表面防護技術對混凝土結構耐久性能的影響

周嬋，劉玉軍，蕭弘燁，張三平，溫振華

（1.武漢材料保護研究所，武漢 430030；2.北京建筑材料研究院，北京 100024；3.立邦涂料（中國）有限公司，上海 201201）

鋼筋混凝土結構的提前破壞，是建筑行業廣泛關注的問題[1]，碳化是重要原因之一。目前，國內對減小碳化破壞的方法主要有2 種，填充浸滲材料和涂覆表面隔離型的涂料。文中研究了浸滲+涂覆型的表面防護技術，浸滲處理，浸滲+氟碳涂層和聚脲涂層等混凝土表面保護技術對改善混凝土抗碳化性能的防護作用。

混凝土“碳化”是空氣或水中的CO2，SO2及各種鹽類等有害物質與水泥石中Ca（OH）2發生中性化反應，使混凝土孔隙液pH降低，當pH降低至一定臨界值后，破壞鋼筋表面的鈍化膜層，導致鋼筋的腐蝕破壞[2]。因此鋼筋表面是處于鈍化狀態還是處于局部活化狀態，與鋼筋周邊混凝土孔隙溶液的pH 和Cl-含量以及鋼筋在該孔隙液中的腐蝕電位有很大關系（如圖1所示）?；炷羶戎娩摻畹碾娀瘜W參數間接反映了孔隙液pH臨界值的變化，因此通過電化學方法可以評定上述混凝土表面防護技術對提高防碳化能力的影響。

圖1 Fe-H2O體系pH-電位示意[3]Fig.1 pH-potential diagram of Fe-H2O system

對砼結構表面采用外加防護技術可明顯抑制砼的中性化破壞，并提高內置鋼筋的耐腐蝕性能，從而大大提高結構的耐久性。選用保護材料類型時，材料應具有較為有效的防護能力，在服役環境下的化學穩定性和壽命。試驗中的保護材料多屬于高分子類材料，在太陽光（波長低于400 nm的紫外光）長期輻射以及夏日露天高溫、高濕環境下，易于發生老化破壞，逐漸喪失防護性能?？紤]到防護的長期性要求，在紫外/冷凝的模擬氣候環境下開展了加速氣候老化試驗，評估了材料抗氣候破壞性能。

1 試驗材料和方法

1.1 試樣

基體試樣為砂漿材料（尺寸為100 mm×100 mm×100 mm）和內置鋼筋砂漿材料（尺寸為40 mm×40 mm×40 mm，試件中心部位埋置φ=4 mm鋼筋），在砂漿材料表面浸滲和涂覆保護材料，編號如下。

1）試樣1 為無機浸滲型保護材料。主要成分：水性無機硅酸鉀、二氧化硅。

2）試樣2 為涂覆聚脲保護材料。固化劑：異氰酸酯，MDI；樹脂：端氨基聚醚、芳香二胺擴鏈劑。

3）試樣3 為硅烷浸滲+氟碳樹脂涂覆復合保護材料。氟碳樹脂主要成分：三氟氯乙烯和功能單體，浸滲材料中硅烷化合物質量分數不小于30%，面漆中氟碳樹脂質量分數不小于69%。

4）試樣4為有機硅烷浸滲型保護材料。主要成分：乙烯基三乙氧基硅烷。

防護材料均由廠家提供，它們屬于3 種類型的防護體系。

1.2 試樣制作

水泥砂漿配合比按JTJ 275-2000 設計進行，養護8 d后按JTJ 275-2000中附錄D和附錄E對試件表面分別進行浸滲和涂覆處理。

1.3 試驗方法

1.3.1 碳化試驗

根據GJB 82-1985 將空白砂漿試樣置于干燥箱內60 ℃下烘48 h，然后移入碳化試驗箱，碳化至28 d時，取出試件破型并用酚酞酒精溶液（酚酞質量分數為1%）測定其碳化深度。碳化齡期內控制碳化箱內二氧化碳體積分數為20%±3%，相對濕度70%±5%，箱內溫度（20±5）℃。

