霍 麗，劉雪麗，李夢杰

(鄭州工程技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450006)

混凝土材料廣泛用于高速公路、碼頭、廠房、民用建筑，作為重要的結(jié)構(gòu)材料具有應(yīng)用廣泛、使用條件復(fù)雜的特點(diǎn)。隨著混凝土日益廣泛使用，問題也隨之出現(xiàn)，其中最突出的問題是耐久性問題。所謂混凝土的耐久性是指混凝土在使用過程中抵御外部環(huán)境介質(zhì)侵蝕，結(jié)構(gòu)和外觀不被破壞，能夠保持混凝土結(jié)構(gòu)安全正常使用的能力。目前，提高混凝土耐久性研究主要包括在設(shè)計(jì)和施工過程中采取的預(yù)防措施和在服役階段采取的耐久性修復(fù)措施。前者如改善水泥熟料礦物組成、采用外加劑、正確合理設(shè)計(jì)配合比、提高密實(shí)度、提高抗?jié)B性等。后者主要采用修補(bǔ)和表面防護(hù)的方法。

混凝土表面防護(hù)材料主要功能是通過圖、刷等方式在混凝土表面形成一層涂層，阻止空氣中的氧氣、水和鹽類介質(zhì)向混凝土中滲透和擴(kuò)散，延緩混凝土性能劣化和鋼筋銹蝕。由于混凝土結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于梁、板、柱、地面、內(nèi)外墻、貯槽、地下管道等場合，相應(yīng)的混凝土表面防護(hù)涂料品種也非常多[1-5]。

1 混凝土防護(hù)材料研究現(xiàn)狀

混凝土表面防護(hù)材料按照成分不同，可進(jìn)行以下分類。

1.1 無機(jī)防護(hù)材料

在工程實(shí)踐中無機(jī)防護(hù)多用于多用于“內(nèi)”防護(hù)，也就通過摻雜的方式在混凝土施工過程中加入?！皟?nèi)”防護(hù)常用的方法有[6]：(1)改變礦物熟料組成，使用性能上更加優(yōu)良的水泥品種；(2)摻用高效減水劑、引氣劑等外加劑及硅灰、磨細(xì)礦渣等摻和料；(3)正確設(shè)計(jì)混凝土的配合比，仔細(xì)選擇骨料集配并在工藝上采取措施提高混凝土密實(shí)等。對(duì)處于氯離子腐蝕環(huán)境下的鋼筋混凝土采用的措施還包括提高混凝土保護(hù)層厚度、應(yīng)用阻銹劑、陰極保護(hù)及使用環(huán)氧涂層鋼筋[6]等。以上“內(nèi)”防護(hù)防護(hù)方法具有局限性，只能用于新建或擬建設(shè)混凝土結(jié)構(gòu)。上世紀(jì)八十年代以來，我國大量進(jìn)行基礎(chǔ)建設(shè)，如高速公路、深水碼頭、水庫大壩、城市立交、商廈、居民建筑等大量已建成的混凝土結(jié)構(gòu)的維修保護(hù)無法起到作用。近年來，研究用無機(jī)防護(hù)涂料對(duì)已建成混凝土結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。

混凝土結(jié)構(gòu)根據(jù)使用場景的不同，應(yīng)具有一種或幾種防護(hù)特性。比如對(duì)寒冷地區(qū)，混凝土結(jié)構(gòu)除凍融剝蝕是其主要破壞方式，引起凍融破壞的因素，除了低溫及施工因素外，水汽的侵入是主要因素。因此在這種環(huán)境下防止水的侵入是非常重要的。

引起混凝土中鋼筋銹蝕的因素很多，但是大量事例指出“氯鹽”核心破壞因素。氯鹽向混凝土內(nèi)部滲透是靠水作為通道。因此，防止水的滲透也是房子氯鹽引起混凝土鋼筋銹蝕的重中之重。

傳統(tǒng)的混凝土防護(hù)方法，現(xiàn)場施工工程量大，施工條件艱苦，難以做到大面積養(yǎng)護(hù)，近年來，混凝土表面保護(hù)材料近年來發(fā)展十分迅速。一部分是以水泥基材為主的，加入一些添加劑，用改善砂漿或混凝土密實(shí)性的方式來改善水泥混凝土的耐久性能[7]。無機(jī)混凝土保護(hù)涂層物理方式和化學(xué)方式兩種方式起到防護(hù)作用。物理方式是利用無機(jī)混凝土保護(hù)涂層自身成膜來屏蔽腐蝕介質(zhì)進(jìn)入混凝土的內(nèi)部，這種方式的混凝土保護(hù)涂層的效用跟形成的膜的性質(zhì)密切相關(guān)，膜性質(zhì)的好壞將直接影響混凝土耐久性的優(yōu)劣;另一種方式為化學(xué)方式，是指無機(jī)混凝土保護(hù)劑滲入混凝土內(nèi)部，與水泥石孔隙中的水泥水化產(chǎn)物發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化生成新的物質(zhì)，新生成的物質(zhì)堵塞腐蝕介質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部的通道，從而有效阻止腐蝕介質(zhì)的滲入。

