沿海地区混凝土结构防腐技术应用分析

2022-06-09唐建政张振华刘卫卫孟文静

安徽建筑 2022年5期

唐建政，张振华，刘卫卫，孟文静

（济南市勘察测绘研究院，山东济南 250100）

1 引言

近年来我国沿海地区土木行业高速发展，对钢筋混凝土材料需求量越来越大，而其耐久性问题却制约沿海地区建筑行业的发展，逐渐形成矛盾[1]。尤其是沿海城市，空气中含水率高，水中往往存在具有腐蚀性成分，加速了其对钢筋混凝土结构的损坏，其破坏往往是不可逆的[2]。因此，加强对沿海地区钢筋混凝土桥梁的防腐技术研究，具有重要的社会意义和经济意义。

2 钢筋混凝土桥梁防腐技术现状

目前我国对于钢筋混凝土材料的防腐主要分为改变自身材料性质和借助附加措施[3]。自身材料性质措施主要为研发新材料、新技术，通过改变材料自身性质，在不影响材料力学性能的前提下，提高自身防腐性能。如选择高抗腐蚀性水泥、适当降低水灰比提高密实度抵抗腐蚀性物质侵入，添加防腐外加剂等措施。附加防腐措施主要是借助外部防护层，抵御恶劣环境中的腐蚀侵害，如在表面涂抹防腐层，主要有防渗透层、隔离层及覆盖保护层等，以聚合物和水泥基及树脂材料为主。在钢筋表面涂抹防腐隔离层，制成防腐钢筋，镀锌钢筋等，或采用玄武纤维新型钢筋材料。此外，钢筋的阻锈剂，属于特殊措施，主要指阴极保护，用于钢筋混凝土桥梁海水溅区及干湿交替等特殊区域的防腐措施。

目前现存桥梁的养护防腐措施主要为在混凝土表面涂抹防腐剂[4]。当前的防腐涂装材料发展迅速，据统计已有上千种，最早研制出的有机防腐剂已经不能满足多样化的工程需要，无机防腐剂及水性涂料已经广泛研发，并应用于市场。我国市面上用的最多的防腐材料为聚氨酯防腐涂料、聚合物水泥防腐涂料，复合水泥基及水泥基材料，近年来在市场上逐渐推广应用[5]。新型材料聚脲聚氨酯防水涂料，正在试用推行阶段，可能会成为未来的防腐方向，不过目前罕见于大型桥梁上。从技术层面上划分防腐材料类型，可以分为渗透型防腐和表面成膜型涂装防腐材料。渗透型防腐材料的代表为硅烷、永凝液，其特点为不影响建筑材料的外观，通过材料表面渗透到内部，阻止腐蚀性离子进入混凝土结构内部，进而腐蚀钢筋。国内大型桥梁应用硅烷防腐材料较为广泛，如香港的青马大桥、武汉阳逻长江大桥混凝土结构防腐材料采用的硅烷防护。混凝土结构表面成膜防腐技术是通过在钢筋混凝土结构表面上形成一层具有一定的抗拉和抗剪强度的防腐外衣，达到阻止侵蚀性物质进入钢筋混凝土结构中引起钢筋的锈蚀，该种防腐措施是当前国内普通桥梁防腐的主流措施，应用最为广泛，具有很多典型工程案例，如胶州湾跨海大桥[6]，混凝土结构表面成膜防腐技术，不仅能够采用物理隔离方式有效将混凝土结构避开腐蚀性介质，同时能够减缓混凝土自身氧化速度，起到双层保护作用。图1所示为添加保护膜以后的混凝土结构遇水效果。

图1 混凝土表面成膜技术防腐试验图

3 腐蚀性对混凝土耐久性的影响

根据近年来国际上因腐蚀导致的混凝土桥梁结构损坏统计数据，其对经济损失影响是巨大的，而且随着时间的推移混凝土结构的耐久性问题越来越严重[7]。据统计，美国在1975年因为混凝土桥梁结构腐蚀导致经济损失达到700多亿美元，到了1985年经济损失达到了1680亿美元，其中混凝土桥梁结构的修复花费达到1550亿美元。同样，在北欧、加拿大及澳大利亚等国家，都不同程度地受混凝土结构腐蚀性的危害，养护维修费用是非常昂贵的[8]。随着我国工业经济的发展，基础设施建设已经位居世界前列，混凝土桥梁结构随处可见，同样存在耐久性问题，尤其是在沿海地区及盐渍土地区，建国初期修建的很多大中小桥梁已经开始出现混凝土保护层脱落、钢筋锈蚀，个别地区出现垮塌，这与建国初期，公路工程发展落后，对混凝土结构的设计往往忽视耐久性设计方面有关。混凝土结构在海洋环境中，受影响因素主要表现为钢筋锈蚀、碳化，溶蚀作用及盐类侵蚀作用，海水冲击磨损。海洋环境中存在大量的氯离子，据统计大多数海洋工程中，氯离子对混凝土结构中的钢筋侵蚀破坏最为严重，混凝土结构的碳化主要是受二氧化碳影响导致。大量的工程案例分析，可将混凝土腐蚀破坏分为两个阶段：①初始阶段；②扩展阶段。初始阶段往往没有表现出任何的力学性质减弱或退化现象，但局部的保护层可能被侵蚀破坏；扩展阶段开始出现损伤，并逐渐加速扩大影响范围。图2为跨海大桥示意图，跨海大桥墩台常年处于潮湿及海水环境中，防腐工程是重要环节，不可忽视。

