混凝土防腐涂层的进展研究

唐占荣，叶海龙，康海平

(巴彦淖尔电业局，内蒙古 巴彦淖尔 015000)

混凝土由于其原材料丰富、价格低廉、生产工艺简便等特点，使其成为现代建筑中应用最广泛、使用量最大的建筑类材料，因此，如何提高混凝土的耐久性及使用强度一直是实际工程中的热点问题。由于混凝土在土木工程领域的大面积使用，因此不可避免的使其暴露在各种不可确定的复杂的使用环境中，因此其受到环境中诸如物理、化学、生物等综合因素的影响，根据使用环境对混凝土进行合理的设计，并按要求进行养护维护，可极大地增加混凝土的使用寿命，然而在实际的应用过程中会存在各种如环境条件恶劣，设计不合理、施工不到位等问题，从而使混凝土的使用寿命急剧降低[1]。大量工程案例证明，混凝土的耐久性不足会对工程产生难以估量的损失，并导致严重的社会问题，因此，有效可靠的提高混凝土的耐久性及强度对基础设施的建设及社会经济的稳定有至关重要的意义[2]。

1 混凝土腐蚀因素

由于混凝土的结构复杂且不均匀，因此，在微观层面，混凝土其实是具有大量微小细孔结构的材料，腐蚀因子非常容易就可以进入混凝土内部，对混凝土结构造成不可逆损坏[3]。

1.1 物理腐蚀

混凝土内部具有丰富的孔洞结构，该孔结构主要由毛细孔、大气孔、凝胶孔构成；环境中的水分子会轻易地进入混凝土的多孔结构中，在我国北方地区，在冬季最低气温会降到零摄氏度以下，这会导致进入混凝土孔结构中的水分结冰，体积变大；随着温度的升高，结冰又会融化，因此，水分子在混凝土内部就会发生冻融变化[4]。冻融损坏是混凝土腐蚀的主要因素。冻融过程十分复杂且与混凝土的材质有着密切的关系，并且与外部环境也有很大关系。冻融损坏其实就是混凝土在饱水状态下混凝土孔隙微裂缝中的水在正负温度的变化下冻结与溶解的过程，在这个过程中混凝土中的水会产生渗透压，使水分携带着有害离子进一步进入到混凝土的内部造成进一步的损坏；同时水凝结成冰的时候体积变大，会在混凝土内部孔隙缝隙中产生很大的压力，多次冻融后会导致孔隙及缝隙进一步发展扩大，形成较大的缝隙进而使得混凝土的受力减小，导致混凝土破坏[5，6]。并且混凝土的腐蚀是综合因素，冻融扩大混凝土缝隙后，导致其他有害离子进入混凝土内部加速了混凝土内部及钢筋的腐蚀，钢筋与腐蚀因子反应生成的腐蚀产物具有更大的体积，会进一步增大混凝土内部压力，导致混凝土开裂，使其强度及耐久性明显降低[7]。

1.2 化学腐蚀

由于混凝土的服役环境复杂，因此，环境中含有的各种腐蚀因子都有可能对其造成腐蚀。在酸性条件下服役的混凝土，硫酸根离子对混凝土的破坏被很多学者认为是最重要的化学腐蚀因素。氯离子是腐蚀混凝土最常见的离子，氯离子腐蚀混凝土主要是与其他因素协同反应。碳化腐蚀主要集中在二氧化碳浓度高且湿度较大的环境中。

1.3 生物腐蚀

微生物对混凝土的腐蚀影响非常复杂，水中的微生物繁殖代谢生成的代谢产物会对混凝土产生腐蚀作用，微生物代谢生成的有机酸、无机酸会与混凝土中的碱性水化物发生中和反应，同时伴随着发生一系列复杂的生化反应，对混凝土进行腐蚀。

混凝土的腐蚀往往都是多因素条件下产生的，多数学者研究了双因素以及三因素的影响规律，通过多因素实验找到对混凝土腐蚀的主要因素，为混凝土防腐找到更好的解决办法；但综合大部分学者的研究成果发现，腐蚀的主要因素还是由于腐蚀因子透过混凝土表面进入混凝土内部，造成混凝土的腐蚀，因此有效的阻隔混凝土腐蚀因子的进入是混凝土防腐蚀的有效手段。

2 混凝土防腐蚀涂层

目前，提高混凝土耐久性减少混凝土腐蚀的方法主要有两种，一是向混凝土内部添加各种提高其稳定性、材料致密程度的材料，改良其内部结构，还有一种是向混凝土表面添加防腐蚀涂层，使其与外界隔绝，起到防护的作用[8]。第一种防护措施有其局限性，①混凝土是一种多孔结构的材料，添加剂的加入不会改变这一状态；②添加剂的加入有可能会影响混凝土的强度。而第二种在混凝土外表面涂刷防腐涂层拥有操作简单，效果明显等特点，被广泛使用到实际生产中。目前，混凝土防腐涂层主要有表面成膜型涂料与渗透型涂料以及二者结合的复合型涂层为主。防腐涂层的特点是在混凝土表面形成一层有效的可以隔绝环境中腐蚀因子向混凝土内部渗入。

