渗透型混凝土保护剂的应用

渗透型混凝土保护剂的应用王雨，丁高升，张桂媛摘要：分析混凝土结构腐蚀过程及几种常见保护方法的优缺点，介绍采用硅烷浸渍法进行混凝土结构保护的产品性能、施工工艺、检测方法及其意义。关键词：混凝土结构防腐；硅烷；浸渍渗透；吸水率；氯离子降低率中图分类号：TU57+2文献标识码：B文章编号：1001-702X（2008）03-0069-040引言据统计，我国现有混凝土建筑面积达50亿m2，其中约23亿m2需分期分批进行鉴定加固和维护，近10亿m2急需维修加固。我国建国初期的建筑均已达到必须大修的状态，现有大多数工业建筑不能满足安全使用50年的要求，一般使用25～30年就需大修和加固。如天津新港的防波堤，采用普通混凝土的部分，经十几年左右的运行，就被冻融破坏以致不能发挥作用。地处寒冷地区的水电站、工业厂房、铁道桥涵、混凝土路面、桥梁及市政工程等的混凝土，接触雨水、蒸汽的部分，排水系统及受渗透水作用的部分，都受到了冻融破坏，如通辽发电厂的冷却塔，混凝土筒壁由于渗水致使混凝土遭受冻融破坏而发生表皮剥落、空鼓等现象。为使上述及类似工程继续发挥作用，各部门每年都要耗巨资加以维修，根据以往经验，混凝土工程安全使用期和维护使用期的比例为1∶（3～10），但维护使用期的维修费用却高达建设费用的1～3倍。我国南方海港浪溅区钢筋混凝土建筑物由于以往设计标准偏低和施工质量问题，通常使用8～10年即出现因氯盐腐蚀钢筋引起的开裂剥落破坏，由此造成的直接、间接经济损失惊人。例如某10万吨级矿石中转码头，使用不到10年即要大修，大修防护费用预计高达上千万元。我国北方如北京、天津等地的部分钢筋混凝土立交桥，使用时间不长，部分已出现钢筋锈蚀和混凝土开裂的迹象，并日益加重。专家预计，21世纪初，我国将出现混凝土结构物的维修高峰，每年所需的维修费用可能高达数千亿元。由此可见，水泥混凝土材料给我们带来安居方便的同时，本身也暴露出许多问题，这引起有识之士极大关注和重视。国内外大量破坏实验和使用实例证明，在设计强度足够的情况下，混凝土结构仍遭到严重破坏，主要原因是由于混凝土的使用条件不同，随着时间推移混凝土的耐久性不够而遭到破坏，造成了触目惊心的资源和维修资金浪费。1混凝土结构腐蚀过程分析混凝土是由水泥、骨料（砂子和石子）和部分助剂混合后浇注而成。水泥的基本化学成分为3CaO·SiO2、β-2CaO·SiO2以及少量的3CaO·Al2O3、4CaO·Al2O3·Fe2O3等。混凝土长期暴露于大气污染、紫外线、酸雨等恶劣环境中，遭其腐蚀耐久性大大降低。1.1混凝土碳化混凝土对钢筋的保护主要体现在2个方面：即物理保护和化学保护。物理保护是指阻断保护，即混凝土保护层隔断了钢筋与空气、水和腐蚀环境的直接接触；化学保护是指钝化保护，水泥在水化过程中生成大量的氢氧化钙，使混凝土内部的空隙中充满了饱和氢氧化钙溶液，其pH值为12～13，在这样高的碱性环境中埋置的钢筋容易发生钝化作用，使钢筋表面生成一层难溶的三氧化二铁（Fe2O3）和四氧化三铁（Fe3O4），通常称为钝化膜，能够阻止混凝土中钢筋的腐蚀。埋置于无氯、未碳化混凝土中的钢筋可以不生锈。混凝土的碳化是指空气中的CO2、SO2等酸性气体与混凝土中液相的Ca（OH）2作用发生中和反应。此外，水泥石中水化硅酸钙和未水化的硅酸三钙及硅酸二钙也要消耗一定量的CO2气体。由于混凝土是一种多孔性材料，在其内部往往存在着大小不同的毛细管、孔隙、气泡等缺陷，具有一定的透气性。空气中的CO2首先渗透到混凝土内部充满空气的孔隙和毛细管中，而后溶解于毛细管中的液相，与水泥水化过程中产生的Ca（OH）2和水化硅酸钙等物质相互作用形成CaCO3。Ca（OH）2是水泥的主要水化产物之一，对于普通硅酸盐水泥而言，水化生成的Ca（OH）2可达10%～15%。Ca（OH）2一方面是混凝土高碱度的主要提供者，另一方面又是混凝土中最不稳定的成分之一，很容易与环境中的酸性介质发生中和反应，而使混凝土碳化。