钢筋混凝土防护涂层的应用

宋进朝，韩文静，翟 瞻，冯 敏

(永城职业学院建筑工程系，河南永城 476600)

钢筋混凝土防护涂层的应用

宋进朝，韩文静，翟 瞻，冯 敏

(永城职业学院建筑工程系，河南永城 476600)

涂覆防护涂层是提高钢筋混凝土耐久性的有效方法之一，在探讨钢筋混凝土失效原因的基础上，主要从混凝土防护和钢筋防护两个方面综述钢筋混凝土中防护涂层的应用现状，并对钢筋混凝土表面涂层材料的发展趋势进行展望。

钢筋混凝土;失效;涂层;耐久性;防护

引 言

混凝土的碱性状态发生的改变会破坏钢筋表面的钝化膜，进而出现钢筋的局部腐蚀。钢筋的腐蚀是钢筋混凝土结构破坏和早期失效的主要原因之一。随着国内外混凝土结构中因钢筋锈蚀导致耐久性降低的问题越来越多，各种新兴的防腐技术成为人们研究的热点［1］。涂层技术是一种简便有效的防腐措施，随着涂层防腐涂装的发展，出现了很多有效防护涂层，本文主要阐述钢筋混凝土中防护涂层的应用现状，以利于推广应用并优化创新防护涂层技术，从而减少腐蚀破坏的损失和不良影响。

1 钢筋混凝土失效原因

导致钢筋混凝土失效的原因很多，造成混凝土劣化失效的原因依次为钢筋锈蚀、冻融循环、碱-骨料反应以及硫酸盐侵蚀等方面。膨胀与开裂在混凝土劣化中起着决定性作用［2-3］。钢筋表面由于水合作用形成的钝化膜呈碱性，完整的钝化膜起着连续保护作用。导致钝化膜破坏的主要因素有:Cl－、SO42－或其它酸性介质使混凝土碱性降低、钝化膜破坏;混凝土中掺加大量活性混合材料或采用低碱度水泥;碳化作用［4］。

可从两个方面提高钢筋混凝土的防护性能:一是混凝土，对混凝土采取表面防护技术以防止钢筋锈蚀和混凝土劣化，是保证并提高混凝土结构耐久性的有效途径。如在孔隙率低的高强混凝土的表面施加涂层和膜层保护，在结构设计允许的情况下提高混凝土保护层的厚度等［4］;二是钢筋，在钢筋表面施加环氧涂层和金属镀层等。

2 钢筋混凝土防护涂层的应用

2.1 混凝土表面防护涂层的应用现状

2.1.1 混凝土表面的涂层

混凝土是多孔材料，在其表面布施涂料以隔离或限制它与侵蚀性介质的接触和碱-骨料反应的发生，可提高混凝土的耐久性以及使混凝土中的钢筋免遭腐蚀，此外还有装饰和美化的作用［5-6］。针对混凝土的高碱性、含水性和多孔性的特点，涂料应具备耐碱性、耐水性、浸渍性和良好的耐侯性。

混凝土外表面涂层有刚性表面涂层(如水泥基渗透结晶型涂层、聚合物水泥砂浆涂层)与柔性表面涂层(如硅烷涂层与丙烯酸树脂涂层)两大种类，都可以在一定程度上阻止水分和侵蚀性介质与混凝土接触，对混凝土耐久性的防护起着积极的促进作用。

1)混凝土外表面刚性涂层。郑敏升［7］研究了渗透结晶型外表面涂层防护作用，发现侵入水泥基渗透结晶型材料具有良好的抗老化和抗侵蚀能力，能使混凝土的抗碳化性和抗氯离子渗透性大幅提高。水泥基渗透结晶型表面涂层已应用在某些桥梁工程，用于修补桥梁工程在设计或施工过程中混凝土保护层厚度不足可能造成的耐久性破坏隐患。柔性涂层材料对混凝土耐久性的防护能力相对较好，但刚性涂层材料的抗老化、抗环境温、湿度变化的能力更佳［8］。两者结合可以采用刚性涂层材料为面层、柔性涂层材料为底层的复合方法。