1.2 有機(jī)防護(hù)材料

有機(jī)防護(hù)材料主要是各種聚合物，按其成分不同可分成傳統(tǒng)聚合物材料、改性聚合物材料、疏水浸漬材料。

1.2.1 傳統(tǒng)聚合物材料

傳統(tǒng)聚合物材料是利用防護(hù)涂層自身成膜來阻擋腐蝕性介質(zhì)進(jìn)入混凝土，這種涂層方式的混凝土防護(hù)效果與樹脂固化形成膜的性質(zhì)密切相關(guān)，膜的性質(zhì)優(yōu)劣直接影響混凝土的耐久性。環(huán)氧樹脂、丙烯酸酯和聚氨酯是最常見的傳統(tǒng)防護(hù)涂料，具有較好的耐久性和防護(hù)性能。但環(huán)氧類樹脂耐較差的耐紫外線性能、較大的固化收縮比，丙烯酸酯類與混凝土結(jié)合力差，聚氨酯主要原料異氰酸酯對(duì)人體有害等不利因素限制了傳統(tǒng)樹脂類防護(hù)材料的應(yīng)用。

文獻(xiàn)[8]從混凝土防水性、氯離子擴(kuò)散、耐化學(xué)侵蝕等方面考察了環(huán)氧樹脂、丙烯酸酯和聚氨酯的防護(hù)性能，發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹脂和聚氨酯材料做防護(hù)涂層對(duì)提高混凝土的耐久性最佳。

1.2.2 改性聚合物材料

傳統(tǒng)聚合物材料破壞方式主要有四種[9-11]：鼓包、裂縫、孔洞和剝落。通過改性聚合物涂料可以明顯提高涂層的強(qiáng)度、、彈性模量、耐腐蝕性能、耐熱性能，并且可以提高抗?jié)B性和阻燃性?？赏ㄟ^納米改性聚合物改善成膜性能，但對(duì)于納米改性聚合物涂料在混凝土表面防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用研究較少[12-13]。

聚合物改性水泥基材料是常見的混凝土表面防護(hù)材料，以傳統(tǒng)聚合物材料環(huán)氧樹脂、丙烯酸酯、聚氨酯與水泥基材料以及高純度集料混合而成，實(shí)際是無機(jī)和有機(jī)混合材料。文獻(xiàn)[11]闡述了該類材料通過聚合物將水泥基材料聚合成網(wǎng)絡(luò)、填充水泥基材料縫隙孔洞，增強(qiáng)水泥基材料自愈合性能、改善涂料的防紫外線性能提高涂料的成膜性能。

1.2.3 疏水浸漬材料

疏水浸漬材料是通過混凝土的多孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行滲透，并增大材料表面接觸角，當(dāng)接觸角>90°時(shí)，混凝土表面即為超疏水表面。經(jīng)浸漬處理后的混凝土表面可以阻止水和有害離子的水溶液進(jìn)入混凝土內(nèi)部造成混凝土的裂化，同時(shí)可以保證水蒸氣自由進(jìn)入混凝土。

硅烷、硅氧烷或者兩者的混合物是常用的疏水浸漬劑。硅烷和硅氧烷較小的分子量可以使之能滲透到混凝土表面下3～20 mm，分子鏈上的硅烷具有憎水性，降低材料表面張力。涂布量、基材強(qiáng)度、混凝土的水膠比、混凝土的濕度以及硅烷種類都會(huì)影響滲透深度[14-16]。

2 新型混凝土表面防護(hù)材料

在惡劣環(huán)境下，一般的混凝土防護(hù)材料無法滿足使用條件，目前具有綜合性和環(huán)保性的新型防護(hù)材料研究不斷進(jìn)展，下面介紹幾種新型防護(hù)材料。

2.1 玻璃鱗片參合聚合物涂層材料

在傳統(tǒng)聚合物材料里參合極薄的玻璃鱗片，通過涂刷、高壓無氣噴涂等方式厚涂在混凝土表面。由于玻璃鱗片具有耐久性、抗腐蝕性、固化收縮比小、抗?jié)B透性等優(yōu)點(diǎn)，在各種惡劣環(huán)境下得到廣泛應(yīng)用，特別是近年來在海工領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。賈夢秋等[17]對(duì)其耐久性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：參合玻璃鱗片的聚合物材料比不參合的 聚合物材料的耐久性、抗腐蝕性提高，同時(shí)具有抗沖擊性和抗剝離性，可有效抵御海浪等沖擊剝離。

