包琪　許純梅

摘要：橋梁作為交通樞紐發(fā)揮著越來越重要的作用。然而，大量混凝土橋梁在沒有達到預定的使用年限，就出現(xiàn)了耐久性嚴重退化現(xiàn)象。本文分析混凝土橋梁所處的腐蝕環(huán)境（大氣、水、氯鹽及日照）和腐蝕特點，介紹國內(nèi)外橋梁防護涂料的技術要求及防護涂裝配套體系的研究現(xiàn)狀，針對目前防護涂料缺乏考慮日照對混凝土橋梁的不利影響，提出應用熱反射隔熱涂料的趨勢，為今后混凝土橋梁用功能性防護涂料提供參考。

關鍵詞：混凝土橋梁；腐蝕環(huán)境；防護涂料

中圖分類號：S 773；U 448.3文獻標識碼：A文章編號：1001-005X（2015）01-0128-04

Analysis of the Durability Environmental Factors

and Protective Coatings of Concrete Bridge

Bao Qi，Xu Chunmei*

（College of Civil Engineering，Southwest Forestry University，Kunming 650224）

Abstract：As the transportation junction，the bridge is playing an increasingly important role.However，a lot of the concrete bridges are broken seriously prior to the end of the predetermined useful life.In this paper，the corrosive environment and characteristics of the concrete bridge，such as air，water，chlorine，salt and sunshine were analyzed.The research status of the technical requirements of the bridge protective coatings and the system of matched protective coating were introduced.Due to the lack of consideration of the adverse effects of sunlight on the concrete bridge，it was put forward that heat reflective thermal insulating coating must be the trends，which will provide reference for the functional protective coatings of concrete bridge.

Keywords： concrete bridge；corrosive environment；protective coatings

收稿日期：2014-09-15

基金項目：西南林業(yè)大學科技創(chuàng)新基金（1402）

第一作者簡介：包琪，碩士研究生。研究方向：森林工程。

*通訊作者：許純梅，副教授。研究方向：橋梁工程。Email：705382404@qq.com

引文格式：包琪，許純梅.混凝土橋梁耐久性環(huán)境因素及其防護涂料分析[J].森林工程，2015，31（1）：128-131.公路橋梁作為交通運輸?shù)难屎矶鴤涫荜P注，其運營狀態(tài)對保障公路的正常通行、提高公路交通運營效益具有非常重要的作用。然而，隨著環(huán)境的日益惡化，大量的鋼筋混凝土橋梁出現(xiàn)的病害使其還未達到規(guī)范中規(guī)定的使用年限，就提前失效了。混凝土橋梁病害產(chǎn)生的原因很多，有些是由于結構設計的抗力不足所導致，有的則是受使用荷載的不利影響，有的也與施工及其他因素有關，但更主要的原因是由于橋梁材料耐久性不足造成的。橋梁病害的產(chǎn)生給人類生命和財產(chǎn)帶來巨大損失。美國學者Sitter[1]曾用“五倍定律”形象地描述了由于考慮不周或措施不當而導致混凝土耐久性不足造成的經(jīng)濟損失。目前，提高混凝土橋梁耐久性的技術手段眾多，如選擇高性能的鋼材與混凝土主材、通過添加劑改善材料的性能、表面處理技術、陰極保護技術等。其中，橋梁涂料因其具有輕質(zhì)、美觀、經(jīng)濟、施工簡單方便及具有良好的性能等優(yōu)點而備受青睞。本文將從混凝土橋梁腐蝕環(huán)境因素入手分析，提出混凝土橋梁用防護涂料的性能要求，指明日后混凝土橋梁用防護涂料的發(fā)展趨勢。

1混凝土橋梁腐蝕環(huán)境因素分析

鋼筋混凝土的發(fā)明與發(fā)展的主要因素之一是水泥漿具有保護鋼筋免受腐蝕的能力，暴露于大氣當中的鋼筋混凝土梁體結構受大氣環(huán)境（SO2、CO2）、水（混凝土溶蝕、凍融循環(huán)）、氯鹽及日照等影響，不可避免地導致混凝土劣化。劣化的混凝土使有害介質(zhì)得以順利進去混凝土內(nèi)部引發(fā)鋼筋銹蝕，影響外觀的同時對結構安全性造成威脅。