传统的混凝土保护材料有环氧树脂、聚氨酯、丙烯酸树脂、氯化橡胶及乙烯树脂等，但传统保护材料存在耐碱性差、附着力小、耐久性差及施工困难等问题。新型涂料分为无机、有机材料涂层。无机材料覆盖层，如水泥砂浆、石膏等。刘亚芹等［9］用水泥砂浆、石灰砂浆和酚醛调和漆三种涂层进行了对比研究，结果表明，水泥砂浆的覆盖层碳化延缓效率最高，且覆盖层越厚，延缓效率越高。有机涂层既能阻止水向混凝土内部渗透和扩散，又有利于混凝土内部的水向外部消散，具有很好的防护作用。无机涂料具有良好的透气性、抗污染性以及优良的综合环保性能。随着人们对建筑涂料性能、环保方面的要求愈来愈严格，国外发达国家十分重视无机涂料的性能研究和生产应用，在这些方面做了大量的工作。我国起步晚，但是起点较高。研制的无机涂层是以国际最新研究领域水泥基无机水硬化物与天然植物胶粉为主的新一代涂层，同时采用了氧化改性水性矿物涂料，绿色环保，并具有广谱抗菌性，对多种细菌、霉菌 2min抑菌率达到99.98%以上。在施工于混凝土及砖石面层上时，通过石化反应与墙体结合牢固，无明显界面层，与以往有机涂料的成膜原理有根本意义上的不同，具有不助燃、耐酸碱的显著特点。

2)混凝土外表面柔性涂层。从20世纪90年代起，随着有机硅技术的发展，新型有机硅材料已被广泛应用于建筑物防水、防腐蚀和保护等领域［10］。但是需要注意丙烯酸橡胶、有机硅等材料的老化、渗透量控制问题。李柯等［11］就有机硅改性丙烯酸乳液作为新型的混凝土防护涂层合成方法及其对混凝土耐久性的影响进行研究，结果表明，防护涂层可以很好地提高混凝土的耐久性。2000年韩国In Dong Hwang等［12］改进了硅烷乳液的稳定性，用碱土金属皂(W/O)和碱金属皂(O/W)型表面活性剂乳化、0.24%聚乙烯醇(PVA)为保护胶体。这种硅烷乳液渗透深度大于4mm，吸水率小于10%。党俐等［13］利用化学改性法将带乙烯基的有机硅活性单体和丙烯酸酯类单体共聚，对丙烯酸树脂进行改性，合成了一种新型的混凝土防护涂层，研究测定发现此种改性树脂具有两种树脂的优点，又能互相弥补其缺点，有重要的研究和应用价值。

目前新型混凝土结构耐久性涂层材料可分为多功能喷涂聚脲、渗透型保护液(防水剂、憎水剂)和纤维增加型保护材料。从原理分析，聚脲和纤维增强型保护材料均能在混凝土表面形成高弹性、高强度的连续保护层，从而起到防止结构开裂、防腐和提高结构耐久性的作用;而渗透型保护液仅形成密实保护层，不能改善混凝土脆性，故难以防止结构开裂。从施工技术分析，聚脲技术采用专用喷涂设备施工，效率较纤维增加型保护材料有大幅度提高。在这里仅介绍多功能喷涂聚脲的应用现状。

聚脲是一种高性能聚氨酯弹性体，其芳香族聚脲和常规脂肪族聚脲己广泛应用于制备高耐候性和耐化学腐蚀的防护涂层［14］。周琦等［15］指出聚脲弹性体(SPUA)作为新型喷涂聚脲多功能绿色材料能在混凝土表面形成密实、稳定的保护层，从而提高混凝土结构耐久性。从原理分析，SPUA技术和纤维增加型保护材料均能在混凝土表面形成高弹性、高强度和连续的保护层，防止结构开裂，提高结构耐久性，但渗透型保护液仅形成密实保护层，不能改善混凝土的脆性。从施工技术分析，SPUA技术采用专用喷涂设备施工效率大幅度提高，更适合工期要求紧的抢修和海洋等恶劣条件的工程。钟萍等［16］研究了聚氨酯(脲)涂层冲蚀磨损性能，认为纯聚脲涂层具有比聚氨酯/聚脲混合体系涂层更优越的磨损性能，在干摩擦条件和高速含水砂流冲蚀条件下都体现出优异的抗冲蚀磨损性能。