2.1 有机成膜型涂层

常见的有机成模型防腐涂层有环氧树脂涂层、丙烯酸酯涂层、聚氨酯防腐涂层、高氯化聚乙烯防腐涂层等。

环氧树脂涂料是一种利用环氧树脂作为成膜物质，在固化剂、催化剂等的参与下，交联固化反应形成的一种具有三维网状结构的树脂材料，其具有稳定性好、黏合作用力大、体积稳定性好、耐化学腐蚀等优点。赵志军[9]利用化学接枝技术，将环氧树脂利用含有亲水基团地对氨基苯磺酸改性，制备出成膜性能优良且性质稳定的水性环氧树脂涂层乳液；Yang等[10]自制了新型无溶剂环氧树脂涂层材料，并利用海洋仿真模拟设备进行了检测，结构表明，该涂层具有优良的抗侵蚀性、物理力学性能以及水解稳定性，且具有绿色环保的优点。黄君哲[11]测试了环氧树脂涂层防护氯离子渗透的性能，结构显示，该涂层有效地降低了氯离子对混凝土的腐蚀性能。Hassan[12]利用快速扩散实验模拟现实环境中氯离子对混凝土的渗透能力，结果表明，环氧树脂涂层具有良好的抗氯离子渗透的能力，并且有研究表明，环氧树脂涂料的耐酸性能明显优于聚氨酯防腐涂料；石亚军等[13]研究人员通过优选高性能的水性环氧树脂和固化剂，研究了不同配比下不同反应体系下涂层的性能，并确定出该涂层的最佳配比及最优用量。

丙烯酸树脂涂料是以丙烯酸树脂为主要涂层组成部分，加入如耐候填料、耐候添加剂等，经过先进的工艺制备成单组分防腐涂料，其中丙烯酸树脂是以丙烯酸酯、苯乙烯等乙烯基类单体为主要原料聚合而成。丙烯酸涂料分热塑性和热固性两种，其中热塑性涂料由热塑性树脂、溶剂、填料、颜料及其他助剂组成，当溶剂挥发后自然呈现光滑平整的漆膜。热塑性涂料的性能由所用单体及单体的分子量、配比、分布决定。热固性涂料指结构中原有的官能团和制漆过程中加入的环氧树脂、聚氨酯、氨基树脂中的官能团反应而形成的网状结构。在这个过程中，侧链官能团和外加官能团相互反应交联成膜，改变了原有结构的性质，使其具有较高的固体分，涂层坚实、抗磨，防腐性能较好[14]。热固性丙烯酸涂层是通过官能团的反应和溶剂的挥发交联固化成膜的，其分子量比热塑性丙烯酸树脂低，但固体含量比热塑性的高，可选择的溶剂种类更多，成膜后具有更好的光泽和耐溶剂性、耐化学侵蚀及抗黏着性，因此其应用更为广泛[15]。

聚氨酯由羟基化合物和单体物质异氰酸酯聚合而成：①聚氨酯由双组分聚合在一起交联形成的保护膜，分子结构间间距小、距离整齐，外界环境中的水和氧气很难侵入混凝土结构中，在盐类溶液和石油中不会溶解，抗腐蚀能力强。②涂层密实、完整，无针孔、无裂缝、无气泡，水蒸气的渗透系数小，在防水的同时还有隔绝气体进入的功能。③涂层中的高分子物质可以深入混凝土表面的缝隙中，追随性强，与混凝土表面的黏结能力强，在有水的情况下仍具有较好的附着性。涂层的韧性较好，当基层出现伸缩和开裂时仍具有较好的吸附性，抗拉强度高。耐候性好，低温环境中不易龟裂，高温环境中不易流淌，具有较好的抗老化能力，耐磨、耐油、耐臭氧、耐酸碱腐蚀[17]。

2.2 渗透型防腐涂料

渗透型防腐涂料主要是以分子结构较小的硅烷及硅氧烷类的涂料为主，其分子直径一般在1nm～7nm之间，并且拥有较小的黏度，因此可以很好地渗透到混凝土的空隙中，对混凝土的空隙进行很好地封闭。Christodoulou等[18]利用硅烷涂刷正在服役中的混凝土材料，并进行追踪，发现在使用20年后，该混凝土依然具有良好的疏水性能，Basheer等[19]研究发现，涂刷了硅烷类涂料的混凝土，其冻融循环次数增加了一倍以上，Buenfeld[20]等利用硅烷类涂料涂刷混凝土，发现涂刷后的混凝土抗氯离子明显提升了1～3个数量级。

然而由于硅烷类的涂料反应活性低，因此其只能在混凝土的空隙内壁成膜，但是不能很好地封闭孔隙，该涂层材料不会阻止空气中二氧化碳进入孔隙，因此不具有良好的抗二氧化碳性能，混凝土在二氧化碳浓度高的地区服役的防腐效果不明显[21]；并且研究表明，在具有一定水压的服役环境下，硅烷类防腐涂层的抗氯离子性能明显降低，这是因为在较大的压力下，氯离子可以进入混凝土孔隙中；在混凝土拥有较低的孔隙率时，硅烷类防腐涂层的效果就不是特别明显，因为其主要的机理就是渗入混凝土的孔隙中，对混凝土进行防腐保护，当混凝土的孔隙率较低时，其不能渗入孔隙中，因此防腐效果不明显[22]，硅烷类防腐涂层对水性腐蚀因子有较好的防腐效果，但是不能很好地阻隔油性分子在其表面的渗透。

3 结束语

混凝土作为土木工程领域最主要的材料，在服役期间主要受到环境中的物理腐蚀、化学腐蚀及生物腐蚀，为防止其被腐蚀，增强其耐久性，研究人员研究发现在其表面添加防腐涂层是行之有效的方法，目前主要的混凝土防腐涂层有渗入型与表面成膜型防腐涂层；在考虑混凝土服役环境的差异选择适宜的防腐涂层对增强混凝土的耐久性是有重要的意义。