1.1大氣環(huán)境因素對混凝土耐久性的影響

隨著工業(yè)、建筑業(yè)及交通運輸設備制造業(yè)的迅猛發(fā)展，污染的大氣中含有的硫化物、碳化物及氮化物是影響混凝土橋梁耐久性的主要不利因素。

SO2、CO2等酸性氣體與混凝土中的Ca（OH）2發(fā)生化學反應，當其pH值下降至9時，混凝土內(nèi)部的鋼筋因失去堿性保護而產(chǎn)生銹蝕，同時混凝土強度也明顯降低。在pH值為1.0的硫酸溶液中腐蝕8周期和13周期的普通硅酸鹽混凝土試件，強度分別降低8.8%和18.3%，認為試件已被完全破壞[2]。而且，酸蝕還會使混凝土失去水泥黏結性，暴露出粗糙的骨料和腐蝕的鋼筋，最終導致混凝土結構破壞。

此外，大氣中的有害氣體SO2是形成酸雨的主要成分，無論是酸性濕沉降還是干沉降，均將引起土壤酸化。酸化的土壤對混凝土橋墩耐久性有重要影響，當土壤中所含硫酸鹽高于0.1%時，將導致混凝土膨脹開裂，結構劣化失效。

1.2水對混凝土耐久性的影響

橋梁是橫跨江河湖海的，墩梁不可避免地處于水的腐蝕環(huán)境之中，混凝土材料的溶蝕及發(fā)生霜凍和解凍過程均需要水的參與或以水為介質(zhì)。溶蝕是一個比較復雜的物理化學反應過程，其膠凝性隨著水泥中水化產(chǎn)物的分解和溶出而逐漸喪失[3]，導致混凝土的密實度和強度降低，因此溶蝕而引起的耐久性問題不容忽視。此外，隨著工業(yè)排放物對淡水的污染，溶蝕與水中硫酸鹽侵蝕的共同作用，加速了混凝土的劣化。因此，考慮多種因素的耦合作用對混凝土的長期性能及壽命評價來說是非常必要的[4]。

第1期包琪等：混凝土橋梁耐久性環(huán)境因素及其防護涂料分析

森林工程第31卷

身處冬季寒冷地區(qū)的混凝土橋梁，由于凍融和凍脹的循環(huán)作用，混凝土按由表及里的方向逐漸產(chǎn)生裂縫和剝蝕，形成大量的微觀滲水通道，溶解于水中的有害介質(zhì)（硫酸鹽、氯鹽、污染物、灰塵）浸入通道造成混凝土災難性的腐蝕[5]。試驗表明，凍融循環(huán)的次數(shù)與溫度對混凝土受拉力學性能及鋼筋混凝土的粘結性有著直接的影響，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土受拉力學性能下降程度逐漸增大[6]，鋼筋與混凝土粘結強度逐漸降低。20～-75℃溫度段對鋼筋與混凝土粘結強度強敵作用明顯[7]。

1.3氯鹽對混凝土耐久性的影響

氯鹽的腐蝕是沿海及高寒地區(qū)橋梁腐蝕破壞最重要的原因之一。氯鹽來自于混凝土的原材料、外部的海水、海洋大氣、防冰劑等，其通常以“混入”和“滲入”兩種方式進入混凝土內(nèi)部，導致混凝土劣化及鋼筋銹蝕。

