姚淑芳，曾兵，王先前

（1.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；2.建研院檢測(cè)中心有限公司，北京 100013；3.深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 深圳 518037）

0 前言

混凝土表面涂裝技術(shù)作為一種經(jīng)濟(jì)有效的防護(hù)措施，通過阻斷各類腐蝕介質(zhì)滲入到混凝土內(nèi)的路徑，減緩混凝土構(gòu)件被腐蝕破壞的速率，延長混凝土構(gòu)件使用壽命的同時(shí)，有效降低既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)服役期間維修加固的成本[1]。這種措施有益于建筑結(jié)構(gòu)全壽命周期的綠色發(fā)展，助力國家早日實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。隨著混凝土結(jié)構(gòu)表面涂裝技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的頒布實(shí)施，我國混凝土結(jié)構(gòu)的表面防護(hù)技術(shù)趨于完善和規(guī)范。GB/T 50476—2008《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》、TB 10005—2010《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》、SL 654—2014《水利水電工程合理使用年限及耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》、DL/T 5241—2010《水工混凝土耐久性技術(shù)規(guī)范》、JGJ/T 259—2012《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性修復(fù)與防護(hù)技術(shù)規(guī)程》、JT/T 695—2007《混凝土橋梁結(jié)構(gòu)表面涂層防腐技術(shù)條件》等國標(biāo)或鐵路、水利、電力和交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)均表明，混凝土結(jié)構(gòu)可采取如表面涂層或表面浸漬等措施提高混凝土的耐久性。但實(shí)際工程中，如何選擇適宜的涂裝技術(shù)是人們面臨的首要難題。

本文通過對(duì)我國現(xiàn)有混凝土表面修復(fù)與防護(hù)用涂裝技術(shù)的梳理，包括執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)、性能要求和使用注意事項(xiàng)等，重點(diǎn)闡述新型隔離型涂層材料的應(yīng)用，并分析總結(jié)各類方法的優(yōu)缺點(diǎn)，可為混凝土表面修復(fù)與防護(hù)用涂裝技術(shù)更好地應(yīng)用提供參考價(jià)值，對(duì)有效延長混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 混凝土表面修復(fù)與防護(hù)用涂裝技術(shù)

根據(jù)對(duì)混凝土表面孔隙封閉的處理方式，可將現(xiàn)有混凝土表面修復(fù)與防護(hù)用涂裝技術(shù)主要為成膜型和滲透型2類。成膜型依靠封閉混凝土中的毛細(xì)孔以隔絕介質(zhì)的入侵，根據(jù)封閉空隙的形式可細(xì)分為表面成膜型和堵塞孔隙型。滲透型則依靠在混凝土孔隙內(nèi)表面形成疏水層阻隔以水為傳輸介質(zhì)的腐蝕發(fā)生，主要為有機(jī)硅類滲透型和水泥基滲透結(jié)晶型。隨著工程應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，近年來一種新型隔離型防護(hù)體系也逐漸引起人們的關(guān)注。

1.1 成膜型防護(hù)體系

成膜型防護(hù)體系由有機(jī)或無機(jī)涂料分層涂裝后可阻隔或延緩有害介質(zhì)侵入而達(dá)到防護(hù)混凝土的目的。有機(jī)成膜型防護(hù)體系最常用的材料有：環(huán)氧樹脂涂料、聚脲涂料、聚氨酯涂料、丙烯酸樹脂涂料、氟碳涂料和氯化橡膠涂料等[2]，無機(jī)成膜型防護(hù)體系組成材料則包括水泥、無機(jī)填料、聚合物乳液（乙烯-醋酸乙烯酯、丙烯酸酯或丁苯乳液）及添加劑等[2-3]。本文主要介紹應(yīng)用更廣泛的有機(jī)類成膜型防護(hù)體系。有機(jī)涂層系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中中間層涂膜為非必須層。不同涂層所起的作用不一樣，其中底層涂料須具有低黏度和高滲透的特性，使其滲透到混凝土內(nèi)部并成膜后發(fā)揮封閉混凝土表面孔隙及提高下一涂層粘結(jié)力的作用；中間層須與底層和面層均有較好的相容性及附著力，同時(shí)可抵抗外界部分有害介質(zhì)進(jìn)入到底層，以免危及混凝土性能；面層的主要目的為防止老化，進(jìn)而保護(hù)中間層和底層。根據(jù)材料特性與不同涂層性能的要求，環(huán)氧樹脂涂料既可用作底層也可用作中間層涂料，丙烯酸酯樹脂涂料可用于底層、中間層或面層，而聚氨酯涂料、氯化橡膠涂料和氟碳漆一般只作面層涂料使用[4-6]。