1.3.2 內置鋼筋電化學腐蝕性能測試

將有內置鋼筋的砂漿試件置于碳化箱前，焊接銅線，并用環氧樹脂密封試樣帶有鋼筋頭的兩個端面。待環氧樹脂固化后于60 ℃下烘48 h，移入碳化試驗箱進行碳化。在碳化齡期內控制碳化箱內二氧化碳體積分數20%±3%，相對濕度70%±5%，箱內溫度（20±5）℃，對保護體系先進行加速碳化預破壞。碳化28 d取出試樣，采用Versa Stat Ⅱ恒電流恒電位儀進行電化學測量。參比電極采用飽和甘汞電極，輔助電極采用不銹鋼電極，電位掃描速度：0.166 mV/s，電解液為NaCl水溶液（NaCl質量分數為3%），測量在室溫下進行。

1.3.3 紫外冷凝老化試驗

參照美國材料試驗標準ASTM 4587-2005《涂料及相關涂層紫外光/冷凝曝露試驗》對保護體系進行加速氣候老化破壞試驗。試驗過程如下：紫外光照射4 h，隨后讓試件表面處于結露冷凝狀態下4 h，以后按此反復循環進行。紫外熒光燈管發射光波的平均波長為340 nm。紫外光照射條件下溫度為60 ℃；冷凝條件下溫度為40 ℃。

2 結果與分析

2.1 混凝土表面防護技術對混凝土抗碳化性能影響

按1.3.1 試驗條件，經28 d 碳化后，獲得經不同表面處理的砼試件的碳化深度，結果如圖2所示。

圖2 各試驗涂層碳化深度試驗結果（0號為未加保護的試樣）Fig. 2 The carbonization depth of every sample（0 is the sample without protection）

碳化深度試驗表明，與未加保護的空白試樣相比，各保護材料的浸/涂處理均對混凝土的碳化作用有所抑制。有文獻指出[4—5]，硅烷類浸滲涂料表面處理后，混凝土仍然具有良好的透氣性，混凝土內部水分可通過表層向外揮發，也同樣不會影響二氧化碳向混凝土內部的擴散和遷移，即硅烷類浸滲材料對混凝土的抗碳化性能是沒有作用的。但在本研究中，浸滲型材料對提高混凝土抗碳化性能還是有所貢獻，只是較成膜型的保護材料，其作用效果不強。

使用氟碳材料和聚脲材料所獲得的混凝土表面涂覆涂層，比硅烷浸滲涂層對混凝土抗碳化作用提高具有更好效果，由于聚脲材料黏性高，其涂層的厚度（達200 μm）遠遠大于水性材料氟碳的涂層厚度（80 μm）。浸漬性保護材料防碳化效果遜于表面涂覆所形成的涂層，這與涂覆材料可形成致密涂膜、具有較好的屏蔽作用、可阻隔腐蝕性物質有直接關系。

2.2 碳化后混凝土內置鋼筋電化學試驗

按1.3.2 試驗條件，經28 d 碳化試驗后，獲得經不同表面處理的砼試件，其內置鋼筋腐蝕電位結果見表1。

表1 內置鋼筋碳化后電化學測量結果Table 1 The eletrochemical results of built-in steel after carbonization

從表1可以看出，除空白試樣外，經浸漬+涂料涂覆處理后砼試件其內置鋼筋的腐蝕電位值比較正，鋼筋表面仍處于鈍化狀態下的不腐蝕區。這說明經浸滲和涂覆處理后，試件雖然遭受加速碳化破壞，但砼/鋼筋界面的孔隙溶液pH仍處于臨界值以上，混凝土受到較好保護，其內部孔隙液成分較穩定，鋼筋表面未受到活化。在同樣條件下，遭受到預碳化破壞又未經保護材料處理的試件，其內置鋼筋電位值較前類試樣明顯負移。這說明加速碳化過程中，試件混凝土未受到有效保護而發生了碳化破壞，砼孔隙液的成分有明顯變化，pH下降，從而導致了鋼筋表面鈍化膜局部受到破壞而處于部分活化狀態。