氯鹽與混凝土反應生成易溶的CaCl2，體積增大好幾倍，造成混凝土的膨脹脹裂。當水泥中水合鋁酸鈣含量高于8%時，混凝土很容易受到自由氯離子的腐蝕。同時，穿透力極強的Cl-與鋼鐵接觸時將迅速破壞鋼鐵表面的鈍化層，在鋼筋表面形成極易透氣和透水的鐵銹，一定程度下鐵銹產(chǎn)生的膨脹壓力將會使混凝土出現(xiàn)裂縫，引起混凝土損壞剝落，危害結構的使用安全。鐵路部門2010年統(tǒng)計研究表明，侵蝕環(huán)境下混凝土結構中的鋼筋銹蝕是近海橋梁結構老化及耐久性失效的最主要原因。

此外，為了保證交通暢行及行車安全，冬季嚴寒地區(qū)要向橋面撒防冰劑。20世紀五六十年代，美國等西方國家由于對防冰鹽危害的認識不足，20a后，56.7萬座高速公路橋已有半數(shù)以上遭腐蝕和需要修復，修復費用高達千億美元。防冰劑中鹽溶液的濃度決定了混凝土的劣化性質(zhì)與程度。當鹽溶液濃度（≤3%～4%）較低時，鹽—冰混合物在物理作用（凍融循環(huán)）下將導致混凝土凍脹剝落[8]；鹽溶液濃度高于3%～4%的防冰劑則對混凝土表面形成化學侵蝕。無論在濕潤還是干燥條件下，鹽溶液濃度大于15%的除冰劑明顯提高了混凝土的劣化速度[9]。此外，研究表明MgCl2和CaCl2對混凝土造成最大傷害的劣化濃度分別為20%和22%[10]，而目前市售的防冰劑當中鹽溶液的濃度高達16%～32%。

1.4日照對混凝土耐久性的影響

除了考慮侵蝕介質(zhì)對橋梁耐久性的不利影響，還需考慮到日照（即溫度應力）對混凝土橋梁的破壞。在大跨徑預應力混凝土箱形梁橋中，特別是超靜定結構體系，太陽輻射在橋梁結構內(nèi)部產(chǎn)生的非線性溫差引起的溫度應力可以達到甚至超過活載應力[11]。10℃的線性溫差在跨中為181.4 m的橋梁中產(chǎn)生的正彎矩值相當于中跨兩條車道布載所產(chǎn)生的正彎矩[12]；德國Jagst橋的厚腹板箱梁在通車第五年后邊出現(xiàn)嚴重裂縫，經(jīng)估算溫度拉應力高達2.6MPa；美國對Clcampiny箱形橋梁進行了觀測，其支座反力一日內(nèi)變化量高達26%（相當于這一反力變化值的箱梁頂、底板表面的10℃溫差引起3.29 MPa下翼緣應力）。在我國，漓江二橋、云南六庫怒江大橋、山東臺兒莊大橋、貴州思恩大橋和山西風陵渡黃河大橋等的箱梁結構均出現(xiàn)了不同程度的裂損情況[13]；試驗研究表明，箱梁某些部位的溫度應力大于荷載應力是預應力混凝土箱梁發(fā)生裂縫的主要原因。

我國幅員遼闊，各地的自然環(huán)境差異較大。由于混凝土橋梁所處的自然環(huán)境不同，對涂刷其表面的防護涂層體系的性能要求將有所不同。涂層體系（底漆+面漆或底漆+中間漆+面漆）要與混凝土基面具有很好的適應性，同時能夠在設計壽命期內(nèi)維持應有的防護效果。一方面，封閉漆與混凝土基面應具有優(yōu)異的相容性（潤濕性、滲透性、耐堿性和優(yōu)異的附著力）。另一方面，中間漆應具有良好的屏蔽性能。此外，工業(yè)污染嚴重地區(qū)，面漆的性能要求主要考慮耐酸、耐堿性；沿海地區(qū)海洋大氣中氯離子含量較高，應涂刷具有抗氯離子能力及耐水性好的面漆；冬季寒冷地區(qū)，為避免凍融循環(huán)及防冰劑的不利影響，具有耐水性和抗氯鹽性能良好的面漆為最佳選擇；針對夏季高溫炎熱地區(qū)，在設計階段如果沒有充分考慮太陽輻射產(chǎn)生的溫度應力或成橋后對梁體的降溫措施不當，那么其對混凝土橋梁運營階段的結構安全性和耐久性的影響是相當可觀的。這就要求混凝土橋梁用防護涂料在防水防腐的基礎上，還應具有一定隔熱降溫的功能特性，將隔熱降溫涂料涂刷于混凝土橋梁受日照影響較大的部位可有效降低其表面溫度，避免由于日照引起的結構開裂而使有害介質(zhì)的順利侵入。

