混凝土耐久性及防护涂料研究现状

混凝土耐久性及防护涂料研究现状

姜庆 ,温东辉 ,孙红红 ,司秀芬 ,孟娜 ,陈柯旭

中国电建市政建设集团有限公司

摘要：混凝土具有多孔结构，环境中的气体、液体以及可溶性有害离子可通过孔隙渗入内部，危害混凝土耐久性。提高混凝土耐久性对延长混凝土服役期限非常重要。本文主要介绍了混凝土耐久性影响因素，总结了表面成膜型涂料、渗透孔隙封闭型涂料和疏水浸渍型涂料的研究现状和存在问题，并对进一步研究方向进行了展望。

关键词：混凝土；耐久性；表面防护涂料

前言：

混凝土广泛应用于道路、桥梁、码头、基础设施等，但混凝土具有多孔结构，环境中的气体、液体以及可溶性有害离子可通过孔隙渗入内部，引起钢筋锈蚀、碳化、冻融破坏、裂纹等，危害了混凝土耐久性。合理的混凝土结构防护可降低混凝土建造和维护的成本。表面防护涂料是混凝土防护中最为有效方法之一，涂层防护具有操作简单、经济高效的特点，可直接使用在新旧混凝土表面的。可根据混凝土所处环境，选择合适的涂料防护。文中介绍了混凝土耐久性的影响因素以及混凝土涂层防护技术。

1 混凝土耐久性影响因素

混凝土耐久性是指结构混凝土在使用过程中抵抗环境中各种物理、化学、力学等破坏因素并保持其使用功能和完整性的特性，混凝土耐久性的好坏决定混凝土结构的使用寿命[1]，影响因素主要包括盐类侵蚀、碳化、钢筋锈蚀、冻融以及碱骨料反应等。

1.1盐类侵蚀

盐类侵蚀是混凝土耐久性的重要影响因素，盐类在外界环境中广泛存在，主要是通过混凝土的孔隙从外部进入混凝土的内部，积累到临界浓度在内部发生反应，破坏钢筋钝化膜，形成“腐蚀电池”。在盐类侵蚀的研究中以氯离子侵蚀研究最为典型。水泥水化使混凝土中的钢筋表面形成一层致密的钝化膜，钝化膜中的硅氧键对钢筋有很好的保护作用，氯离子侵入混凝土接触钢筋表面破坏了钝化膜。钝化膜被破坏后，钢筋不断锈蚀膨胀，导致混凝土逐渐开裂、剥落。除了外部侵入的氯离子，水泥、集料等原材中含有的氯离子也会对混凝土钢筋造成破坏，因此要严格控制原材中氯离子的含量。以氯离子为代表的对混凝土耐久性造成影响的盐类侵蚀的防治措施：1、严格控制原材中有害物质含量；2、混凝土表面做好防护阻止盐类侵蚀；3、添加外加剂，如加入钢筋阻锈剂。

1.2混凝土碳化

碳化是CO2渗入混凝土的内部，在有水的情况下，与碱性物质主要是Ca(OH)2和C-S-H凝胶发生反应，生成CaCO3和H2O，使得混凝土PH降低，破坏了钢筋钝化膜，引起钢筋锈蚀。影响碳化的因素，内因主要是水泥品种及用量、水胶比、粗细集料和外加剂等，外因主要是环境中二氧化碳浓度、温湿度。从目前的研究来看，混凝土碳化难以完全阻断。对混凝土碳化的防护措施主要从影响因素考虑。1、选择合适的施工环境，一般而言，温度越高，碳化越快，环境湿度越大，CO2越难向内扩散；2、合理采用原材和使用新型材料，水泥浆中加入一定的钢纤维可有效阻碍结构裂缝的产生和发展，减少碳化深度[2]；3、表面涂层防护，一般采用氯化橡胶、聚氨酯树脂或丙烯酸乳涂液。

1.3碱集料反应

碱骨料反应是混凝土中的碱性物质与骨料中的活性物质发生化学反应，导致混凝土结构产生膨胀、开裂现象。碱骨料反应发生以及严重程度主要影响因素：1、骨料的碱含量，碱含量越高，碱骨料反应对混凝土的危害越大。混凝土中碱含量主要来源于外加剂。2、骨料的碱活性，碱活性越大，碱骨料反应发生可能性越大，不同地区的骨料碱活性差异较大。3、湿度，湿度越大，碱骨料反应越严重，环境相对湿度必须控制在50%以下。控制好混凝土材料材料用量可以降低碱集料活性反应；研究表明[3]，合理选择掺合料的种类与用量，可以有效抑制碱集料反应。

1.4冻融

混凝土是一种多孔材料，凝结硬化后形成孔隙及毛细孔，当温度降低到一定程度，孔隙和毛细孔的液体会结冰导致体积膨胀并向内部发展。混凝土内部结冰体积越来越大，内部压力越来越高使孔隙和毛细孔胀破，混凝土产生微裂纹。冻融循环，内压力使得裂纹不断扩大，破坏了混凝土耐久性。冻融对混凝土破坏的防治措施主要是控制混凝土孔隙和孔中水。1、表面涂层防护，减少外界水分的渗入。2、添加外加剂，研究表明适量添加陶瓷粉，可有效减少冻融影响[4]。

