混凝土新型表面防护材料研究进展*

霍 丽，刘雪丽，李梦杰

(郑州工程技术学院，河南 郑州 450006)

混凝土材料广泛用于高速公路、码头、厂房、民用建筑，作为重要的结构材料具有应用广泛、使用条件复杂的特点。随着混凝土日益广泛使用，问题也随之出现，其中最突出的问题是耐久性问题。所谓混凝土的耐久性是指混凝土在使用过程中抵御外部环境介质侵蚀，结构和外观不被破坏，能够保持混凝土结构安全正常使用的能力。目前，提高混凝土耐久性研究主要包括在设计和施工过程中采取的预防措施和在服役阶段采取的耐久性修复措施。前者如改善水泥熟料矿物组成、采用外加剂、正确合理设计配合比、提高密实度、提高抗渗性等。后者主要采用修补和表面防护的方法。

混凝土表面防护材料主要功能是通过图、刷等方式在混凝土表面形成一层涂层，阻止空气中的氧气、水和盐类介质向混凝土中渗透和扩散，延缓混凝土性能劣化和钢筋锈蚀。由于混凝土结构广泛应用于梁、板、柱、地面、内外墙、贮槽、地下管道等场合，相应的混凝土表面防护涂料品种也非常多[1-5]。

1 混凝土防护材料研究现状

混凝土表面防护材料按照成分不同，可进行以下分类。

1.1 无机防护材料

在工程实践中无机防护多用于多用于“内”防护，也就通过掺杂的方式在混凝土施工过程中加入。“内”防护常用的方法有[6]：(1)改变矿物熟料组成，使用性能上更加优良的水泥品种；(2)掺用高效减水剂、引气剂等外加剂及硅灰、磨细矿渣等掺和料；(3)正确设计混凝土的配合比，仔细选择骨料集配并在工艺上采取措施提高混凝土密实等。对处于氯离子腐蚀环境下的钢筋混凝土采用的措施还包括提高混凝土保护层厚度、应用阻锈剂、阴极保护及使用环氧涂层钢筋[6]等。以上“内”防护防护方法具有局限性，只能用于新建或拟建设混凝土结构。上世纪八十年代以来，我国大量进行基础建设，如高速公路、深水码头、水库大坝、城市立交、商厦、居民建筑等大量已建成的混凝土结构的维修保护无法起到作用。近年来，研究用无机防护涂料对已建成混凝土结构材料进行维护保养。

混凝土结构根据使用场景的不同，应具有一种或几种防护特性。比如对寒冷地区，混凝土结构除冻融剥蚀是其主要破坏方式，引起冻融破坏的因素，除了低温及施工因素外，水汽的侵入是主要因素。因此在这种环境下防止水的侵入是非常重要的。

引起混凝土中钢筋锈蚀的因素很多，但是大量事例指出“氯盐”核心破坏因素。氯盐向混凝土内部渗透是靠水作为通道。因此，防止水的渗透也是房子氯盐引起混凝土钢筋锈蚀的重中之重。

传统的混凝土防护方法，现场施工工程量大，施工条件艰苦，难以做到大面积养护，近年来，混凝土表面保护材料近年来发展十分迅速。一部分是以水泥基材为主的，加入一些添加剂，用改善砂浆或混凝土密实性的方式来改善水泥混凝土的耐久性能[7]。无机混凝土保护涂层物理方式和化学方式两种方式起到防护作用。物理方式是利用无机混凝土保护涂层自身成膜来屏蔽腐蚀介质进入混凝土的内部，这种方式的混凝土保护涂层的效用跟形成的膜的性质密切相关，膜性质的好坏将直接影响混凝土耐久性的优劣;另一种方式为化学方式，是指无机混凝土保护剂渗入混凝土内部，与水泥石孔隙中的水泥水化产物发生复杂的物理化学变化生成新的物质，新生成的物质堵塞腐蚀介质进入混凝土内部的通道，从而有效阻止腐蚀介质的渗入。

1.2 有机防护材料

有机防护材料主要是各种聚合物，按其成分不同可分成传统聚合物材料、改性聚合物材料、疏水浸渍材料。

1.2.1 传统聚合物材料

传统聚合物材料是利用防护涂层自身成膜来阻挡腐蚀性介质进入混凝土，这种涂层方式的混凝土防护效果与树脂固化形成膜的性质密切相关，膜的性质优劣直接影响混凝土的耐久性。环氧树脂、丙烯酸酯和聚氨酯是最常见的传统防护涂料，具有较好的耐久性和防护性能。但环氧类树脂耐较差的耐紫外线性能、较大的固化收缩比，丙烯酸酯类与混凝土结合力差，聚氨酯主要原料异氰酸酯对人体有害等不利因素限制了传统树脂类防护材料的应用。

文献[8]从混凝土防水性、氯离子扩散、耐化学侵蚀等方面考察了环氧树脂、丙烯酸酯和聚氨酯的防护性能，发现环氧树脂和聚氨酯材料做防护涂层对提高混凝土的耐久性最佳。

1.2.2 改性聚合物材料

传统聚合物材料破坏方式主要有四种[9-11]：鼓包、裂缝、孔洞和剥落。通过改性聚合物涂料可以明显提高涂层的强度、、弹性模量、耐腐蚀性能、耐热性能，并且可以提高抗渗性和阻燃性。可通过纳米改性聚合物改善成膜性能，但对于纳米改性聚合物涂料在混凝土表面防护领域的应用研究较少[12-13]。