2橋梁涂裝的國內(nèi)外研究進展

2.1混凝土涂裝規(guī)范體系

在混凝土涂裝標準方面，歐洲和日本已形成了較為完整的標準規(guī)范體系。EN1062、EN1504-2、EN1504-9和EN1504-10均為歐洲標準規(guī)范體系。日本相關部門分別在1884年制訂了《道路橋梁氯離子對策指南·解釋》、1988年制訂的《混凝土維護修復要領·橋梁篇》等。我國對混凝土涂裝的防腐提出了一些指導性意見的相關標準和規(guī)范有GB50046-1995、HG/T20587-1996、JTJ275-2000、JTG/TB07-01-2006。隨后頒布實施的交通行業(yè)標準JT/T695-2007《混凝土橋梁結構表面涂層防腐技術條件》和JT/T821-2011《混凝土橋梁結構表面防腐涂料》是專門針對混凝土橋梁表面涂層的標準[14]，它系統(tǒng)地介紹了混凝土橋梁結構表面防腐涂層的設計原則和施工質(zhì)量控制。

目前，國內(nèi)外有關混凝土橋梁涂料的標準規(guī)范中僅對防腐技術和涂層體系要求做了規(guī)定，如規(guī)定了水的滲透性、二氧化碳透過率、氯離子濃度決定涂裝體系及耐堿性和抗氯離子的滲透指標等等。而對具有降溫隔熱功能的混凝土橋梁用涂裝體系的相關規(guī)定尚未提及。

2.2混凝土橋梁用防護涂裝體系

目前，國內(nèi)外混凝土橋梁常用的防護涂裝材料品種包括環(huán)氧及改性產(chǎn)品涂料、聚氨酯產(chǎn)品、聚脲彈性體、丙烯酸酯以及氟樹脂涂料等，多以防水防腐為主。如上海南浦大橋采用了環(huán)氧富鋅底漆+云鐵環(huán)氧中漆+氯化橡膠面漆的體系；杭州灣跨海大橋采用的涂裝體系為環(huán)氧樹脂封閉底漆+環(huán)氧樹脂中涂+聚氨酯面漆/氟碳面漆；京滬高鐵混凝土橋梁全線采用的聚氨酯底漆+芳香聚脲脂中層+丙烯酸脂肪族聚氨酯面漆配套體系在全國掀起了聚脲熱；美國加利福尼亞圣馬特奧橋采用100%固體分含量環(huán)氧砂漿底漆+芳香族聚脲樹脂中間涂層+脂肪族聚脲樹脂面漆的配套體系；日本的明石海峽大橋采用無機富鋅底漆+環(huán)氧中漆+氟樹脂面漆的涂裝配套體系[15]；

隨著防護涂料在混凝土橋梁上的普遍使用，完善混凝土橋梁用防護涂料的功能性是極其必要的。為降低橋梁混凝土結構表面溫度，可在涂料當中加入功能材料，使其滿足防水防腐要求的同時具有隔熱降溫功能。隔熱降溫涂料是一種新型的功能性涂料，其按隔熱機理和隔熱方式的不同，可分為阻隔性隔熱涂料、反射隔熱涂料及輻射隔熱涂料3類[16-17]。其中，熱反射隔熱涂料具有降溫效果明顯、安全系數(shù)高、施工操作簡便且環(huán)保等優(yōu)點，在建筑、儲（氣）罐、汽車以及飛行器甲板等領域的降溫中得到廣泛的應用并取得較好的效果。熱反射隔熱涂料在混凝土橋梁上的應用有待研究，這里提出了幾種應用方案：可將原涂層體系的面漆替換成熱反射隔熱涂料；或制備具有隔熱降溫功能的防水防腐涂料直接涂刷于混凝土結構表面；亦或研制具有荷葉效應的防水防腐降溫涂料等。

