝技術，將環氧樹脂利用含有親水基團地對氨基苯磺酸改性，制備出成膜性能優良且性質穩定的水性環氧樹脂涂層乳液；Yang等[10]自制了新型無溶劑環氧樹脂涂層材料，并利用海洋仿真模擬設備進行了檢測，結構表明，該涂層具有優良的抗侵蝕性、物理力學性能以及水解穩定性，且具有綠色環保的優點。黃君哲[11]測試了環氧樹脂涂層防護氯離子滲透的性能，結構顯示，該涂層有效地降低了氯離子對混凝土的腐蝕性能。Hassan[12]利用快速擴散實驗模擬現實環境中氯離子對混凝土的滲透能力，結果表明，環氧樹脂涂層具有良好的抗氯離子滲透的能力，并且有研究表明，環氧樹脂涂料的耐酸性能明顯優于聚氨酯防腐涂料；石亞軍等[13]研究人員通過優選高性能的水性環氧樹脂和固化劑，研究了不同配比下不同反應體系下涂層的性能，并確定出該涂層的最佳配比及最優用量。

丙烯酸樹脂涂料是以丙烯酸樹脂為主要涂層組成部分，加入如耐候填料、耐候添加劑等，經過先進的工藝制備成單組分防腐涂料，其中丙烯酸樹脂是以丙烯酸酯、苯乙烯等乙烯基類單體為主要原料聚合而成。丙烯酸涂料分熱塑性和熱固性兩種，其中熱塑性涂料由熱塑性樹脂、溶劑、填料、顏料及其他助劑組成，當溶劑揮發后自然呈現光滑平整的漆膜。熱塑性涂料的性能由所用單體及單體的分子量、配比、分布決定。熱固性涂料指結構中原有的官能團和制漆過程中加入的環氧樹脂、聚氨酯、氨基樹脂中的官能團反應而形成的網狀結構。在這個過程中，側鏈官能團和外加官能團相互反應交聯成膜，改變了原有結構的性質，使其具有較高的固體分，涂層堅實、抗磨，防腐性能較好[14]。熱固性丙烯酸涂層是通過官能團的反應和溶劑的揮發交聯固化成膜的，其分子量比熱塑性丙烯酸樹脂低，但固體含量比熱塑性的高，可選擇的溶劑種類更多，成膜后具有更好的光澤和耐溶劑性、耐化學侵蝕及抗黏著性，因此其應用更為廣泛[15]。

聚氨酯由羥基化合物和單體物質異氰酸酯聚合而成：①聚氨酯由雙組分聚合在一起交聯形成的保護膜，分子結構間間距小、距離整齊，外界環境中的水和氧氣很難侵入混凝土結構中，在鹽類溶液和石油中不會溶解，抗腐蝕能力強。②涂層密實、完整，無針孔、無裂縫、無氣泡，水蒸氣的滲透系數小，在防水的同時還有隔絕氣體進入的功能。③涂層中的高分子物質可以深入混凝土表面的縫隙中，追隨性強，與混凝土表面的黏結能力強，在有水的情況下仍具有較好的附著性。涂層的韌性較好，當基層出現伸縮和開裂時仍具有較好的吸附性，抗拉強度高。耐候性好，低溫環境中不易龜裂，高溫環境中不易流淌，具有較好的抗老化能力，耐磨、耐油、耐臭氧、耐酸堿腐蝕[17]。

2.2 滲透型防腐涂料

滲透型防腐涂料主要是以分子結構較小的硅烷及硅氧烷類的涂料為主，其分子直徑一般在1nm～7nm之間，并且擁有較小的黏度，因此可以很好地滲透到混凝土的空隙中，對混凝土的空隙進行很好地封閉。Christodoulou等[18]利用硅烷涂刷正在服役中的混凝土材料，并進行追蹤，發現在使用20年后，該混凝土依然具有良好的疏水性能，Basheer等[19]研究發現，涂刷了硅烷類涂料的混凝土，其凍融循環次數增加了一倍以上，Buenfeld[20]等利用硅烷類涂料涂刷混凝土，發現涂刷后的混凝土抗氯離子明顯提升了1～3個數量級。

然而由于硅烷類的涂料反應活性低，因此其只能在混凝土的空隙內壁成膜，但是不能很好地封閉孔隙，該涂層材料不會阻止空氣中二氧化碳進入孔隙，因此不具有良好的抗二氧化碳性能，混凝土在二氧化碳濃度高的地區服役的防腐效果不明顯[21]；并且研究表明，在具有一定水壓的服役環境下，硅烷類防腐涂層的抗氯離子性能明顯降低，這是因為在較大的壓力下，氯離子可以進入混凝土孔隙中；在混凝土擁有較低的孔隙率時，硅烷類防腐涂層的效果就不是特別明顯，因為其主要的機理就是滲入混凝土的孔隙中，對混凝土進行防腐保護，當混凝土的孔隙率較低時，其不能滲入孔隙中，因此防腐效果不明顯[22]，硅烷類防腐涂層對水性腐蝕因子有較好的防腐效果，但是不能很好地阻隔油性分子在其表面的滲透。

3 結束語

混凝土作為土木工程領域最主要的材料，在服役期間主要受到環境中的物理腐蝕、化學腐蝕及生物腐蝕，為防止其被腐蝕，增強其耐久性，研究人員研究發現在其表面添加防腐涂層是行之有效的方法，目前主要的混凝土防腐涂層有滲入型與表面成膜型防腐涂層；在考慮混凝土服役環境的差異選擇適宜的防腐涂層對增強混凝土的耐久性是有重要的意義。