钢筋混凝土表面复合涂层防护技术的研究进展

　　白书亚，晁兵，田云生，谢谦
　　
　　（中国矿业大学江苏中矿大正表面工程技术有限公司,江苏徐州221008）
　　
　　摘要：分析了当前钢筋混凝土表面复合涂层防护技术存在的一些问题，介绍了纳米改性复合涂层防护技术、热喷涂锌层阴极防护技术等涂层防护新技术的研究和应用情况。
　　
　　关键词：钢筋混凝土；防腐蚀；纳米材料；热喷涂；复合涂层
　　
　　1引言
　　
　　随着混凝土结构应用范围的不断扩展，其安全使用和耐久性问题也摆在了人们的面前。从20世纪60年代开始，混凝土结构耐久性问题已成为国内外科研机构重要的研究课题之一[1]。高质量混凝土和适当厚度的保护层是提高钢筋混凝土耐久性最重要和最基本的措施，但并不能避免钢筋混凝土腐蚀破坏的发生，保证其长期的耐久性，尤其是在重度恶劣的腐蚀环境下。因此必须对钢筋混凝土采取防腐蚀附加措施。美国混凝土协会（ACI）确认了4种钢筋混凝土保护有效附加措施：环氧涂层钢筋、钢筋阻锈剂、阴极保护和钢筋混凝土防腐蚀涂料。其中“底层+中间层+面层”的防腐蚀复合涂层技术已成为钢筋混凝土最有效最经济的防护措施，受到世界各国的高度重视和快速推广应用[2]。
　　
　　2表面复合涂层防护技术存在的问题
　　
　　2.1涂层的透气性及吸水性问题
　　
　　杨丽霞等[3]研究证明，有机涂层虽然将基材与腐蚀介质隔开，但并不是十分完善的阻挡层，有机涂料涂装后，因溶剂挥发而产生针孔及高分子链结构的微间隙，给水、氧气及其它腐蚀介质形成扩散通道，从而引起涂层下基材腐蚀的发生[3]；有机涂层中含有许多可溶性盐和一些亲水基团，涂层接触雨水（或江、河、海水）后会发生反应，在涂层内部形成液体的传输途径，含有氯离子的液体通过这些传输途径渗透到基材界面，在界面处发生腐蚀，形成原电池反应，最终导致涂层起泡、脱落失效[4]。付东兴等[5]研究说明，有机涂层起泡失效主要是由渗透压起泡、阳极起泡、阴极起泡、应力起泡、电渗透起泡等行为引起的，重防腐涂层甚至长效防腐复合涂层也存在类似问题。刘儒平等[6]将表面防护处理后的混凝土试样进行288h盐水干湿循环腐蚀试验，结果发现涂层附着力下降了3％～5%，高精度抗渗试验发现试样存在明显的渗水现象。由于混凝土中钢筋的腐蚀行为取决于其表面形成的具有保护性能的氧化物膜，钢筋周围自由氯离子的存在破坏了氧化膜并导致其局部击穿和腐蚀，当氯离子含量达到临界值时钢筋就开始腐蚀，这证明涂层的屏蔽性能十分重要。而混凝土碳化、氯离子侵蚀、酸雨腐蚀、氧和水的作用等腐蚀因素也正是因为涂料涂层的透气性、吸水性等方面存在缺陷而对钢筋混凝土结构造成破坏的。
　　
　　2.2涂层追随性问题
　　
　　裂缝是混凝土材料不可避免的，控制混凝土裂缝对混凝土结构的耐久性有着十分重要的意义。杨林德__等[7]研究发现，开裂及渗漏会加速氯离子迁移，促进钢筋锈蚀，钢筋起锈时间随裂缝深度的增加而缩短。目前钢筋混凝土防护涂装一般在底材处理后先使用封闭底漆、封闭腻子对混凝土表面及裂缝进行封闭处理，然后进行中涂、面涂施工。涂层的追随性反映涂层跨越裂缝的能力，显示出涂层在混凝土裂缝产生、扩大过程中仍然保持腐蚀防护作用能力的大小[8-9]。李伟华等[10]对涂料涂层混凝土裂缝追随性的研究表明：以环氧底漆、环氧中涂漆和聚氨酯、氟树脂面漆组成的复合涂层体系的追随性与其厚度密切相关。复合涂层厚度为100μm时涂层延伸量为0.81mm，200μm时为1.29mm，1000μm时达到3.40mm，其柔韧性也随厚度的增加而改善。混凝土显微裂缝和大裂缝一般在0.1～0.3mm，而受承载重力或因温度变化出现的裂纹可达到0.1～1.0mm[11]。复合涂层要经受日照、冻融、雨水、风浪等环境因素的影响，其追随性能将随涂层的使用年限逐渐下降，正因如此，上述复合涂层（总厚度为250～350μm）的预期寿命最高可达60年，目前实际设计寿命仅为10～20年。
　　
　　2.3涂层的耐久性问题
　　
　　有机涂层在阳光、盐雾、干湿交替以及冷热交替等因素的作用下，涂层体系会逐渐老化。世界各国均对钢筋混凝土防护涂料的耐久性进行了明确规定，如通常的面层涂料要求耐人工加速老化时间不低于1000h（JTJ275—2000《海港工程混凝土结构防腐涂层》），氟碳涂料则达到2500h（HG/T3792—2005《交联型氟树脂涂料》）。JTG/TB07-01—2006《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》要求防护涂层耐人工加速老化时间在3000h以上，被业内专家认为指标过高，一般户外涂料难以满足要求[8]。由此不难看出，目前钢筋混凝土防护涂料及复合涂层实际耐久性能存在的不足。

