海洋环境下混凝土纯聚脲防护研究进展

孙宏刚，吕 平，鞠 涛，李严龙 （青岛理工大学 功能材料研究所，山东青岛 266033）

海洋环境下混凝土纯聚脲防护研究进展

孙宏刚，吕 平，鞠 涛，李严龙 （青岛理工大学 功能材料研究所，山东青岛 266033）

阐述了海洋环境下混凝土防护的重要性。分析了海洋环境因素对混凝土结构的腐蚀影响，以及纯聚脲用于海洋混凝土防护的性能优势。列举了混凝土聚脲防护的应用实例，表明其防护效果突出。

纯聚脲；海洋混凝土；防护

0 引言

混凝土结构以其优异的性能，如易浇注、耐冲击、耐磨损等，成为当今应用范围最广的一种结构材料，但是因混凝土结构耐久性不足所引发的一系列问题也给人们带来了困扰；钢筋混凝土强度较高，且成本低，是海洋基础设施的首选结构材料。

海洋工程的建设，伴随着出现大量的防护技术及施工问题。海洋工程大部分处于海洋腐蚀环境下，海洋基础设施容易发生腐蚀破坏，一旦出现问题，对国家、社会会造成重大损失，因此，对海洋工程进行有效地防腐蚀是一项重要工作。

1 海洋环境因素对混凝土结构的腐蚀影响

海洋环境中富含的氯盐、硫酸盐等，使海洋变成了具有高腐蚀性的环境。海水中的侵蚀离子会与混凝土发生一系列的物理化学反应，加速钢筋混凝土的腐蚀［1］，导致混凝土强度降低。其中氯离子是导致海洋环境下钢筋混凝土结构破坏最危险的一种腐蚀因素，是决定混凝土结构耐久性长短的重要因素。

由于混凝土内部呈碱性，空气中的CO2等酸性气体与混凝土内部的碱性物质会发生反应，使混凝土碳化。肖佳等［2］介绍了碳化使混凝土碱性下降和混凝土中化学成分发生改变的过程。当反应达到一定程度后，就会破坏钢筋表面的钝化膜，使结构逐渐发生腐蚀破坏。

另外，由于海水比热大而导致热量变化较大，海洋环境下会加速混凝土的冻融循环破坏，随之，裂纹宽度增大，最后导致混凝土发生破坏，加速了钢筋的腐蚀。

Su X P、郭范波等［3-4］介绍了干湿交替是海洋腐蚀的主要因素，侵蚀介质会使混凝土的破坏产生叠加效应，加速混凝土的腐蚀。

吕建福等［5］指出：微生物新陈代谢的产物一般都是酸类物质等，这些物质会改变混凝土的表观形貌，进而加快混凝土的腐蚀速率［3-5］。

2 纯聚脲用于海洋混凝土防护的性能优势

聚脲具有出色的防护效果及优异的施工性能，在施工过程中对周围环境的温度、湿度等条件要求较低，且与基材更容易粘合，因此聚脲在海洋混凝土防护方面，呈现出优异的抗氯离子侵蚀性、抗冻性、抗冲蚀磨损性、抗老化性等性能。

2.1 抗氯离子侵蚀性

氯离子（Cl-）的侵蚀机理如下：

（1） 破坏钝化膜：海洋环境下钢筋混凝土中钢筋锈蚀的主要原因是Cl-透过混凝土对钢筋产生侵蚀作用。Cl-是极强的腐蚀性离子，Cl-进入混凝土中并开始慢慢腐蚀钢筋表面，可使pH迅速降低，钢筋表面的钝化膜就开始不稳定，直至被逐渐破坏，最后导致混凝土发生破坏［6-7］。

（2） 去极化作用：Cl-不仅会在钢筋表面形成腐蚀电池，还会加快腐蚀速度，这也是氯盐破坏的特征之一［8］。

杨林等［9］通过RCM法（混凝土氯离子扩散离子快速测定法）和自然扩散法对聚脲的性能进行了验证，试验结果表明：混凝土表面刷涂聚脲涂层后，氯离子的渗透系数比没有涂层的混凝土明显降低，起到了阻隔氯离子的作用，对混凝土起到很好的防护作用。