圖1 成膜型防護(hù)體系的基本結(jié)構(gòu)示意

成膜型防護(hù)體系可適用于大氣區(qū)、浪濺區(qū)及平均潮位以上的水位變動(dòng)區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)。但應(yīng)注意一旦混凝土結(jié)構(gòu)跨越了水域，其開始涂裝的位置必須設(shè)置于平均潮位以上。成膜型涂層體系根據(jù)防腐蝕年限長短可分為普通型和長效型2類，設(shè)計(jì)壽命分別對(duì)應(yīng)10年和20年。根據(jù)腐蝕環(huán)境和涂層防腐蝕年限設(shè)計(jì)要求，涂層系統(tǒng)和涂層厚度的選用可按現(xiàn)行JTS 153—2015《水運(yùn)工程結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》、JT/T 695—2007、JT/T 275—2000《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定執(zhí)行。當(dāng)涂層采用成膜型涂料時(shí)，其技術(shù)要求主要依據(jù)現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/T 335—2011《混凝土結(jié)構(gòu)防護(hù)用成膜型涂料》的規(guī)定，如表1所示。

表1 涂層技術(shù)性能要求

1.2 滲透型防護(hù)體系

與水泥基滲透結(jié)晶型防護(hù)體系相比，有機(jī)硅滲透型防護(hù)體系造價(jià)更低、施工更簡單、防護(hù)效果更佳，應(yīng)用也越來越廣泛[7-9]。因此，本文主要介紹有機(jī)硅滲透型防護(hù)體系。這類防護(hù)體系以黏度較低且分子直徑在1~7 nm間的硅烷或硅氧烷膏體或液體類材料為主，可有效滲透進(jìn)混凝土內(nèi)部5~10 mm[10]。硅烷材料在浸漬混凝土?xí)r可與混凝土中的堿性物質(zhì)作用，干燥后在混凝土表面生成數(shù)毫米憎水薄層，達(dá)到疏水的目的，同時(shí)保持已有的空隙不被封閉，其原理如圖2所示[11]。

圖2 滲透型涂料防護(hù)原理示意

目前，涉及該類材料的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)有：JC/T 2235—2014《混凝土用硅質(zhì)防護(hù)劑》、JT/T 991—2015《橋梁混凝土表面防護(hù)用硅烷膏體材料》、JG/T 337—2011《混凝土結(jié)構(gòu)防護(hù)用滲透型涂料》、JTJ 275—2000、JTS 153—2015、TB/T 3228—2010《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性修補(bǔ)及防護(hù)》、T/CCES 12—2020《混凝土結(jié)構(gòu)用有機(jī)硅滲透型防護(hù)劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》。上述標(biāo)準(zhǔn)均主要通過考查吸水率、滲透深度、抗氯離子滲透深度、氯化物吸收量的降低效果或干燥系數(shù)來評(píng)判該類體系的防護(hù)性能。此外，根據(jù)使用環(huán)境的不同，部分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其耐久性做了補(bǔ)充規(guī)定。對(duì)于應(yīng)用在嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)進(jìn)行硅烷材料的抗鹽凍性能測(cè)試；對(duì)于應(yīng)用在氯化物環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)進(jìn)行抗鹽霧性能測(cè)定；對(duì)于長期暴露于陽光環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)進(jìn)行耐紫外老化性能的測(cè)定。因?qū)嶋H施工使用的環(huán)境不同，不同行業(yè)間所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于硅烷材料的技術(shù)要求會(huì)略有差異，見表2。

