白書亞，晁兵，田云生，謝謙
(中國礦業大學江蘇中礦大正表面工程技術有限公司,江蘇徐州221008)
摘要：分析了當前鋼筋混凝土表面復合涂層防護技術存在的一些問題，介紹了納米改性復合涂層防護技術、熱噴涂鋅層陰極防護技術等涂層防護新技術的研究和應用情況。
關鍵詞：鋼筋混凝土；防腐蝕；納米材料；熱噴
1引言
隨著混凝土結構應用范圍的不斷擴展，其安全使用和耐久性問題也擺在了人們的面前。從20世紀60年代開始，混凝土結構耐久性問題已成為國內外科研機構重要的研究課題之一[1]。高質量混凝土和適當厚度的保護層是提高鋼筋混凝土耐久性重要和基本的措施，但并不能避免鋼筋混凝土腐蝕破壞的發生，保證其長期的耐久性，尤其是在重度惡劣的腐蝕環境下。因此必須對鋼筋混凝土采取防腐蝕附加措施。美國混凝土協會(ACI)確認了4種鋼筋混凝土保護有效附加措施：環氧涂層鋼筋、鋼筋阻銹劑、陰極保護和鋼筋混凝土防腐蝕涂料。其中“底層+中間層+面層”的防腐蝕復合涂層技術已成為鋼筋混凝土效的防護措施，受到世界各國的高度重視和快速推廣應用[2]。
2表面復合涂層防護技術存在的問題
2.1涂層的透氣性及吸水性問題
楊麗霞等[3]研究證明，有機涂層雖然將基材與腐蝕介質隔開，但并不是十分完善的阻擋層，有機涂料涂裝后，因溶劑揮發而產生針孔及高分子鏈結構的微間隙，給水、氧氣及其它腐蝕介質形成擴散通道，從而引起涂層下基材腐蝕的發生[3]；有機涂層中含有許多可溶性鹽和一些親水基團，涂層接觸雨水(或江、河、海水)后會發生反應，在涂層內部形成液體的傳輸途徑，含有氯離子的液體通過這些傳輸途徑滲透到基材界面，在界面處發生腐蝕，形成原電池反應，終導致涂層起泡、脫落失效[4]。付東興等[5]研究說明，有機涂層起泡失效主要是由滲透壓起泡、陽極起泡、陰極起泡、應力起泡、電滲透起泡等行為引起的，重防腐涂層甚至長效防腐復合涂層也存在類似問題。劉儒平等[6]將表面防護處理后的混凝土試樣進行288h鹽水干濕循環腐蝕試驗，結果發現涂層附著力下降了3%～5%，高精度抗滲試驗發現試樣存在明顯的滲水現象。由于混凝土中鋼筋的腐蝕行為取決于其表面形成的具有保護性能的氧化物膜，鋼筋周圍自由氯離子的存在破壞了氧化膜并導致其局部擊穿和腐蝕，當氯離子含量達到臨界值時鋼筋就開始腐蝕，這證明涂層的屏蔽性能十分重要。而混凝土碳化、氯離子侵蝕、酸雨腐蝕、氧和水的作用等腐蝕因素也正是因為涂料涂層的透氣性、吸水性等方面存在缺陷而對鋼筋混凝土結構造成破壞的。
2.2涂層追隨性問題
裂縫是混凝土材料不可避免的，控制混凝土裂縫對混凝土結構的耐久性有著十分重要的意義。楊林德__等[7]研究發現，開裂及滲漏會加速氯離子遷移，促進鋼筋銹蝕，鋼筋起銹時間隨裂縫深度的增加而縮短。目前鋼筋混凝土防護涂裝一般在底材處理后先使用封閉底漆、封閉膩子對混凝土表面及裂縫進行封閉處理，然后進行中涂、面涂施工。涂層的追隨性反映涂層跨越裂縫的能力，顯示出涂層在混凝土裂縫產生、擴大過程中仍然保持腐蝕防護作用能力的大小[8-9]。李偉華等[10]對涂料涂層混凝土裂縫追隨性的研究表明：以環氧底漆、環氧中涂漆和聚氨酯、氟樹脂面漆組成的復合涂層體系的追隨性與其厚度密切相關。復合涂層厚度為100μm時涂層延伸量為0.81mm，200μm時為1.29mm，1000μm時達到3.40mm，其柔韌性也隨厚度的增加而改善。混凝土顯微裂縫和大裂縫一般在0.1～0.3mm，而受承載重力或因溫度變化出現的裂紋可達到0.1～1.0mm[11]。復合涂層要經受日照、凍融、雨水、風浪等環境因素的影響，其追隨性能將隨涂層的使用年限逐漸下降，正因如此，上述復合涂層(總厚度為250～350μm)的預期壽命可達60年，目前實際設計壽命僅為10～20年。
2.3涂層的耐久性問題 有機涂層在陽光、鹽霧、干濕交替以及冷熱交替等因素的作用下，涂層體系會逐漸老化。世界各國均對鋼筋混凝土防護涂料的耐久性進行了明確規定，如通常的面層涂料要求耐人工加速老化時間不低于1000h(JTJ275—2000《海港工程混凝土結構防腐涂層》)，氟碳涂料則達到2500h(HG/T3792—2005《交聯型氟樹脂涂料》)。JTG/TB07-01—2006《公路工程混凝土結構防腐蝕技術規范》要求防護涂層耐人工加速老化時間在3000h以上，被業內專家認為指標過高，一般戶外涂料難以滿足要求[8]。由此不難看出，目前鋼筋混凝土防護涂料及復合涂層實際耐久性能存在的不足。