黄微波等［10］通过试验表明：在干湿循环条件下，氯离子的渗透系数逐渐增加，而喷涂聚脲涂层的氯离子含量随浸泡时间变化很小。通过试验数据分析，得出结论：聚脲涂层可降低氯离子的扩散系数，从而减弱了氯离子对试件的侵蚀程度，有效阻隔氯离子，起到防护作用。

2.2 抗冻性

混凝土由骨料、水泥等组成，这些材料自身的特性使混凝土成为一种多毛细孔体结构。冻融会使混凝土结构内的水分结冰并膨胀，膨胀会对结构产生应力作用，长时间在应力作用下会使结构出现裂缝，发生破坏。混凝土结构在海洋环境下经过冻融循环所产生的破坏比正常环境下要严重得多。随着结冻、解冻的循环，可导致混凝土材料过早老化，随着冻融损伤程度的增加，裂纹长度减小，但裂纹宽度增大，最后导致混凝土结构发生破坏［11-12］。

李志高、庞玉坤等［13-14］通过在混凝土表面分别喷涂聚脲涂层和环氧涂层发现：在冻融循环作用下，环氧涂层会逐渐破坏脱落，最后逐渐导致混凝土破坏。而喷涂聚脲的混凝土试块在经过600次冻融循环作用下，聚脲涂层没有任何破坏，混凝土性能也没有发生任何变化，仍完好无损。

李福海等［15］采用“快冻法”，对无涂层和喷涂聚脲涂层的混凝土在不同侵蚀溶液（蒸馏水、硫酸钠及硫酸钠与氯化钠混合溶液）环境下，进行了冻融循环测试，结果表明：上述溶液对混凝土的侵蚀破坏作用依次加强；而对喷涂聚脲涂层的混凝土影响不大，即聚脲涂层对混凝土结构的抗冻性具有很好的防护作用。

2.3 抗冲蚀磨损性

海水的冲蚀会对混凝土结构产生一定的冲击力磨损，使混凝土结构开裂，且冲蚀还会使表面保护层剥落，使海水中的腐蚀介质更容易渗入混凝土内部，从而加速了海洋环境下混凝土的破坏，因此研究涂层的防水性及耐磨损性对混凝土结构的防护有重要意义。

聚脲弹性体的结构以线性分子结构为主，具有很好的弹性和柔韧性，以及较高的延伸率和耐冲击性，对于长期处于水中的混凝土结构能起到很好地保护作用［16］。钟萍［17］利用冲蚀磨损试验机研究了纯聚脲涂层的抗冲蚀磨损性，试验结果表明：纯聚脲涂层比聚氨酯涂层具有更好的柔韧性、弹性及耐冲蚀性。

马红亮［18］经过试验表明：在高速水流冲刷磨损的环境下，喷涂有纯聚脲涂层的混凝土试件的磨损率较小，只有C60高强混凝土的6.5%。对于相同的高强混凝土，喷涂有纯聚脲涂层的试件的抗冲蚀磨损性远高于无涂层的试件。试验结果表明：纯聚脲本身的分子结构能有效地减缓海水对混凝土的冲蚀破坏。

2.4 抗老化性

在自然曝晒下，混凝土结构会出现老化现象，发生粉化，使其强度降低，更容易出现裂缝。在海洋环境下，混凝土结构更容易被腐蚀，因此研究涂层的抗老化性对混凝土结构的防护有重要意义。

黄微波等［19］通过试验表明：聚脲涂层在自然曝晒及紫外线人工加速老化后，力学性能变化不大，仍具有良好的防护效果。将聚脲涂层放入模拟海洋环境中进行曝晒及周期性地喷淋，试验结果表明：涂层没有任何起泡、脱落、开裂等现象。