表2 硅烷滲透型防護(hù)體系的性能要求

硅烷材料只有充分滲入到混凝土內(nèi)一定深度后，才能發(fā)揮有效防護(hù)作用，而滲透深度受硅烷有效成分含量、基材干燥程度、混凝土基材致密程度、基材表面缺陷等因素影響[12-16]。因此，在實(shí)際防護(hù)施工時(shí)，必須對(duì)混凝土表面缺陷進(jìn)行施工前處理，去除對(duì)硅烷滲透不利的因素，如可能附著的碎屑、灰塵和油污等；同時(shí)必須保證混凝土施工時(shí)的基面為半干或干燥狀態(tài)。此外，為保證硅烷防護(hù)體系達(dá)到預(yù)期的有效滲透深度，建議液體類硅烷材料的用量≥400 ml/m2、膏狀類硅烷材料的用量≥300 ml/m2。對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)的水平面建議優(yōu)先使用液體類，其他面宜用膏狀類，延長涂料滲透進(jìn)混凝土內(nèi)部的時(shí)間，從而提高混凝土結(jié)構(gòu)單位面積上接觸到的硅烷或硅氧烷的有效成分的含量。

1.3 隔離型防護(hù)體系

區(qū)別于上述2種防護(hù)體系，隔離型防護(hù)體系由水性氟碳涂料表層和環(huán)氧膩?zhàn)觾?nèi)層構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)示意如圖3所示[17]。該體系防護(hù)機(jī)理是：混凝土表面高粘結(jié)強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)性環(huán)氧膩?zhàn)油耆艚^介質(zhì)交換，阻止水、CO2、酸雨等向混凝土內(nèi)部滲透，同時(shí)阻止混凝土內(nèi)堿性物質(zhì)向外遷移后混凝土酸堿度的變化；表層為與膩?zhàn)訉痈街谩⒛秃蛐詢?yōu)的氟碳涂料，延緩膩?zhàn)訉右蜃贤饩€照射導(dǎo)致的老化。該體系主要針對(duì)新建或既有混凝土結(jié)構(gòu)的修復(fù)和防護(hù)，也可用于混凝土結(jié)構(gòu)的裝飾裝修，如裝配式清水混凝土表面的涂裝。為規(guī)范新技術(shù)的實(shí)施應(yīng)用，T/CECS 746—2020《混凝土耐久性修復(fù)與防護(hù)用隔離型涂層技術(shù)規(guī)程》在材料、設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收4個(gè)章節(jié)分別對(duì)隔離型防護(hù)體系的材料性能、專項(xiàng)設(shè)計(jì)、施工工藝和驗(yàn)收提出了明確的要求。

圖3 隔離型防護(hù)體系的結(jié)構(gòu)示意

T/CECS 746—2020首先在材料章節(jié)對(duì)該體系構(gòu)成材料的環(huán)保性能作了明確規(guī)定。無溶劑型環(huán)氧膩?zhàn)优c水性氟碳涂料的有害物質(zhì)限量必須分別符合GB 30982—2014《建筑膠粘劑有害物質(zhì)限量》和GB 18582—2020《建筑用墻面涂料中有害物質(zhì)限量》的相關(guān)規(guī)定。無溶劑型環(huán)氧膩?zhàn)泳哂懈艚^介質(zhì)交換和修復(fù)混凝土表面缺陷及保護(hù)混凝土基體的作用，其技術(shù)要求包括施工性能、粘結(jié)性能、長期使用性能和耐介質(zhì)侵蝕性能，具體見表3。水性氟碳涂料是隔離型涂層的面層，為了保證涂層的使用年限，氟碳涂料利用了氟的諸多優(yōu)異特性，使其具有優(yōu)異的耐候性、附著力、抗刮傷性能和耐介質(zhì)性能；為加強(qiáng)施工質(zhì)量控制，增加了鉛筆硬度和耐丁酮溶劑擦拭性，相關(guān)技術(shù)要求具體見表4。