混凝土碳化后其碱性降低的直接后果是使钢筋表面的钝化膜失去稳定性被破坏，混凝土就不能保护钢筋免受腐蚀。混凝土碳化后，完全碳化区的pH值被降低，此时钢筋必然会受到电化学腐蚀。1.2氯化物对混凝土的破坏氯离子是影响混凝土耐久性的主要因素。混凝土施工中的预混料，如水、砂、石等含有一些氯化物，混凝土凝固后，大气中的氯化物污染也无法避免，尤其是沿海地区。氯离子是一种渗透力极强的腐蚀剂，也是极强的去钝化剂，氯离子进入混凝土到达钢筋表面，便迅速破坏钢筋表面的钝化层，即便在强碱环境中，依然会引起点锈腐蚀。环境中的液态水也会渗透到混凝土中，这种水并非纯净水，而是含有大量氯化物的电解液，电化学作用加速锈蚀。氯离子和氢氧根离子争夺腐蚀产生的Fe2+，形成FeCl2·4H2O（绿锈），绿锈从钢筋的阳极向含氧较高的混凝土空隙迁移，分解为Fe（OH）2（褐锈）。褐锈沉积于阳极周围，同时释放出氢离子和氯离子，它们又回到阳极区，使阳极区附近的孔隙液局部酸化，氯离子再带出更多的Fe2+。氯离子虽然不构成腐蚀产物，在腐蚀反应中也不消耗，但腐蚀的中间产物对腐蚀反应起催化作用，反应式为：Fe2++2Cl-+4H2O→FeCl2·4H2OFeCl2·4H2O→Fe（OH）2↓+2Cl-+2H++2H2O4Fe（OH）2+O2+2H2O→4Fe（OH）3如果在大面积的钢筋表面有高浓度的氯离子，则氯离子所引起的腐蚀可能是均匀腐蚀。但是由于混凝土局部缺陷常造成钢筋局部表面氯离子浓度增加，引起钢筋局部腐蚀，形成腐蚀坑。腐蚀坑相当于一个缺口，在钢筋受拉时引起应力分布不均匀，造成应力集中，可导致钢筋的断裂。钢筋表面被腐蚀而生成铁锈对混凝土结构的不利影响为：（1）铁锈的生成造成钢筋截面减小，构件承载力降低；（2）铁锈体积膨胀（一般要增长2～4倍），使混凝土保护层胀裂甚至脱落，严重影响结构的正常使用；（3）铁锈的生成破坏了钢筋与混凝土之间的粘结，从而使钢筋与混凝土的协同工作能力降低，甚至造成整个构件失效。2混凝土腐蚀病害预防对策钢筋腐蚀与混凝土的碳化、氯离子侵蚀以及水分和氧的存在是分不开的，而提供这种条件的通道主要是毛细孔道（排除质量原因），水和氯离子通过混凝土毛细孔渗透到内部。因此，混凝土的防腐应从注重防水和防氯离子侵蚀入手，阻止氯离子和水分对混凝土的侵蚀，延长混凝土的碳化时间，进而防止钢筋锈蚀。2.1控制氯离子含量混凝土中氯离子含量对钢筋腐蚀的影响极大，一般情况下，钢筋混凝土中氯盐掺量应少于水泥质量的1%，掺氯盐的混凝土必须振捣密实，且不宜采用蒸汽养护。但最重要的是外界氯化物的侵蚀，要采取有力措施，极大地降低混凝土结构对氯离子的吸收。2.2提高混凝土结构的防水功能钢筋锈蚀主要是因混凝土保护层碳化和氯化物侵蚀，这2种腐蚀现象都是以水为载体进行。应该说混凝土防水是其防腐的第一道屏障。大量的资料表明，由于混凝土防水层的过早破坏，水渗入内部，加速了混凝土的碳化和混凝土内钢筋的腐蚀。3混凝土结构的防护混凝土结构防护主要有混凝土表面涂层、混凝土表面硅烷浸渍、环氧涂层钢筋、钢筋阻锈剂等方法。其中混凝土表面硅烷浸渍是一种技术成熟、施工操作简单、性价比最优良的方法。表1是几种防护方法比较。作为混凝土表面的防护主要采用前2种。混凝土表面涂层主要是采用具有良好的耐碱性、耐腐蚀性和附着力强的涂料。常用的涂料有：环氧树脂、聚氨酯、丙烯酸、氯化橡胶和乙烯树脂。通过在混凝土表面涂刷一定厚度的涂膜来保护混凝土结构，不受外界有害介质的入侵。最需要保护的区域，无论是海港的浪溅区、水位变动区，还是公路桥梁的外檐、桥墩等处，都会因受海浪的飞溅和雨水冲刷，表面常处于潮湿状态使得保护涂料附着难度很大。所以表面涂层往往达不到最理想的效果，其主要原因与混凝土表面涂刷前的处理关系很大，只有良好的表面处理，才能使涂层达到最佳效果。一旦涂层遭到破坏，水和氯化物就很容易进入混凝土内部，轻者造成涂层起泡、脱落，重者就会造成混凝土结构的破坏。