1.5钢筋锈蚀

钢筋锈蚀会产生内部膨胀应力不利于混凝土耐久性，钢筋锈蚀也会降低与混凝土粘结性，从而降低构件承载力。钢筋的锈蚀多数情况下是盐类侵蚀导致，因此要通过抑制盐类侵蚀来降低锈蚀。除此之外，也可以加入钢筋阻锈剂。

2混凝土表面防护涂料

混凝土是一种多孔高渗透性材料[5]，混凝土渗透性是影响钢筋混凝土耐久性的决定性因素之一。目前，改善混凝土抗渗性能研究主要从设计、施工和后期维护方面采取措施，其中设计和施工方面常用的预防措施方法[6]：（1）改变水泥矿物熟料，提高水泥性能；（2）掺加引气剂、高效减水剂等外加剂以及粉煤灰、矿粉等掺和料；（3）合理设计混凝土配合比，选择骨料、级配，提高混凝土密实度；（4）对于钢筋混凝土结构，提高混凝土保护层厚度，应用阻锈剂等

[7] 。这些提高自身耐久性的措施只适用于新建混凝土结构，对已建成的混凝土结构的防护无效。因此，服役期的混凝土结构需要采取附加防护措施，其中混凝土表面涂层防护是提高混凝土耐久性最常见技术措施。

混凝土表面防护性涂层具有操作简单、经济高效的特点，近年来混凝土表面防护涂料发展迅速。混凝土表面防护涂料按照防护机理主要分为表面成膜型、渗透孔隙封闭型和疏水浸渍型[8-9]。下图为三种表面涂层防护类型[10]。

图1 防护机理示意图

2.1表面成膜型涂料

表面成膜型涂料是在混凝土表面发生凝胶反应，形成致密的薄膜，通过封闭混凝土表面的孔隙来阻止有害因子渗入混凝土内部，从而提高混凝土耐久性。目前，表面成膜型涂料在混凝土防护领域应用最广泛，表面成膜型涂料按照材料分为有机涂料和无机涂料，其中有机涂料主要为环氧树脂、聚氨酯、丙烯酸酯等；无机涂料主要为水泥基涂料和地聚物涂料。

2.1.1有机涂料

有机涂料在混凝土防护领域广泛应用，这是因为有机涂料的抗碳化、抗渗透和抗盐离子侵蚀性能良好。

（1）环氧树脂涂料

环氧树脂的分子结构中极性基团使得环氧涂料性能具有优势[11]。环氧树脂中大量的羟基、醚键和环氧基形成化学键与不同基材连接，附着力较好；环氧树脂结构中含有苯环使涂料的硬度高，耐磨性和耐腐蚀性好；而且环氧树脂涂料的固化剂可根据工作环境灵活调整。环氧树脂涂料可分为溶剂型环氧树脂、无溶剂型环氧树脂和水性环氧树脂，其中无溶剂型和水性环氧树脂VOC较低，更符合环保要求。由于环氧树脂中含有苯环，耐紫外线能力较弱，不宜作为面漆使用，一般作为中间漆或底漆配合聚氨酯等涂料使用。

（2）聚氨酯涂料

聚氨酯是由多元醇（软段）和多异氰酸酯（硬段）通过聚合反应形成的共聚物。调整软硬度的比例、交联剂等可得到柔韧性、力学性能等不同的聚氨酯涂料。脂肪族聚氨酯具有优异的耐候性、保色性等，芳香族聚氨酯具有良好的耐腐蚀、抗渗性[12]。

（3）丙烯酸酯涂料

丙烯酸酯是由丙烯酸酯醋酸乙烯酯等单体通过聚合反应制备，性能可通过单体调整。如苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯可提高涂料的附着力和硬度；丙烯丁酯可提高涂料的柔韧性和耐水性。由于丙烯酸酯分子中不含共轭双键，耐候性、装饰性和保色性比较好，常作为面漆使用。但丙烯酸酯耐水性和附着力较低，常用有机树脂、有机氟及外加纳米助剂对其进行改性[13]。近年来，水性丙烯酸酯涂料在水性涂料中迅速发展[14]。

2.1.2无机涂料

（1）水泥基涂料

水泥基涂料是以水泥为主要成膜物质的涂料。为提高涂料在混凝土表面的黏结强度，一般需要添加少量水性聚合物进行改性，聚合物可改善水泥基材料的柔韧性、附着力、抗渗性及耐腐蚀性。水泥基涂料具备了无机材料较好的抗紫外线老化、耐久性、耐热性等性能，还具备了良好的透气性，并且成本低，是一种水性的环保低毒材料。