李全德等［20］通过人工加速老化试验，采用宏观及微观手段，研究了聚脲涂层在加速老化环境下，不同时间段涂层的光泽度，以及表面、断面等微观性能变化，结果表明：在经过一系列的变化后，聚脲涂层仍保持较好的防护性能。

吕平等［21］通过户外曝晒老化试验和盐雾加速老化试验，分析了聚脲涂层的耐海洋环境老化性，结果表明：在海洋大气环境和户外盐雾环境下，聚脲涂层的光泽度、断裂伸长率及拉伸强度等性能均无太大变化，聚脲涂层具有优异的抗老化性。

3 应用实例

2011年7月，喷涂聚脲作为防护涂层，成功用于青岛海湾大桥主桥墩的承台上，并取得了显著的防护效果。作为海上工程，承台长期处于海洋环境下，并且承受涨潮及海浪对承台的冲击力，这些会加速裂缝的增大，对承台破坏比较严重。聚脲涂层作为一种新型高弹性、高强度的涂层，在很大程度上减缓了海洋环境对承台的冲击及磨损，阻止腐蚀介质的侵蚀。经过几年运行后，现场对涂层进行检测，聚脲涂层表面未见任何开裂破坏现象，仅表面色泽产生一定程度的变暗，光泽度下降［22-24］。

港珠澳跨海大桥作为珠三角环线高速的重要组成部分，所用沉管为混凝土沉管，因长期浸泡在海水中，受冲击荷载、腐蚀介质和海水压力等多种不利因素的影响，沉管表面需要有一定厚度的保护涂层。因聚脲优异的性能与便利的施工技术，被成功应用在大桥沉管隧道的施工缝处。经过不同时间段的验证，聚脲涂层未出现任何破坏现象，对混凝土结构起到很好的保护作用［25-26］。

海洋王国主题公园是珠海首个海洋类度假区项目，不渗透是满足该项目要求的首要条件，考虑到海洋动物因素，对施工的环保性及所用材料的耐磨性也有很高要求。张伶俐等［27］介绍了喷涂聚脲技术在该海洋馆中的应用，聚脲涂层很好地解决了抗渗、防水、耐磨、混凝土修补及与聚脲的粘合问题［27］。

综上所述，混凝土表面涂层是混凝土防腐最有效、最经济的防护措施，纯聚脲涂层在混凝土防护及抗老化等方面具有优异的性能，可以长期承受海洋环境耦合作用的影响。随着聚脲技术的发展，聚脲涂层对海洋环境下的混凝土防护起到重要的保障作用。

1 薛焕，金祖权，王晓杰.混凝土在海洋暴露过程中的氯离子渗透研究［J］.海洋工程，2015（5）：60-65.

2 肖佳，勾成福.混凝土碳化研究综述［J］.混凝土，2010（1）：40-44，52.

3 Su X P，Guo J H. Study on the Durability of Normal Strength Concrete under the Action of Salt Corrosion and Dry-Wet Cycles［J］. Advanced Materials Research，2014（919-921）：1 849-1 852.

4 郭范波，蓝强，王海龙.不同海洋环境下玄武岩纤维混凝土力学性能研究［J］.台州学院学报，2015（3）：43-47.

5 吕建福，李杰，莫照兰，等.海洋潮差区混凝土表面微生物16SrDNA分子鉴定［J］. 哈尔滨工程大学学报，2010（10）：1 386-1 392.

6 Arya C，Ofori-Darko F K. Influence of Crack Frequency on Re-inforcement Corrosion in Concrete［J］. Cement and Concrete Research，1996，26（3）：345.

7 黄泓嘉.海洋环境中氯离子侵蚀作用下混凝土结构耐久性试验研究［D］.湖南长沙：长沙理工大学，2013.

8 Silva R V，Silva A，Neves R，et al. Statistical Modeling of Carbonation in Concrete Incorporating Recycled Aggregates［J］. Journal of Materials in Civil Engineering，2015，28（1）：04015082.