图2 跨海大桥示意图

4 典型防腐技术

目前防腐技术研究以试验为主，理论研究相对较少，将理论与实践结合，以实践促进理论发展正在成为近年来课题方向。本文对当前已经存在并相对成熟及正在试推广的混凝土防腐技术进行分析总结。

4.1 涂装防腐料

国内广泛应用表面涂抹防腐料方案，这种方法原理简单，操作方便，便于施工现场操作，不影响工期。这种防腐涂抹防腐系统，由底层、面层、面层组成，底层涂料对混凝土结构表面进行润湿，底层涂料有很强的渗透性、吸附力及耐碱性，主要有环氧封闭漆，分为普通型和后浆型，面漆主要有丙烯酸聚氨酯面漆及氟碳面漆，这两种材料具有很强的耐碱性。

此种方法，到目前技术已经比较成熟，应用广泛，性价比高，防腐周期当前是比较长的，一般性防腐涂料最少年限是30年，确保混凝土结构使用寿命不少于50年，因此，是当前主流防腐材料，但这种材料本身耐久性能不强，损坏后修复可能性较小，处理工艺复杂。

4.2 防腐添加剂有机硅烷

有机硅烷混凝土保护剂被广泛应用于各种钢筋混凝土材料的结构中，尤其是在环境非常恶劣条件下，使用高标号的混凝土效果明显，如沿海地区的港口码头，盐渍区的公路工程，以及温差较大的西北地区，都属于环境恶劣地区。硅烷目前是我国混凝土结构防腐规范里推荐的防腐材料。其作用机理是当硅烷与混凝土作用时，释放乙醇，同时与混凝土结合形成有机硅树脂聚合物，最终在混凝土结构毛细孔中形成憎水性的硅树脂膜，进而形成单通道毛细管在混凝土中，外界环境中的有害物质包括侵蚀性离子等不能通过孔隙进入到混凝土内部，相反混凝土内部的水分可以通过毛细管排到外界，起到了保护混凝土和内部钢筋的目的，据统计，新型有机硅烷材料可以延长钢筋混凝土结构寿命长达20年。

硅烷防腐剂从形态上主要分为两种：①液体浸渍剂；②膏体浸渍剂，而膏体浸渍剂的效果相对更理想一些，其技术性能指标见表1所示。

膏体浸渍剂技术指标表1

4.3 复合型防腐技术

对于多数使用单一添加剂或外加剂，存在多种局限性。专家学者开始尝试将多种添加剂进行组合，使其满足多种功能要求，比较典型的为有机与无机复合的新型混凝土防腐外加剂，简称JK-8，邓刚等进行了大量的试验研究，借鉴了国外先进技术经验及复合技术[9]。该种复合型防腐添加剂，主要提高混凝土结构自身密度、强度、减少缺陷、增强自身抵抗腐蚀性的能力，同时添加了阻锈成分，防止有害介质侵入等。

复合型防腐添加剂能显著提高混凝土结构的耐腐蚀能力，主要因素为添加剂中含有混凝土抗腐蚀组分，能有效提升混凝土抗腐蚀能力。添加剂中的引气及密实成分可有效排除混凝土内部空气，进而增强了混凝土强度及密实度，极大地减少了腐蚀性介质入侵途径，达到了混凝土自身抗侵蚀能力。同时，引气组分还有将大气泡引散为众多小气泡功能，众多的微小气泡能有效缓冲和抵消水结冰引起的混凝土结构体积膨胀造成的静水压力和冰水蒸气压力形成的渗透力，提升了混凝土结构的抗冻性能，降低了混凝土结构的渗透性，每种成分发挥各自的作用，形成功能叠加效应，极大提升了混凝土结构综合耐腐蚀性能。