2.2 水泥基滲透防護(hù)材料

水泥基滲透防護(hù)材料是以水泥基材為主的，加入一些添加劑，用改善砂漿或混凝土密實(shí)性的方式來改善水泥混凝土的耐久性能，如西佩克(XYPEX)、克塞佩克斯、韓國的水牛防水劑以及德國的KOESTERNBI系列產(chǎn)品等，還有我國的雪佳等產(chǎn)品。這類材料是由于混合物中的化學(xué)藥品在混凝土孔隙和毛細(xì)孔中形成許多分支的晶須，這些晶須會(huì)在各個(gè)方向上填實(shí)混凝土結(jié)構(gòu)，以阻止水分和其他液體的滲入。具有良好的透氣性，可以阻擋水分子但不能阻擋空氣分子的透過，在廣泛范圍內(nèi)不受弱酸性物質(zhì)、堿性物質(zhì)的侵襲，能防止凍融循環(huán)對(duì)混凝土的破壞，并對(duì)鋼筋起保護(hù)作用。這類材料在國際上享有“生物水泥”的美稱。鄭敏升[18]研究了該類涂層材料發(fā)現(xiàn)涂層具有良好的耐久性、抗腐蝕性、抗氯離子滲透性，可廣泛應(yīng)用于海工、鹽堿、高寒等環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)建設(shè)中。

2.3 新型有機(jī)硅防護(hù)材料

陳少鵬[19]，李柯[20]，黨俐[12]等分別探索了用有機(jī)硅改性環(huán)氧樹脂、丙烯酸酯合成新型防護(hù)材料，發(fā)現(xiàn)通過有機(jī)硅改性的材料具有良好的耐久性、抗?jié)B透性以及透氣性，具有良好研究前景和探索價(jià)值。有機(jī)硅類通常是指含有Si-C鍵的化合物，有機(jī)硅材料的表面能低，且能夠滲透到混凝土內(nèi)一定深度，使得混凝土表面與水的接觸角增大，甚至可達(dá)到105°以上。用于混凝土防護(hù)的有機(jī)硅類材料通常含有Si-O鍵，Si-O鍵可以和混凝土形成Si-O-Si鍵，牢固附著于混凝土表面，硅和氧的電負(fù)性差異大，接近于離子鍵，鍵強(qiáng)大，不易離解從而賦予它耐熱、抗氧化、耐輻射等性能。

通過阻止水的滲入和遷移，有機(jī)硅材料可以有效提高混凝土的耐水性、耐鹽腐蝕性能和抗凍融性能。進(jìn)而提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。有機(jī)硅防護(hù)涂料產(chǎn)品通常以烷基/烷氧基硅烷、硅氧烷、烷基硅醇鹽和含氫硅油等為主要活性成分，按照組成形式不同，有的由100%的活性物質(zhì)組成，有的由活性物質(zhì)按一定比例溶入溶劑組成。有機(jī)硅類涂料品種繁多，主要可分為溶劑型有機(jī)硅涂料、水性有機(jī)硅涂料、改性有機(jī)硅乳液和硅烷類等。

2.4 自修復(fù)涂層材料

自修復(fù)涂層材料是指涂層遭到破壞后能夠自動(dòng)修復(fù)的材料。自20世紀(jì)90年代提出以來，其研究方興未艾。從材料修復(fù)機(jī)理看主要有添加劑修復(fù)和本證修復(fù)兩種。王桂明[19]研究制備了化學(xué)轉(zhuǎn)換型水泥混凝土裂縫自修復(fù)材料(CCSM)，并研究其對(duì)裂縫修復(fù)的作用機(jī)理。研究表明，CCSM可顯著提高水泥基材料的抗?jié)B性和抗壓強(qiáng)度。CCSM主要是通過化學(xué)物質(zhì)擴(kuò)散滲透到混凝土內(nèi)部，借助化學(xué)轉(zhuǎn)換作用來提 高混凝土的抗?jié)B性，并賦予混凝土自修復(fù)功能。

3 結(jié) 語

混凝土作為人類社會(huì)發(fā)展至今最重要的建筑材料，廣泛應(yīng)用于房屋、橋梁、鐵路、機(jī)場、地下管廊等重要的人類活動(dòng)場所。對(duì)混凝土的防護(hù)是一種非常重要又缺乏系統(tǒng)研究的領(lǐng)域據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國2018年人均擁有混凝土的數(shù)量達(dá)到6 m3，可以說，我們的生活已經(jīng)和混凝土密切關(guān)聯(lián)而且不可或缺。隨著混凝土結(jié)構(gòu)材料耐久性研究的深入，對(duì)混凝土表面防護(hù)材料研究日益受到重視，提高混凝土防護(hù)材料防護(hù)性能，環(huán)境友好性，降低防護(hù)造價(jià)對(duì)提高我國混凝土結(jié)構(gòu)防護(hù)水平以及混凝土機(jī)構(gòu)安全運(yùn)行具有重要意義。