表3 無溶劑環(huán)氧膩?zhàn)拥募夹g(shù)要求

表4 水性氟碳涂料的技術(shù)要求

隔離型防護(hù)體系的修復(fù)與防護(hù)效果不僅取決于所使用材料的性能，還受施工質(zhì)量的影響。為保障該體系呈現(xiàn)最佳修復(fù)與防護(hù)效果，規(guī)程在設(shè)計(jì)和施工章節(jié)從工作環(huán)境、材料存儲(chǔ)、施工工藝等方面作詳細(xì)規(guī)定。在設(shè)計(jì)章節(jié)中，規(guī)定了防護(hù)工程專項(xiàng)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)工作環(huán)境、結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性等要求進(jìn)行，設(shè)計(jì)使用年限應(yīng)滿足20年的技術(shù)要求。施工時(shí)，無溶劑環(huán)氧膩?zhàn)訉拥暮穸缺仨殹? mm；坑洞深度＞1 cm時(shí)，必須分層修補(bǔ)；水性氟碳涂料的厚度必須≥60μm。此外，使用期間應(yīng)注意材料存放和施工環(huán)境，環(huán)氧膩?zhàn)訛殡p組份反應(yīng)型樹脂，常規(guī)型號(hào)的產(chǎn)品儲(chǔ)存和施工溫度宜為5～40℃，并應(yīng)根據(jù)施工環(huán)境溫度選擇相應(yīng)型號(hào)的產(chǎn)品；當(dāng)施工環(huán)境溫度＜5℃或＞40℃時(shí)，應(yīng)采用特殊型號(hào)產(chǎn)品。環(huán)氧膩?zhàn)訉討?yīng)至少分2遍施工，后1遍施工應(yīng)待前1遍實(shí)干后方可進(jìn)行。

在驗(yàn)收章節(jié)中，規(guī)程主要對(duì)現(xiàn)場如何檢驗(yàn)涂層體系是否滿足工程質(zhì)量要求進(jìn)行了規(guī)定，各檢驗(yàn)項(xiàng)目的技術(shù)要求見表5。內(nèi)層膩?zhàn)优c混凝土基材的粘結(jié)性能是保障涂層在服役中不發(fā)生脫落或起殼，并發(fā)揮隔離腐蝕介質(zhì)交換作用的主要表征方式；涂層體系間的附著力（水性氟碳涂料表層與膩?zhàn)觾?nèi)層及混凝土基材之間），同樣是隔離型涂層應(yīng)用過程中面層不脫落、不起殼、并保持良好耐候性的重要特征；水性氟碳涂料鉛筆硬度和耐溶劑擦拭性（丁酮）分別反映了該體系表面在抗刮傷、耐沾污和抵抗環(huán)境腐蝕介質(zhì)侵蝕的能力。通過上述技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試，可有效判定隔離型防護(hù)體系的實(shí)際施工工程質(zhì)量。