3結束語

在眾多的提高混凝土橋梁耐久性的防護措施中，表面涂層防護是一種簡便而有效的防護措施。與提高混凝土保護層厚度和增加混凝土的密實度相同，表面涂層通過物理隔絕方式阻隔腐蝕因子的侵入。本文從混凝土橋梁腐蝕環(huán)境因素展開分析，介紹了混凝土橋梁用防護涂料應具有的基本性能要求，并針對尚未考慮日照產(chǎn)生的溫度應力造成混凝土橋梁耐久性不足的問題，提出了熱反射隔熱涂料在混凝土橋梁防護當中的現(xiàn)實方案，為更加完善混凝土橋梁用防護涂裝提供參考依據(jù)。

【參考文獻】

[1]張譽，蔣利學，張偉平，等.混凝土結構耐久性概論[M].上海：上海科學技術出版社，2003.

[2]陳寒斌.嚴重酸雨環(huán)境下混凝土性能與環(huán)境性評價[D].重慶：重慶大學，2006.

[3]李金玉，曹建國，林莉田，等.水工混凝土耐久性研究的新進展[J].水力發(fā)電，2001（4）：44-47.

[4]Planel D，Sercombe J，Le Bescop P，et al.Longterm performance of cement paste during combined calcium leachingsulfate attack：kinetics and size effect[J].Cement and Concrete Research，2006，36（1）：137-143.

[5]盧君，楊彥克.多重環(huán)境因素對混凝土組合效應的分析[C].第七屆全國混凝土耐久性學術交流會論文集，2008.

[6]曹大富，富立志，楊忠偉.凍融循環(huán)作用下混凝土的受拉性能研究[J].建筑材料學報，2012，15（1）：48-52

[7]謝劍，魏強，李會杰.超低溫凍融循環(huán)下鋼筋與混凝土的黏結性能[J].天津大學學報，2013，46（11）：1012-1018.

[8]Hooton R D，JulioBetancourt G A.Investigation of the Effects of Various Deicing Chemicals，Curing Methods，and Concrete Placement on Salt Scaling Resistance of Concrete Surface[R].Final Report to Ready Mixed Concrete Association of Ontario，University of Toronto，Ontario，Canada.2005.

[9]Darwin D，Browning J，Gong L，et al.Effects of deicers on concrete deterioration[J].ACI materials journal，2009，106（5）：474-475.

[10]Sutter L L.The Deleterious Chemical Effects of Concentrated Deicing Solutions on Portland Cement Concrete[R].Final Report No.SD2002-01，South Dakota Department of Transportation，Pierre，South Dakota，USA.2008.

[11]F.凱爾別克.太陽輻射對橋梁結構的影響[M].北京：中國鐵道出版社，1981.

[12]徐帥.日照下混凝土箱梁的溫度場研究[D].北京：北京交通大學，2008.

[13]龍佩恒.溫度應力對既有混凝土連續(xù)箱梁橋開裂的影響分析[J].公路交通科技，2007，24（3）：68-71.

[14]李運德，黃玖梅，張軍.混凝土橋梁結構表面涂層防腐技術（一）[J].電鍍與涂飾，2008，27（7）：53-57.

[15]陳大風.橋梁涂裝耐腐蝕性研究[D].成都：西南交通大學，2007.

[16]夏正斌，涂偉萍.建筑隔熱涂料的研究進展[J]，精細化工，2001，18（10）：599-602.

[17]李東榮，李斌，魏洋.纖維復合材料加固橋梁技術研究[J].森林工程，2011，27（1）：68-71.

[責任編輯：胡建偉]