2.4涂層耐重防腐環境綜合作用問題
處于重防腐環境下的鋼筋混凝土其腐蝕環境復雜多樣，如浪花飛濺區、潮差區等不僅經受海洋大氣腐蝕，還有海水夾雜泥沙與海洋漂浮物的沖刷、氣蝕、干濕交替以及異物意外撞擊等的侵蝕[9]，其腐蝕級別分別達到E級和F級，該處混凝土易出現氯離子侵蝕、涂層脫落、混凝土碳化、鋼筋銹蝕等綜合性腐蝕現象，其防護壽命短，需要及時維護，甚至應采取設置防護擋板等其它額外保護措施。
3研究進展
1981年對華南地區18座近海混凝土碼頭質量調查發現，89%出現鋼筋銹蝕損壞，一些工程使用不到5年即因梁、柱順筋開裂而不得不進行維修。1984年美國洲際公路上56萬座橋梁的一半出現鋼筋腐蝕破壞，約16%屬于嚴重失效。美國1998年因鋼筋腐蝕的橋梁維修費達到1550億美元[12]。工程技術人員在對高性能混凝土、環氧涂層鋼筋、鋼筋阻銹劑以及鋼筋陰極保護系統進行開發應用的同時，也在鋼筋混凝土涂層防護新技術上做了研究，如聚脲技術、厚涂涂料(一次涂裝厚度1200μm)、玻璃鱗片重防腐涂料、水性涂料及高固體分涂料等，并取得一定的應用效果[13]，但并未從根本上解決傳統有機涂層存在的諸多問題。
3.1納米改性涂料涂層技術
將納米粉體采用分散技術應用到傳統的重防腐涂料中，取得了積極進展[14-16]。添加的納米粉體呈均勻的分散狀態，由單個或數個納米粒子組成的納米顆粒，其分散尺度絕大多數低于100nm(見圖1)；納米改性后的環氧封閉劑對熱噴涂層、鋼筋混凝土具有更加突出的滲透、封閉和附著性(見圖2)，納米改性環氧封閉劑在鋼筋混凝土上的附著力(拉拔法)超過6MPa，遠優于現有的環氧封閉漆(2～3MPa)；納米粒子填充到高分子樹脂的架構中，形成相互鏈接(見圖1b)，能顯著提高涂層的致密度、物理機械性能以及耐老化性能。測試表明，經過納米改性的含氟聚氨酯面漆其耐候性*能滿足JTG/TB07-01—2006的要求，測試結果見表1。
圖1納米改性涂料的TEM
圖1納米改性涂料的TEM
3.2鋼筋混凝土陰極保護技術
由于有機涂層先天存在諸多缺陷[2-3,5]，研究人員已開始嘗試將熱噴涂金屬涂層技術應用于鋼筋混凝土表面的長效防護。熱噴涂技術問世已有100年的歷史，目前已成為大型鋼鐵結構件長效防腐的方法，混凝土中的鋼筋也已采用了這種防護效果突出的陰極保護措施[17]。土結構的陰極保護，純鋅被作為陽極涂層材料噴涂于混凝土保護面上。實際應用表明，在其保護下不僅混凝土鋼筋沒有出現任何的銹蝕現象，混凝土表面也沒有剝落、斷裂和起皮問題的發生。1997年德國GrillowerkeAG公司將電弧噴鋅涂層技術與有機涂層技術結合起來，實現了在惡劣環境下混凝土結構的長久保護[19]。大量熱噴涂陽極涂層在鋼筋混凝土上應用的研究報告也證明，熱噴涂鋅層后能顯著降低高濕度、低混凝土電阻率條件下混凝土內置鋼筋的腐蝕[20]。另外，也可以將噴涂于混凝土表面的鋅涂層與混凝土內部的鋼筋相連，使它們相互連通導電，混凝土則成為電解質并形成原電池，不需要外加電流金屬鋅即可實現對鋼筋的陰極保護[21]。試驗報告說明，在純Zn、純Al、Zn-Al合金、Al-Mg合金、Al-Zn-Mg合金、Al-Zn-Sn合金、Al-Zn-In合金等熱噴涂陽極涂層材料中，Al(20)-Zn-In(0.2)是發展的合金陽極材料，它具有低的陽極極化，在各種環境中都能保持相對活化的靜電勢。對照試驗證明，電弧噴涂Al-Zn-In合金涂層可產生相對于純Zn涂層更高更穩定的陰極保護電流，涂層附著力也相對提高[22]。隨著水下電弧噴涂設備及電弧噴涂機器人技術的不斷發展[23]，借鑒國外近10年的研究應用成果，性能優異、安全可靠的混凝土陰極保護技術將逐漸在國內重大鋼筋混凝土工程中得到應用。而其與納米改性有機涂層組成的超高性能復合涂層系統也給惡劣腐蝕環境下鋼筋混凝土結構的腐蝕防護提供了更可靠的保證。
4結語 隨著我國國民經濟的健康快速發展及人民生活水平的不斷提高，大型交通工程、城鎮重要基礎工程的設計壽命都要求達到100年，因為對鋼筋混凝土的耐久性以及腐蝕防護技術均提出了更高的要求。應用實踐說明正在改進發展的納米涂料改性技術、熱噴涂金屬涂層技術尤其是二者相結合的應用技術將會是鋼筋混凝土在惡劣腐蝕環境下較佳的防護選擇。