在4種經保護材料處理的試件中，硅烷浸滲+氟碳樹脂涂覆的材料試件內埋鋼筋腐蝕電位相對正移。由圖1分析表明經該表面處理方法的鋼筋混凝土，其內置鋼筋較其他3 種材料處理得相對更遠離腐蝕區，受到腐蝕的傾向更小。

2.3 紫外老化試驗

老化試驗后測量保護材料的接觸角變化，判定材料的抗耐老化性能?？估匣玫谋Ｗo材料，接觸角變化小，保持自潔性的功能較高。按照耐候性試驗條件，經2 000 h的試驗后，測得4種表面處理材料試樣在各個試驗周期后的接觸角數據列于表2。

根據表2 結果，幾種保護材料體系經不同時間老化破壞以后，試件表面水滴接觸角變化曲線如圖3所示。紫外冷凝老化試驗結果表明：雖然4#硅烷浸滲材料在試驗前其水珠與表面之間的接觸角較大，平均值達到146.8°，應具有良好的自潔性，但僅經1 000 h 試驗后，其接觸角迅速下降，變化率高達66%，自潔功能幾乎喪失。

表2 各涂層材料在紫外老化試驗后接觸角變化Table 2 The changes of contact angle after UV aging test

試驗前聚脲和氟碳樹脂材料的水滴與基體之間形成的接觸角，雖然比4#小，其自潔性略差，但是經2 000 h加速老化破壞后，其接觸角變化率均小于4#的變化率，說明這兩種以涂膜為保護層的材料耐老化性好，其自潔性的保持時間優于以浸漬型的保護材料；進一步比較2#和3#，還可發現氟碳樹脂材料的自潔性能及耐久性要優于聚脲材料。聚脲材料經不同周期的氣候老化破壞試驗后，其接觸角損失率明顯大于氟碳樹脂涂覆材料；1#保護材料屬于無機型水性浸漬防護材料，一般無機材料受陽光、溫度影響較小，加速氣候老化試驗對其無實用意義，但是在紫外/冷凝加速老化試驗中水珠與表面接觸角也很快下降。這一現象應與紫外光破壞無關，可能與制樣完成后表面清洗不充分引起堿性物質反滲有關。

3 結論

1）針對4種保護材料所構成的3種保護方式進行了抗碳化以及保護材料耐久性研究。結果表明，浸滲+涂料涂覆具有較好防護效果，能提高混凝土抗碳化和防護鋼筋被腐蝕的能力。

2）浸滲材料耐候性不理想，戶外使用時的防護壽命有限，應予以重視。

3）比較各材料的保護效果，可以得到優劣次序為：浸滲+涂料涂覆復合防護＞涂料涂覆＞浸滲防護。

[1]RASHEEDUZZAFAR，DAKHIL F H，AL-GAHTANI A S.Corrosion of Reinforcement in Concrete Structures in the Middle East[J]. ConcreteInt Des and Constr，1985，7（9）：48—55.

[2]MOHAMMED A S. Use of Surface Treament Materials To Improve Concrete Urability[J]. Journal of Materials in Civil Engineering，1999，（2）：36—40.

[3]楊熙珍，楊武.金屬腐蝕電化學力學電位-pH 圖及其應用[M].北京：化學工業出版社，1991，100—105.

[4]LEAF M.水泥和混凝土化學[M].北京：中國建筑工業出版社，1980：133—135.

[5]孫中新，李繼航，劉繼獻，等.有機硅防水材料的“呼吸”性能研究[J].防水材料與施工，2003（1）：50—51.