硅酸锂防腐材料在桥梁混凝土中的应用研究

谢平，胡凯

（江西省公路工程监理有限公司，南昌 330013）

1 引言

桥梁结构作为交通基础建设的关键工程，其混凝土结构受各种气候环境因素综合影响，容易出现粉化和剥落、砂石外露和钢筋锈蚀等劣化现象[1-3]。桥梁混凝土劣化现象常发生于滨海[4]和酸雨污染[5]等地区。近年来，国内外学者针对混凝土劣化机理和防腐技术进行大量探讨研究。混凝土劣化机理方面，李荣涛和Christopher[6]指出，氯离子渗入混凝土结构内部，破坏钢筋表面钝化膜保护层，引起钢筋锈蚀，同时锈蚀产物挤压混凝土膨胀变形开裂；关博文等[7]指出，硫酸根离子与碱性混凝土发生化学反应生成钙矾石，当硫酸根离子浓度达到一定程度时，与氢氧化钙产生石膏，导致混凝土体积膨胀变形，影响结构使用寿命；空气中二氧化碳与混凝土中的氢氧化钠反应，破坏钢筋表面钝化膜，同时其化学产物引起混凝土的膨胀变形[8]。除此之外，冻融和干湿循环[9]也是造成桥梁混凝土劣化的主要因素。混凝土防腐手段主要通过喷洒、涂刷防腐涂层，在混凝土表面形成钝化保护膜，以延缓有害介质渗透到混凝土内部，达到防腐效果。防腐涂料品种繁多，按照成分不同，可分为无机物防腐涂料、有机物防腐涂料和混合类防腐涂料[10]。传统防腐涂料性能和应用范围具有一定的局限性，如环氧涂层耐磨性、光泽、耐化学品性好，但耐候性、耐高温性、抗划伤性能均较差，因此，研究开发用于新型防腐涂料成为混凝土材料研究的一个热点。目前，主要使用的新型混凝土防腐涂料中，有机涂料存在不耐紫外线、耐受寿命短、制造和使用存在一定污染的缺陷；表面渗透型涂料，如硅烷系，防护层薄，在防止中性化、脆弱部位固化、细微裂痕修补等方面存在缺陷[11]。

基于上述研究现状，本文以某高速公路为例，探索新型硅酸锂防腐材料在桥梁混凝土中的应用成效，以期为后续研究提供支撑和参考。

2 工程概况

某高速公路全长142.8 km，项目投资总额约200 亿元，设计速度100 km/h，路基整体宽度33.5 m。

该高速公路地处亚热带丘陵山区湿润季风气候区。春夏降水集中，热量丰富，雨量充沛，全年平均相对湿度80%，极端最大相对湿度100%。且沿线地处某水系河流中下游，水系发达，江河纵横。因此，要特别考虑混凝土的抗渗性能。

另外，该区域地处全国酸雨频率高、酸雨污染较为严重的地区之一，被国务院列为国家“酸雨控制区”。主要是大气中SO2与水发生化学反应，生成亚硫酸和硫酸导致的硫酸型酸雨。其次是工业排放和机动车尾气引起硝酸型酸雨。因此，该施工对象还应充分考虑混凝土的抗化学腐蚀性能。

最后，该地区高温（最高温度30 ℃以上）及高湿（平均湿度60%以上）条件还可能加速混凝土的碳化和内部钢筋的电化学腐蚀。所以，在桥梁新建阶段就应预见性地考虑混凝土的抗碳化性能。

3 硅酸锂防腐材料特性

3.1 材料特性

本次施工选定的材料为硅酸锂防腐材料A 和B，材料特性如表1 所示。硅酸锂防腐材料A 的作用原理为：通过与水汽结合从混凝土表面快速渗透，与混凝土中的CaO 或Ca（OH）2反应，生成永不溶水的无机C-S-H 凝胶，堵塞混凝土内部的毛细缝隙，且作用渗透深度可以达40 mm 以上；同时，可增强混凝土的密实度，增强表层的强度15%以上，并赋予碱性，防止混凝土提前中性化；全面阻隔水和其他侵蚀物质进入混凝土内部，从而提高混凝土的抗渗性能和耐化学腐蚀和防止提前中性化（碳化）性能，最终实现桥梁的长期耐久使用目的。

表1 硅酸锂防腐材料特性

硅酸锂防腐材料B 的作用原理为：将硅酸锂防腐材料B直接涂抹和喷洒到混凝土表面后，即可以在与材料A 完美结合的基础上进一步巩固和加强混凝土表层部的密实度，又起到高效的表面防水效果，在水压0.5 MPa 的环境状态下也能保持稳定的防水和防霉效果。