表5 隔離型防護(hù)體系工程施工質(zhì)量要求

2 技術(shù)性能對(duì)比

成膜型防護(hù)體系屬于應(yīng)用最早且應(yīng)用最廣泛的涂裝技術(shù)，生產(chǎn)研發(fā)和施工工藝較為成熟，標(biāo)準(zhǔn)體系較為完善，該技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)工程中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的防護(hù)起到了很好的作用[18-19]。其不足之處在于，對(duì)于基層的處理需采用膩?zhàn)舆M(jìn)行刮涂，非環(huán)氧類的膩?zhàn)訉尤菀壮蔀楸∪鯇?，易開裂、起殼，嚴(yán)重時(shí)將造成大面積脫落。此外，封閉于混凝土內(nèi)部的氣體受環(huán)境溫度和濕度的影響，出現(xiàn)熱脹冷縮，使涂層表面起泡、縮孔和滲銹[20-26]。同時(shí)，現(xiàn)有有機(jī)成膜類防護(hù)體系的耐候性不足[22-27]，在一定程度上限制了該類體系的應(yīng)用。在目前的工業(yè)大氣環(huán)境下，現(xiàn)有研究及既有工程實(shí)踐結(jié)果表明，采用普通成膜型涂裝工藝的防腐年限僅為3～5年[25]。

滲透型防護(hù)體系也屬于應(yīng)用較早且廣泛的涂裝技術(shù)，生產(chǎn)研發(fā)和施工工藝也相對(duì)成熟，標(biāo)準(zhǔn)體系近年來被逐步完善，研究證實(shí)的實(shí)際防護(hù)年限可超過20年[27-28]，但仍存在以下需要研究改善之處。對(duì)于孔隙率過高和過低的混凝土，硅烷材料的浸漬效果通常都達(dá)不到預(yù)期[29]。盡管硅烷及硅氧烷防護(hù)體系在混凝土孔隙中形成的疏水膜具有透氣特性，但不能有效降低二氧化碳的擴(kuò)散速率，使得混凝土的抗碳化性能較差。同時(shí)，水壓和水中微生物的長期作用也會(huì)導(dǎo)致硅烷和硅氧烷形成的保護(hù)膜失效，因此不建議在水壓超過250 Pa及浸水區(qū)采用硅烷浸漬防護(hù)[30]。此外，由于硅烷和硅氧烷浸漬不會(huì)改變混凝土表面的外觀，使得辨識(shí)該體系是否失效的難度較其他防護(hù)體系更大。

隔離型防護(hù)體系是較新的涂裝技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)主要為T/CECS 746—2020。采用庫倫法測(cè)試氯離子的滲透性表明，環(huán)氧涂層具有優(yōu)異的抗氯離子滲透性，1 mm厚的環(huán)氧膩?zhàn)拥姆雷o(hù)效果等同于200 cm厚硅烷或335 cm厚砂漿的效果。氟碳涂料組分的存在使該體現(xiàn)表現(xiàn)出優(yōu)異的耐候性、抗沾污和可裝飾性。環(huán)氧膩?zhàn)拥哪途眯钥蛇_(dá)50年，氟碳涂料可達(dá)20年。以20年為一個(gè)運(yùn)維周期計(jì)，采用隔離型防護(hù)技術(shù)的總成本約為滲透型防護(hù)技術(shù)總成本的60%、成膜型防護(hù)技術(shù)總成本的45%，因此該體系在全壽命周期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值更可觀。目前隔離型防護(hù)體系已在國內(nèi)多個(gè)市政橋梁、高速公路混凝土防撞護(hù)欄的涂裝工程中得到應(yīng)用，均取得了良好的效果。

3 結(jié)語

我國的建筑業(yè)正加速進(jìn)入存量時(shí)代，今后相當(dāng)長時(shí)間，我國大量以混凝土結(jié)構(gòu)為主體的既有建構(gòu)筑物將迎來改造修繕的高峰期?；炷帘砻嫱垦b技術(shù)作為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)防護(hù)經(jīng)濟(jì)有效的一種措施，將為建筑結(jié)構(gòu)的可靠性提供有利保障。與傳統(tǒng)成膜型及滲透型體系對(duì)比，隔離型防護(hù)體系作為一種新型的涂裝技術(shù)將為混凝土耐久性修復(fù)與防護(hù)工程的應(yīng)用提供更多的選擇。