　　 　　2.4涂层耐重防腐环境综合作用问题
　　
　　处于重防腐环境下的钢筋混凝土其腐蚀环境复杂多样，如浪花飞溅区、潮差区等不仅经受海洋大气腐蚀，还有海水夹杂泥沙与海洋漂浮物的冲刷、气蚀、干湿交替以及异物意外撞击等的侵蚀[9]，其腐蚀级别分别达到E级和F级，该处混凝土最易出现氯离子侵蚀、涂层脱落、混凝土碳化、钢筋锈蚀等综合性腐蚀现象，其防护寿命最短，需要及时维护，甚至应采取设置防护挡板等其它额外保护措施。
　　
　　3研究进展
　　
　　1981年对华南地区18座近海混凝土码头质量调查发现，89%出现钢筋锈蚀损坏，一些工程使用不到5年即因梁、柱顺筋开裂而不得不进行维修。1984年美国洲际公路上56万座桥梁的一半出现钢筋腐蚀破坏，约16%属于严重失效。美国1998年因钢筋腐蚀的桥梁维修费达到1550亿美元[12]。工程技术人员在对高性能混凝土、环氧涂层钢筋、钢筋阻锈剂以及钢筋阴极保护系统进行开发应用的同时，也在钢筋混凝土涂层防护新技术上做了研究，如聚脲技术、厚涂涂料（一次涂装厚度1200μm）、玻璃鳞片重防腐涂料、水性涂料及高固体分涂料等，并取得一定的应用效果[13]，但并未从根本上解决传统有机涂层存在的诸多问题。
　　
　　3.1纳米改性涂料涂层技术
　　
　　将纳米粉体采用专利分散技术应用到传统的重防腐涂料中，取得了积极进展[14-16]。添加的纳米粉体呈均匀的分散状态，由单个或数个纳米粒子组成的纳米颗粒，其分散尺度绝大多数低于100nm（见图1）；纳米改性后的环氧封闭剂对热喷涂层、钢筋混凝土具有更加突出的渗透、封闭和附着性（见图2），纳米改性环氧封闭剂在钢筋混凝土上的附着力（拉拔法）超过6MPa，远优于现有的环氧封闭漆（2～3MPa）；纳米粒子填充到高分子树脂的架构中，形成相互链接（见图1b），能显著提高涂层的致密度、物理机械性能以及耐老化性能。测试表明，经过纳米改性的含氟聚氨酯面漆其耐候性完全能满足JTG/TB07-01—2006的要求，测试结果见表1。

　　表1纳米改性复合涂层与常规重防腐复合涂层主要性能对比
　　
　　

　　图1纳米改性涂料的TEM
　　
　　

　　图1纳米改性涂料的TEM

　　3.2钢筋混凝土阴极保护技术
　　
　　由于有机涂层先天存在诸多缺陷[2-3,5]，研究人员已开始尝试将热喷涂金属涂层技术应用于钢筋混凝土表面的长效防护。热喷涂技术问世已有100年的历史，目前已成为大型钢铁结构件长效防腐的首选方法，混凝土中的钢筋也已采用了这种防护效果突出的阴极保护措施[17]。土结构的阴极保护，纯锌被作为阳极涂层材料喷涂于混凝土保护面上。实际应用表明，在其保护下不仅混凝土钢筋没有出现任何的锈蚀现象，混凝土表面也没有剥落、断裂和起皮问题的发生。1997年德国GrillowerkeAG公司将电弧喷锌涂层技术与有机涂层技术结合起来，实现了在恶劣环境下混凝土结构的长久保护[19]。大量热喷涂阳极涂层在钢筋混凝土上应用的研究报告也证明，热喷涂锌层后能显著降低高湿度、低混凝土电阻率条件下混凝土内置钢筋的腐蚀[20]。另外，也可以将喷涂于混凝土表面的锌涂层与混凝土内部的钢筋相连，使它们相互连通导电，混凝土则成为电解质并形成原电池，不需要外加电流金属锌即可实现对钢筋的阴极保护[21]。试验报告说明，在纯Zn、纯Al、Zn-Al合金、Al-Mg合金、Al-Zn-Mg合金、Al-Zn-Sn合金、Al-Zn-In合金等热喷涂阳极涂层材料中，Al（20）-Zn-In（0.2）是最适合发展的合金阳极材料，它具有最低的阳极极化，在各种环境中都能保持相对活化的静电势。对照试验证明，电弧喷涂Al-Zn-In合金涂层可产生相对于纯Zn涂层更高更稳定的阴极保护电流，涂层附着力也相对提高[22]。随着水下电弧喷涂设备及电弧喷涂机器人技术的不断发展[23]，借鉴国外近10年的研究应用成果，性能优异、安全可靠的混凝土阴极保护技术将逐渐在国内重大钢筋混凝土工程中得到应用。而其与纳米改性有机涂层组成的超高性能复合涂层系统也给恶劣腐蚀环境下钢筋混凝土结构的腐蚀防护提供了更可靠的保证。

　　 　　4结语
　　
　　随着我国国民经济的健康快速发展及人民生活水平的不断提高，大型交通工程、城镇重要基础工程的设计寿命都要求达到100年，因为对钢筋混凝土的耐久性以及腐蚀防护技术均提出了更高的要求。应用实践说明正在改进发展的纳米涂料改性技术、热喷涂金属涂层技术尤其是二者相结合的应用技术将会是钢筋混凝土在恶劣腐蚀环境下较佳的防护选择。