硅酸锂混凝土保护材料是无色无味无机环保材料，保持混凝土原貌，有利于桥梁养护人员肉眼观察和点检。

3.2 与其他防腐材料对比

3.2.1 与硅烷系列对比

在短期加压条件下，硅烷是一种物理封闭的薄膜状态，如果用在梁体上，梁体的微小变形就会拉裂，使梁体产生裂纹，最终失去防止表水渗入的作用。但硅酸锂防腐材料与梁体是分子级的化学结合，在梁体内渗透深度达40 mm 以上，在混凝土内形成C-S-H 凝胶防水透气。

涂抹硅酸锂防腐材料的梁体分子间的致密性会有一定幅度的提高（30%左右），在梁体有限变形的条件下不会拉裂，是硅酸锂防腐材料与绝大部分硅烷产品的差异所在。

3.2.2 与水泥基与硅酸盐系列比较

水泥基系主要是用作防水，对于表面的面貌有很大改变，并且生成物是钙矾石晶体，很难控制反应，容易反应过大造成裂痕扩大，进而造成后期渗水漏水严重。渗透浅，生成物质易溶水，耐久性低，容易引起混凝土内部碱骨料反应。

硅酸锂防腐材料结合了硅酸盐系材料的优势，采用自然界存在的成分，对人体和环境无害，没有紫外线劣化，快速渗透并且有长期耐久性，成功克服了其他硅酸盐系屏蔽裂痕的物质易溶水的弱点，保持长期效果的耐久性，并且有抑制碱骨料反应（劣化）和中性化（碳化）的效果。

4 施工工艺及效果

4.1 工具

1）清洗工具：清洗混凝土需用到高压水枪、硬毛墙刷。

2）施工工具：涂刷防腐材料用到工具有手动加压喷雾器、电动肩背式喷雾器及细节涂抹用毛刷。

4.2 施工步骤

1）高压冲洗混凝土表面附着的尘土和污渍，并使混凝土表面呈湿润状态。

2）确认表面为湿润状态（观察颜色）。根据施工条件，选用刷子或喷壶等工具涂刷（见图1）硅酸锂防腐材料A。若涂抹前发现混凝土表面的湿润色（略深于混凝土干燥状态的颜色）消失，可再次喷水，确保涂抹式时混凝土表面为湿润状态。A 涂抹标准使用量：150 g/m2。

图1 喷涂硅酸锂防腐材料

3）确认表面为干燥状态（观察颜色）。确认表面干燥状态（水分量为10%以下），选用刷子或喷壶等工具涂刷（见图1）硅酸锂防腐材料B。在容器中充分搅拌原液，按照标准涂抹量100 g/m2，将B 的原液均匀地喷洒或涂抹在构造物表面。

4）涂抹完成后30～60 min，将表面残留物擦拭干净。

4.3 效果

在本高速公路工程中，硅酸锂防腐材料主要用于桥梁下部结构中，主要有以下优点。

1）施工简便：采用直涂型液体，无须专业培训，工人可以迅速掌握和按照流程进行施工。

2）适用性强：新建和已建混凝土构造物都可以使用，适用范围广。

3）环保耐久：硅酸锂防腐防裂涂装材料属无机材料，对人体和环境无害，无紫外线劣化，具有长期耐久性。

4）抗裂延寿：可减少新建混凝土构造物常发生的早期裂痕，屏蔽已建混凝土的裂痕内部，防止水和盐化物的侵入，有效延长已建构造物的寿命。

5）表层补强：可强化混凝土表层的纤密性，提高混凝土构造物表面强度15%～20%，赋予混凝土表层碱性。

6）利于养护：材料透明无色的特点，可以保持混凝土构造物原貌，有利于养护人员观察和确认养护对象的健康状况。

7）疏水美观：涂装完成的混凝土外观色泽较好（见图2），混凝土表面抑制劣化的同时具有良好的疏水性能，对受高温高湿气候环境影响的混凝土构造物保护效果显著。

图2 硅酸锂防腐材料涂装效果

5 结语

综上所述，硅酸锂防腐材料，满足该高速公路使用桥梁结构混凝土的抗渗、抗化学腐蚀和抗碳化性能，且施工简便、外表美观、利于养护。但我国幅员辽阔，气候环境复杂，混凝土在不同的环境条件下表现的劣化现象不同，这对防腐材料的性能提出了新的要求，防腐材料的研究任重道远。