硅酸鋰防腐材料在橋梁混凝土中的應用研究

謝平，胡凱

（江西省公路工程監理有限公司，南昌 330013）

1 引言

橋梁結構作為交通基礎建設的關鍵工程，其混凝土結構受各種氣候環境因素綜合影響，容易出現粉化和剝落、砂石外露和鋼筋銹蝕等劣化現象[1-3]。橋梁混凝土劣化現象常發生于濱海[4]和酸雨污染[5]等地區。近年來，國內外學者針對混凝土劣化機理和防腐技術進行大量探討研究。混凝土劣化機理方面，李榮濤和Christopher[6]指出，氯離子滲入混凝土結構內部，破壞鋼筋表面鈍化膜保護層，引起鋼筋銹蝕，同時銹蝕產物擠壓混凝土膨脹變形開裂；關博文等[7]指出，硫酸根離子與堿性混凝土發生化學反應生成鈣礬石，當硫酸根離子濃度達到一定程度時，與氫氧化鈣產生石膏，導致混凝土體積膨脹變形，影響結構使用壽命；空氣中二氧化碳與混凝土中的氫氧化鈉反應，破壞鋼筋表面鈍化膜，同時其化學產物引起混凝土的膨脹變形[8]。除此之外，凍融和干濕循環[9]也是造成橋梁混凝土劣化的主要因素。混凝土防腐手段主要通過噴灑、涂刷防腐涂層，在混凝土表面形成鈍化保護膜，以延緩有害介質滲透到混凝土內部，達到防腐效果。防腐涂料品種繁多，按照成分不同，可分為無機物防腐涂料、有機物防腐涂料和混合類防腐涂料[10]。傳統防腐涂料性能和應用范圍具有一定的局限性，如環氧涂層耐磨性、光澤、耐化學品性好，但耐候性、耐高溫性、抗劃傷性能均較差，因此，研究開發用于新型防腐涂料成為混凝土材料研究的一個熱點。目前，主要使用的新型混凝土防腐涂料中，有機涂料存在不耐紫外線、耐受壽命短、制造和使用存在一定污染的缺陷；表面滲透型涂料，如硅烷系，防護層薄，在防止中性化、脆弱部位固化、細微裂痕修補等方面存在缺陷[11]。

基于上述研究現狀，本文以某高速公路為例，探索新型硅酸鋰防腐材料在橋梁混凝土中的應用成效，以期為后續研究提供支撐和參考。

2 工程概況

某高速公路全長142.8 km，項目投資總額約200 億元，設計速度100 km/h，路基整體寬度33.5 m。

該高速公路地處亞熱帶丘陵山區濕潤季風氣候區。春夏降水集中，熱量豐富，雨量充沛，全年平均相對濕度80%，極端最大相對濕度100%。且沿線地處某水系河流中下游，水系發達，江河縱橫。因此，要特別考慮混凝土的抗滲性能。

另外，該區域地處全國酸雨頻率高、酸雨污染較為嚴重的地區之一，被國務院列為國家“酸雨控制區”。主要是大氣中SO2與水發生化學反應，生成亞硫酸和硫酸導致的硫酸型酸雨。其次是工業排放和機動車尾氣引起硝酸型酸雨。因此，該施工對象還應充分考慮混凝土的抗化學腐蝕性能。

最后，該地區高溫（最高溫度30 ℃以上）及高濕（平均濕度60%以上）條件還可能加速混凝土的碳化和內部鋼筋的電化學腐蝕。所以，在橋梁新建階段就應預見性地考慮混凝土的抗碳化性能。

3 硅酸鋰防腐材料特性

3.1 材料特性

本次施工選定的材料為硅酸鋰防腐材料A 和B，材料特性如表1 所示。硅酸鋰防腐材料A 的作用原理為：通過與水汽結合從混凝土表面快速滲透，與混凝土中的CaO 或Ca（OH）2反應，生成永不溶水的無機C-S-H 凝膠，堵塞混凝土內部的毛細縫隙，且作用滲透深度可以達40 mm 以上；同時，可增強混凝土的密實度，增強表層的強度15%以上，并賦予堿性，防止混凝土提前中性化；全面阻隔水和其他侵蝕物質進入混凝土內部，從而提高混凝土的抗滲性能和耐化學腐蝕和防止提前中性化（碳化）性能，最終實現橋梁的長期耐久使用目的。

表1 硅酸鋰防腐材料特性

硅酸鋰防腐材料B 的作用原理為：將硅酸鋰防腐材料B直接涂抹和噴灑到混凝土表面后，即可以在與材料A 完美結合的基礎上進一步鞏固和加強混凝土表層部的密實度，又起到高效的表面防水效果，在水壓0.5 MPa 的環境狀態下也能保持穩定的防水和防霉效果。