聚合物改性水泥基材料是常见的混凝土表面防护材料，以传统聚合物材料环氧树脂、丙烯酸酯、聚氨酯与水泥基材料以及高纯度集料混合而成，实际是无机和有机混合材料。文献[11]阐述了该类材料通过聚合物将水泥基材料聚合成网络、填充水泥基材料缝隙孔洞，增强水泥基材料自愈合性能、改善涂料的防紫外线性能提高涂料的成膜性能。

1.2.3 疏水浸渍材料

疏水浸渍材料是通过混凝土的多孔结构进行渗透，并增大材料表面接触角，当接触角>90°时，混凝土表面即为超疏水表面。经浸渍处理后的混凝土表面可以阻止水和有害离子的水溶液进入混凝土内部造成混凝土的裂化，同时可以保证水蒸气自由进入混凝土。

硅烷、硅氧烷或者两者的混合物是常用的疏水浸渍剂。硅烷和硅氧烷较小的分子量可以使之能渗透到混凝土表面下3～20 mm，分子链上的硅烷具有憎水性，降低材料表面张力。涂布量、基材强度、混凝土的水胶比、混凝土的湿度以及硅烷种类都会影响渗透深度[14-16]。

2 新型混凝土表面防护材料

在恶劣环境下，一般的混凝土防护材料无法满足使用条件，目前具有综合性和环保性的新型防护材料研究不断进展，下面介绍几种新型防护材料。

2.1 玻璃鳞片参合聚合物涂层材料

在传统聚合物材料里参合极薄的玻璃鳞片，通过涂刷、高压无气喷涂等方式厚涂在混凝土表面。由于玻璃鳞片具有耐久性、抗腐蚀性、固化收缩比小、抗渗透性等优点，在各种恶劣环境下得到广泛应用，特别是近年来在海工领域得到广泛应用。贾梦秋等[17]对其耐久性能进行了研究，结果表明：参合玻璃鳞片的聚合物材料比不参合的 聚合物材料的耐久性、抗腐蚀性提高，同时具有抗冲击性和抗剥离性，可有效抵御海浪等冲击剥离。

2.2 水泥基渗透防护材料

水泥基渗透防护材料是以水泥基材为主的，加入一些添加剂，用改善砂浆或混凝土密实性的方式来改善水泥混凝土的耐久性能，如西佩克(XYPEX)、克塞佩克斯、韩国的水牛防水剂以及德国的KOESTERNBI系列产品等，还有我国的雪佳等产品。这类材料是由于混合物中的化学药品在混凝土孔隙和毛细孔中形成许多分支的晶须，这些晶须会在各个方向上填实混凝土结构，以阻止水分和其他液体的渗入。具有良好的透气性，可以阻挡水分子但不能阻挡空气分子的透过，在广泛范围内不受弱酸性物质、碱性物质的侵袭，能防止冻融循环对混凝土的破坏，并对钢筋起保护作用。这类材料在国际上享有“生物水泥”的美称。郑敏升[18]研究了该类涂层材料发现涂层具有良好的耐久性、抗腐蚀性、抗氯离子渗透性，可广泛应用于海工、盐碱、高寒等环境混凝土结构建设中。

2.3 新型有机硅防护材料

陈少鹏[19]，李柯[20]，党俐[12]等分别探索了用有机硅改性环氧树脂、丙烯酸酯合成新型防护材料，发现通过有机硅改性的材料具有良好的耐久性、抗渗透性以及透气性，具有良好研究前景和探索价值。有机硅类通常是指含有Si-C键的化合物，有机硅材料的表面能低，且能够渗透到混凝土内一定深度，使得混凝土表面与水的接触角增大，甚至可达到105°以上。用于混凝土防护的有机硅类材料通常含有Si-O键，Si-O键可以和混凝土形成Si-O-Si键，牢固附着于混凝土表面，硅和氧的电负性差异大，接近于离子键，键强大，不易离解从而赋予它耐热、抗氧化、耐辐射等性能。

通过阻止水的渗入和迁移，有机硅材料可以有效提高混凝土的耐水性、耐盐腐蚀性能和抗冻融性能。进而提高混凝土结构的耐久性。有机硅防护涂料产品通常以烷基/烷氧基硅烷、硅氧烷、烷基硅醇盐和含氢硅油等为主要活性成分，按照组成形式不同，有的由100%的活性物质组成，有的由活性物质按一定比例溶入溶剂组成。有机硅类涂料品种繁多，主要可分为溶剂型有机硅涂料、水性有机硅涂料、改性有机硅乳液和硅烷类等。

2.4 自修复涂层材料

自修复涂层材料是指涂层遭到破坏后能够自动修复的材料。自20世纪90年代提出以来，其研究方兴未艾。从材料修复机理看主要有添加剂修复和本证修复两种。王桂明[19]研究制备了化学转换型水泥混凝土裂缝自修复材料(CCSM)，并研究其对裂缝修复的作用机理。研究表明，CCSM可显著提高水泥基材料的抗渗性和抗压强度。CCSM主要是通过化学物质扩散渗透到混凝土内部，借助化学转换作用来提 高混凝土的抗渗性，并赋予混凝土自修复功能。

3 结 语

混凝土作为人类社会发展至今最重要的建筑材料，广泛应用于房屋、桥梁、铁路、机场、地下管廊等重要的人类活动场所。对混凝土的防护是一种非常重要又缺乏系统研究的领域据不完全统计，我国2018年人均拥有混凝土的数量达到6 m3，可以说，我们的生活已经和混凝土密切关联而且不可或缺。随着混凝土结构材料耐久性研究的深入，对混凝土表面防护材料研究日益受到重视，提高混凝土防护材料防护性能，环境友好性，降低防护造价对提高我国混凝土结构防护水平以及混凝土机构安全运行具有重要意义。