混凝土表面硅烷浸渍是通过其特殊小分子结构，渗入混凝土内部几毫米，并与已水化的水泥发生化学反应，从而在毛细孔壁上形成牢固的憎水屏障，使水分和水分所携带的氯化物都难以渗入混凝土，大大提高混凝土制品的防水性和综合性能。特别是这种保护剂与其它材料相比，在孔隙率较低的高标号混凝土和周围环境极其恶劣的桥梁上阻止水和氯化物渗透的效果更加显著，更加耐久（最长可达15年，甚至更长）。3.1混凝土硅烷浸渍渗透型防护结合国内现浇和预制混凝土特点，开发出硅烷类混凝土保护剂系列产品，成功地解决了钢筋混凝土结构在制作和使用中的保护难题。混凝土保护剂内含高渗透保护因子和阻锈剂，其特殊的小分子结构能轻易穿透混凝土的表面，渗透到混凝土内部2～6mm并与之形成牢固的保护层，从而大大提高混凝土制品的防水性和氯离子吸收性。它能与保护基底产生化学反应，深层渗透并产生防水、防氯离子的性能。经保护的基材具有良好的憎水性，并保留其原有的外观。3.1.1作用机理利用硅烷特殊的小分子结构（粒径为10-10m级），与混凝土基材有着良好的亲和力，能轻易渗透到混凝土内部几毫米，与暴露在酸性和碱性环境中的空气及基底中的水分产生化学反应，生成羟基团。这些羟基团将与基材及其本身产生交联、堆积，结合在毛细孔的内壁，不阻塞毛细孔，防水透气，形成牢固的有机硅网络保护层，被有机硅网络覆盖的混凝土表层多孔部分形成一个憎水层，能够有效地阻止外部水分和有害物质的入侵，并让内部水气和有害气体逸出（见图1）。从而大大提高混凝土结构的防水性、耐盐碱性、抗冻融性等特性，延长混凝土的耐久性。特别是在碱性环境，如浇制不久的混凝土会刺激该反应并加速保护层的形成。3.1.2理化指标（1）渗透深度实验按照JTJ275—2000《海港工程混凝土结构防腐蚀规范》中渗透深度测试方法（染色法）进行。硅烷渗透深度测试，应在最后一次喷涂后至少7d，钻取直径约50mm、深度为（40±5）mm的芯样，使用“染料指示法”测量渗透深度。表2为渗透深度与涂布量的关系。（2）氯离子吸收量降低效果实验按照JTJ275—2000《海港工程混凝土结构防腐蚀规范》中氯离子降低吸收率检测方法进行。表3为使用硅烷浸渍后混凝土氯离子吸收量降低的效果。（3）吸水率和耐碱性实验按照JTJ275—2000中吸水量降低率检测方法进行试验。吸水降低率的测试，应在最后一次喷涂后至少7d，钻取直径约50mm、深度为（40±5）mm的芯样，使用“称重法”测量吸水率降低率。表4为混凝土的吸水率和耐碱性。（4）耐酸性、耐紫外线性（见表5）4施工工艺及检测方法4.1环境要求施工温度低于5℃或表干前（约10h）有下雨、风力大于4级以上、强烈阳光直射时，不能施工。在水位变动区，应在海水落到最低潮位，混凝土表面看不到水迹时，再施工混凝土保护剂，应尽量延长喷涂前的干燥期。4.2预处理（1）首先将混凝土表面明显的破损修补好，表面应无松动材料。当混凝土采用脱膜剂时，应通过喷涂实验确定对混凝土保护剂是否有影响，否则应在混凝土保护剂施工前将待保护表面充分处理干净。（2）将待涂基材的碱垢和污物彻底清理干净，并使之基本干燥，再使用混凝土保护剂。（3）混凝土保护剂对0.2mm以下的裂缝可直接阻止水的渗透。4.3施工（1）施工混凝土保护剂的混凝土龄期应不少于28d，或混凝土修补后应不少于14d。（2）混凝土表面温度应在5～45℃。（3）混凝土保护剂不得稀释，使用前启封，应在72h内用完。（4）施工混凝土保护剂时应连续喷涂施工，使被涂表面材料饱和溢流。在立面上，应自下而上进行喷涂，垂流长度为15～20cm，应使被涂表面有5s保持湿润状态。喷涂2遍，2遍之间的间隔时间为6h以上。（5）施工工具可采用密封喷枪、滚筒或刷子。如果使用密封喷枪，应注意喷枪的压力不能超过60～70kPa并防止水进入设备的任何部位。5结语混凝土作为发展迅速，需求量巨增的大宗材料，必须综合评价和协调混凝土对原材料、土地、水和劳动力等资源消耗、能源消耗和环境付出的代价与经济、社会效益，走可持续发展道路。应用现代混凝土养护的技术延长混凝土的使用寿命