新型涂层材料的合成和高性能涂层的研制对海洋混凝土结构防护工程具有重要的意义。吕平［17］进行了海洋混凝土防护用新型聚天冬氨酸酯聚脲涂层的研究。通过傅氏转换红外线光谱分析仪(FTIR)、示差扫描量热仪(DSC)、动态热机械分析仪(DMA)和原子力显微镜(AFM)，考察了其结构形态和性质及其在海洋环境中的耐老化性和对海洋混凝土结构的防护性能。结果发现，新型聚天冬氨酸酯聚脲涂层具有良好的耐户外曝晒大气老化性能;拉伸强度变化率为5.2% ～10.2%;断裂伸长变化率为4.3% ～6.8%，其耐盐雾老化性能更好。具有较高的硬段含量、结构有序度、温度固化及一定厚度的聚脲涂层的结构致密度更高，耐腐蚀性更好。童忠良［18］开发与研究了三元聚合纳米氟硅互穿网络的合成及防震新型砼体表面结构防护涂料，把三元聚合纳米乳胶互贯网络聚合物(LIPN)、乙烯-醋酸乙烯酯及纳米致密化抗震剂等材料应用在路桥涂料中。

2.1.2 外加电流法中的导电涂层

对于土壤和海水中的钢筋混凝土建筑，用牺牲阳极法保护阴极可使钢筋免受腐蚀。混凝土常用的牺牲阳极材料为锌阳极，表现形式有锌网、锌块、热喷锌、锌钢复合筋(锌线沿钢筋长度方向拼合)和锌箔。对于地面和水面的钢筋混凝土建筑，可采用导电涂层［19］。导电涂层主要有导电混凝土、热喷涂金属层和导电涂料(导电胶)。

导电混凝土是指由胶凝材料、导电材料和水等按一定配合比组成的水泥基功能复合材料。常用于混凝土的导电组分主要有石墨粉、碳纤维、钢纤维及钢屑等，不同组分导电混凝土的力学和导电性能差异较大［20］。在内置钢筋的普通混凝土表面铺设一层导电混凝土，其中埋设若干只辅助阳极。导电混凝土主要用于桥面板和停车场楼板，用在公路面板上还要覆盖耐磨层。把阳极(钮扣状或饼状硅铁阳极)固定在混凝土构筑物表面，然后覆盖一层导电沥青或导电混凝土(δ为3～5cm)。这种阳极系统主要用于桥面，优点是简单实用，但是导电混凝土连同耐磨层的质量及其厚度，限制了这种阳极系统的广泛应用。洪定海［21-22］研制了 As导电砂浆，可用人工直接涂复在混凝土构件的底面或侧面作为实施阴极保护用的次阳极。

喷涂锌等金属涂层。混凝土表面进行喷砂或喷丸、清除杂物和粗化等预处理，把丝状或粉末状的合金或金属用火焰或者电弧将其熔化，借助压缩空气在混凝土表面喷涂金属层。喷涂类似于喷漆，易于实施到混凝土结构直立面或复杂形状的边角处以及板块下表面。热喷锌层既可用于外加电流系统，也可用作牺牲阳极系统［23］。

导电胶又称导电油漆，是一种导电的糊状物，干膜δ为0.2～0.5mm。目前，导电胶用的导电填料主要有铜粉、银粉和铜-银双金属粉。导电胶可应用于桥梁支撑结构及钢筋混凝土的地下水管的阴极保护，在海洋环境中如码头、栈桥等钢筋混凝土构筑物，需要采用外加电流法，并在钢筋混凝土构筑物上面增设一层导电材料，使保护电流均匀布满被保护物表面。邱富荣等［24］研究了海洋钢筋混凝土构筑物导电涂层阴极保护系统，研制了聚合物导电胶，通过室内、室外和现场实验证明该导电胶导电性好、价格便宜及涂覆容易，但在水线附近存在易剥落问题尚待解决。

在桥墩和楼房外墙上也可使用电缆阳极。导电塑料包裹的铜芯导线盘绕或用网格板固定在混凝土表面，然后浇灌一层水泥胶合层。

2.2 钢筋表面防护涂层的应用

2.2.1 钢筋表面环氧树脂涂层

环氧树脂涂层不与酸碱发生反应，具有极高的化学稳定性，还有干缩小，延性大的特点，与金属表面有极佳的粘结性。同时能够有效地隔离钢筋表面，切断氯离子通路，是在金属表面制作防腐膜的理想材料。但是涂层的使用也会对钢筋与混凝土的粘结性能造成一定的不利影响，可通过增加保护层厚度、适当延长锚固和绑扎长度等措施予以解决［25］。钢筋混凝土结构物中螺纹钢筋的防腐蚀多采用环氧涂料。