9 杨林，葛海艳，吕平.喷涂聚脲涂层混凝土抗氯离子渗透性能的研究［J］.化学建材，2008（2）：23-25.

10 黄微波，马红亮，李志高.聚氨酯和聚脲涂层对混凝土氯离子渗透性的影响［J］.混凝土，2011（6）：94-96.

11 Li W，Jiang Z，Yang Z，et al. Interactive Effect of Mechanical Fatigue Load and the Fatigue Effect of Freeze-Thaw on Combined Damage of Concrete［J］. Journal of Materials in Civil Engineering，2014，27（8）.

12 Duan A，Tian Y，Dai J G，et al. A Stochastic Damage Model for Evaluating the Internal Deterioration of Concrete Due to Freeze-Thaw Action［J］. Materials and Structures，2014，47（6）：1 025-1 039.

13 李志高，马红亮，黄微波.聚脲提高海工和水工混凝土抗冻性研究［J］.大坝与安全，2010（5）：1-5.

14 庞玉坤，李志高，马红亮.聚脲涂层和环氧涂层对混凝土抗冻性的影响［J］.上海涂料，2009，47（9）：7-8，24.

15 李福海，赵人达，叶跃忠.冻融环境下混凝土抗侵蚀性能研究［J］.工业建筑，2010（6）：1-4.

16 王宝柱，刘培礼，胡松霞.喷涂聚脲弹性体在防水工程中的应用［J］.新型建筑材料，2009，36（12）：59-63.

17 钟萍.聚脲涂层体系及其摩擦学性能研究［D］.北京：机械科学研究总院，2009.

18 马红亮.海工混凝土纯聚脲防护涂层性能研究［D］.山东青岛：青岛理工大学，2011.

19 黄微波，谢远伟，胡晓，等.海洋腐蚀环境下纯聚脲重防腐涂层耐久性研究［J］.上海涂料，2013（4）：1-5.

20 李全德，孟惠民.人工加速老化对聚脲涂料防护性能的影响［J］.北京科技大学学报，2011（1）：71-75.

21 吕平，徐研，黄微波.不同硬段含量聚天冬氨酸酯聚脲涂层耐海洋环境老化性能［J］.腐蚀与防护，2008（3）：116-118.

22 李国栋.聚脲弹性体的合成及其耐磨性能的改进［D］.辽宁大连：大连海事大学，2015.

23 黄微波，向佳瑜，刘旭东，等.应用喷涂纯聚脲技术实现水工混凝土防护［J］.混凝土，2011（11）：138-140.

24 黄微波，谢远伟，胡晓，等.海洋大气环境下纯聚脲重防腐涂层耐久性研究［J］.材料导报，2013，27（6）：23-26.

25 张燕，邓智平，刘朝辉，等.聚脲在混凝土防护中的应用［J］.表面技术，2013（2）：116-118.

26 李海扬.港珠澳大桥混凝土聚脲防护技术应用的研究［D］.山东青岛：青岛理工大学，2014.

27 张伶俐，杨金鑫，廖昔虬.喷涂聚脲技术在珠海长隆海洋王国水池防水工程中的应用［J］.中国建筑防水，2014（2）：22-26.

Research Progress of Concrete Pure Polyurea Protection In Marine Environment

Sun Honggang，Lv Ping，Ju Tao，Li Yanlong
（Research Institute of Functional Materials，Qingdao Technological University，Qingdao Shandong，266033，China）

The importance of concrete protection in marine environment was briefly described. The influence of marine environment on concrete structure corrosion and the performance advantage of concrete pure polyurea protection in marine environment were analyzed. The application examples of concrete pure polyurea protection were listed，which indicated its remarkable protecting effect.

pure polyurea；marine concrete；protection

TQ 630.7

A

1009-1696（2017）01-0033-04

2016-08-03

孙宏刚，男，青岛理工大学土木工程系硕士在读。