硅酸鋰混凝土保護材料是無色無味無機環保材料，保持混凝土原貌，有利于橋梁養護人員肉眼觀察和點檢。

3.2 與其他防腐材料對比

3.2.1 與硅烷系列對比

在短期加壓條件下，硅烷是一種物理封閉的薄膜狀態，如果用在梁體上，梁體的微小變形就會拉裂，使梁體產生裂紋，最終失去防止表水滲入的作用。但硅酸鋰防腐材料與梁體是分子級的化學結合，在梁體內滲透深度達40 mm 以上，在混凝土內形成C-S-H 凝膠防水透氣。

涂抹硅酸鋰防腐材料的梁體分子間的致密性會有一定幅度的提高（30%左右），在梁體有限變形的條件下不會拉裂，是硅酸鋰防腐材料與絕大部分硅烷產品的差異所在。

3.2.2 與水泥基與硅酸鹽系列比較

水泥基系主要是用作防水，對于表面的面貌有很大改變，并且生成物是鈣礬石晶體，很難控制反應，容易反應過大造成裂痕擴大，進而造成后期滲水漏水嚴重。滲透淺，生成物質易溶水，耐久性低，容易引起混凝土內部堿骨料反應。

硅酸鋰防腐材料結合了硅酸鹽系材料的優勢，采用自然界存在的成分，對人體和環境無害，沒有紫外線劣化，快速滲透并且有長期耐久性，成功克服了其他硅酸鹽系屏蔽裂痕的物質易溶水的弱點，保持長期效果的耐久性，并且有抑制堿骨料反應（劣化）和中性化（碳化）的效果。

4 施工工藝及效果

4.1 工具

1）清洗工具：清洗混凝土需用到高壓水槍、硬毛墻刷。

2）施工工具：涂刷防腐材料用到工具有手動加壓噴霧器、電動肩背式噴霧器及細節涂抹用毛刷。

4.2 施工步驟

1）高壓沖洗混凝土表面附著的塵土和污漬，并使混凝土表面呈濕潤狀態。

2）確認表面為濕潤狀態（觀察顏色）。根據施工條件，選用刷子或噴壺等工具涂刷（見圖1）硅酸鋰防腐材料A。若涂抹前發現混凝土表面的濕潤色（略深于混凝土干燥狀態的顏色）消失，可再次噴水，確保涂抹式時混凝土表面為濕潤狀態。A 涂抹標準使用量：150 g/m2。

圖1 噴涂硅酸鋰防腐材料

3）確認表面為干燥狀態（觀察顏色）。確認表面干燥狀態（水分量為10%以下），選用刷子或噴壺等工具涂刷（見圖1）硅酸鋰防腐材料B。在容器中充分攪拌原液，按照標準涂抹量100 g/m2，將B 的原液均勻地噴灑或涂抹在構造物表面。

4）涂抹完成后30～60 min，將表面殘留物擦拭干凈。

4.3 效果

在本高速公路工程中，硅酸鋰防腐材料主要用于橋梁下部結構中，主要有以下優點。

1）施工簡便：采用直涂型液體，無須專業培訓，工人可以迅速掌握和按照流程進行施工。

2）適用性強：新建和已建混凝土構造物都可以使用，適用范圍廣。

3）環保耐久：硅酸鋰防腐防裂涂裝材料屬無機材料，對人體和環境無害，無紫外線劣化，具有長期耐久性。

4）抗裂延壽：可減少新建混凝土構造物常發生的早期裂痕，屏蔽已建混凝土的裂痕內部，防止水和鹽化物的侵入，有效延長已建構造物的壽命。

5）表層補強：可強化混凝土表層的纖密性，提高混凝土構造物表面強度15%～20%，賦予混凝土表層堿性。

6）利于養護：材料透明無色的特點，可以保持混凝土構造物原貌，有利于養護人員觀察和確認養護對象的健康狀況。

7）疏水美觀：涂裝完成的混凝土外觀色澤較好（見圖2），混凝土表面抑制劣化的同時具有良好的疏水性能，對受高溫高濕氣候環境影響的混凝土構造物保護效果顯著。

圖2 硅酸鋰防腐材料涂裝效果

5 結語

綜上所述，硅酸鋰防腐材料，滿足該高速公路使用橋梁結構混凝土的抗滲、抗化學腐蝕和抗碳化性能，且施工簡便、外表美觀、利于養護。但我國幅員遼闊，氣候環境復雜，混凝土在不同的環境條件下表現的劣化現象不同，這對防腐材料的性能提出了新的要求，防腐材料的研究任重道遠。