环氧材料有粉末环氧树脂和液体环氧树脂两种，其主要原料包括环氧树脂、增塑剂、固化剂和耐碱材料等。液体环氧树脂涂装方法有涂刷法、喷涂法和浸涂法;粉末环氧树脂涂装方法有静电喷涂法、粉末浴法和静电粉末浴法。静电喷涂法是先将钢筋加热，然后将液态环氧树脂喷涂于钢筋表面，环氧遇热融化塑性会增大很多，冷却之后会固化，在钢筋表面形成致密连续的涂层。粉末静电喷涂是基于高压静电感应原理在喷枪与工件之间形成静电场，使粉末在静电和压缩空气的双重作用下均匀地吸附到工件上［26］。

使用方法一是在工厂内进行机械化喷涂环氧粉末涂料，制成带防腐蚀粉末涂层的钢筋;另一途径在工地现场采用高固体分环氧涂料喷涂或刷涂制作防腐蚀环氧涂层钢筋。前者不含挥发性溶剂，涂层致密并符合环保要求，但设备投入大，成膜后表面光滑，极大地降低了钢筋的粘结锚固强度;后者除有部分有机溶剂排放外，施工灵活，造价低。环氧树脂涂层钢筋已被广泛应用于钢筋混凝土结构中，美国、加拿大一些国家的工程上已广泛应用，我国也制定了环氧涂层钢筋产品标准以促进其在工程中的应用。

张晏清［27］研究了环氧树脂、环氧砂浆、丁苯橡胶(SBR)、胶乳水泥砂浆、SBR胶乳水泥净浆作为氯盐环境中钢筋防腐蚀保护层的性能。表明环氧树脂涂层具有良好的防腐蚀性与电绝缘性。环氧砂浆涂层具有较好的粘附性、防腐蚀性及握紧力，可以作为不同直径与表面形态钢筋的防护涂层。许清风等［28］研究了钢筋的直径、外形、涂层的厚度、混凝土保护层的厚度和有无箍筋约束等因素对环氧涂层钢筋粘结强度和锚固性能降低程度的影响，以及减低这些影响的措施。认为环氧涂层宜选用直径相对较小的钢筋，对于直径较小的钢筋涂层δ为0.13～0.23mm;环氧涂层钢筋混凝土保护层厚度应适当加大;宜在环氧涂层钢筋锚固长度范围内配置不少于构造要求的箍筋。

2.2.2 钢筋表面金属镀层

对钢筋进行镀层保护的表面防护分为金属和非金属表面防护。由于热镀锌钢筋工艺简单，效果明显，使其成为钢筋防锈蚀的有效手段之一，因而有很大的应用前景。热镀又称热浸镀，是将被保护金属制品浸在熔融金属中，使其表面形成一层保护性金属覆盖层，选用低熔点耐蚀耐热的金属锌［29］。由于镀锌过程中锌液与钢筋表层发生冶金反应，生成牢固的覆盖层，从而隔绝外部腐蚀环境;同时锌层可以作为牺牲阳极对钢基体提供电化学保护，工业上热镀锌的生产效率高［30-31］。

3 钢筋混凝土防护涂层发展方向

钢筋混凝土构筑物所处环境复杂多样，应当采用多种有效的、综合的保护措施。钢筋混凝土防护涂层有很大的研究空间和发展前景。

1)可进一步探讨钢筋与混凝土界面微化学环境及相互作用破坏机理及其规律，为开发更有效的防护涂层提供理论和实验的依据。

2)喷涂涂层产生的孔隙会加剧腐蚀介质侵蚀，可研究适应环境并与喷涂涂层性能匹配的有机涂层进行堵孔，施加在喷涂涂层表面进行复合保护。

3)以环境保护为前提进行钢筋混凝土防护涂层研究，走绿色可持续发展路线。

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Application of Protection Coating for Reinforced Concrete

SONG Jin-chao，HAN Wen-jing，ZHAI Zhan，FENG Min
(Department of Civil Engineering，Yongcheng Vocational Colloge，Yongcheng 476600，China)

Protection coating is one of the useful methods for enhancing the durability of reinforced concrete.In this paper，the failure cause of reinforced concrete under corrosive environment are analyzed，and then the current status of protection coating for reinforced concrete are summarized from concrete and rebar protection.Finally，the deveolpmental trends of coating materials for reinforced concrete are predicted.

reinforced concrete;failure;coating;durability;protection

TB304;TU37

A

1001-3849(2012)06-0020-05

2011-11-17

2011-12-14