（2）低聚物涂料

低聚物是以硅氧四面体和铝氧四面体聚合形成类似聚合物的结构，具有非晶态和准晶态的三维网状凝胶体。低聚物内部通过共价键、离子键连接，所以高温稳定性、抗冻性、抗盐离子侵蚀能力较好。低聚物涂料是一种新型环保涂料，但附着力较小，且自收缩较大，尚需进一步完善。

2.2疏水浸渍型涂料

疏水浸渍型涂料是一种具有良好渗透性的涂料，可以渗透到混凝土内部并在孔隙表面形成疏水膜，但并不会覆盖和封闭孔隙。疏水浸渍处理后的混凝土表面可以阻止水和有害离子的水溶液侵入混凝土内部，但气体可自由进入混凝土。

硅烷和硅氧烷涂料是常用的疏水浸渍型涂料。硅烷和硅氧烷浸渍混凝土时，结构中的烷氧基水解出具有高反应活性的硅羟基，硅羟基相互缩合形成大分子，而且可以与混凝土孔隙表面的硅羟基缩合从而附着于孔隙表面，硅氧基团在孔隙表面富集，混凝土从亲水转为疏水。因此水或者水溶性离子难以在涂有该类涂料的混凝土表面渗透。硅烷和硅氧烷涂料具有较小的分子结构，可以渗透到混凝土内部5-10mm。由于硅烷和硅氧烷一般活性较低，只能在混凝土表面孔隙成膜并不能封闭孔隙。因此存在抗碳化性差；高水压下抗氯离子渗透性差；孔隙率较低的混凝土中使用效果不佳等问题。

2.3孔隙封闭形涂料

孔隙封闭型涂料是一种具有渗透性的涂料，能够将涂料或者涂料中的活性物质渗透到混凝土孔隙中，并发生原位反应，封闭孔隙，从而提高混凝土表面硬度和抗渗性。孔隙封闭型涂料一般用于底漆，主要包括渗透结晶型涂料和渗入固结型涂料。

2.3.1渗透结晶型涂料

渗透结晶型涂料以水泥、砂为基材，掺入活性化学物质、外加剂制备而成。活性化学物质随着水的渗透扩散进入混凝土孔隙中，与氢氧化钙和未水化的水泥发生反应，生成不溶性结晶，堵塞混凝土孔隙从而提高混凝土的抗渗性和抗冻性。渗透结晶型涂料具有自愈能力，当涂有渗透结晶型涂料的混凝土遇水，活性化学物质会发生二次结晶，封闭微裂纹。但是渗透结晶型涂料在酸性环境中易脱落结晶体耐腐蚀性差；作为水泥基材料，与混凝土基面大的黏结强度低；对高性能混凝土效果差；自我修复需要水为载体。

性能的不足限制了其进一步的应用。

2.3.2渗入固结型涂料

涂料在混凝土孔隙中形成高强度固结体对混凝土防护和修复有重要影响。zhang等[15]结合表面成膜型涂料和孔隙封闭型涂料的优点，完善优化了渗入固结型的混凝土防护涂料。该涂料使用新型的醛酮反应性溶剂作为环氧树脂的稀释剂，不仅具有低黏度，而且具有良好的润湿性和亲和力，能在5s内渗入标准砂浆试件内部3.5mm，表面强度提高处理前的2倍以上，并在混凝土表面形成附着力在3.5MPa以上的膜层[16]。

渗入固结型涂料以环氧树脂为基体，具有良好的抗渗透性和耐腐蚀性。该涂料的醛酮反应性溶剂自身可以发生醛酮反应，而且能与胺类固化剂发生席夫反应，从而与环氧树脂连接在一起。因此，渗入到混凝土内部的涂料可将混凝土孔隙封闭良好，留在混凝土表面的涂料也可在表面形成致密的防护层。

渗入固结型涂料的“渗入-固结”防护机理是有效的，相对于其他涂料也展现出优异性。但是，材料的渗入和固结是同步的过程，因此涂料的渗透性能与固结体的力学性能是矛盾的。研究出一种同时提高材料润湿性能、渗透性及固结体最终力学性能的新型反应溶剂，是渗入固结型涂料的重点。

3、结语

本文从混凝土耐久性存在的问题入手，分析影响因素，并提出改善措施，其中混凝土表面防护涂料是提高耐久性最为有效的方法之一。防护涂料可有效阻止环境中的气体、液体以及可溶性有害离子侵入混凝土内部，提高混凝土耐久性，防护效果主要受附着力、渗透深度、渗透性、透气性、成膜厚度等影响。表面成膜型涂料、渗透孔隙封闭型涂料和疏水浸渍型涂料各有优点和不足，其中表面成膜型涂料抗渗性和耐腐蚀性较好，但涂层容易剥落；孔隙封闭型涂料是一种有效的混凝土防护涂料，但封闭涂料在孔隙中固结体抗渗性和最终力学性能相互矛盾；疏水浸渍型涂料在孔隙表面形成疏水膜，不能阻止气体进入混凝土内部。还需要继探讨研究效果更好的新型防护涂料，提高混凝土耐久性的同时注重绿色环保是未来的发展趋势。

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