融雪鹽環境下橋梁混凝土防腐涂層研究進展

文一平　呂昕　宋莉芳

摘? ?要：橋梁混凝土在服役過程中如遭受鹽凍腐蝕，將導致混凝土耐久性變差，使用壽命大大降低。研究橋梁混凝土的在融雪鹽環境下的腐蝕破壞現象，提高其耐久性，具有重要的實際應用價值。本文總結了公路橋梁混凝土在融雪鹽環境下的腐蝕破壞特點和形成原因，歸納了目前針對融雪鹽造成的混凝土鹽凍腐蝕破壞問題的防護手段，最后對混凝土防腐蝕涂層的材料研發和應用的進展進行了總結。

關鍵詞：橋梁混凝土? 防腐? 鹽凍? 涂層

中圖分類號：TQ316.33? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）07（a）-044-04

Abstract： The durability of bridge concret will be deteriorated if the salt corrosion occured during the service process. The? concrete service life will be greatly reduced. It is of great practical value to study the corrosion damage of bridge concrete under the snow melting salt environment and improve its durability. The corrosion failure characteristics and corrosion formation reasons of bridge concrete under snow melting salt environment have been summarized. The current protection measures for bridge concrete against salt corrosion caused by snow melting salt has been presented. Finally， the research progress and application of concrete anti-corrosion coating materials have been given in detail.

Key Words： Bridge concrete; Anti-corrosion; Salt freezing; Coating

近年來，我國公路橋梁建設發展迅速，交通設施逐步完善，但也給公路橋梁維護帶來了巨大壓力。特別是水泥混凝土橋面板、護欄等結構，在服役過程中往往受到諸多因素的影響，如凍融，腐蝕，堿骨料反應，鋼筋腐蝕，機械損傷等。繼而在應力腐蝕作用下出現層狀剝落脫落，嚴重情況下出現砂石外漏、疏松露筋。甚至有的混凝土結構的外觀并沒有明顯的腐蝕劣化，但強度明顯降低，腐蝕破壞現象較為嚴重。

鹽凍腐蝕破壞問題在橋梁混凝土中十分突出，特別是由融雪鹽引起的鹽凍腐蝕破壞會嚴重導致混凝土劣化、鋼筋銹蝕、橋梁結構耐久性顯著下降。人為大量使用融雪鹽，造成混凝土受鹽凍剝蝕，難達到設計使用壽命。由于融雪鹽頻繁使用，造成的橋梁混凝土耐久性失效所引起的經濟社會效益損失巨大，加劇了橋梁混凝土耐久性的失效風險。

1? 混凝土鹽凍腐蝕的特點

混凝土鹽凍腐蝕作為一種特殊的混凝土腐蝕破壞現象，對混凝土結構損害巨大，破壞效果嚴重。一般情況下，與因凍融循環等其他因素所引起的腐蝕破壞相比，混凝土在鹽凍環境中所發生的破壞，破壞速度更快，表層剝落、疏松和鋼筋銹蝕現象更加嚴重，最終導致混凝土表層砂漿剝落，骨料暴露脫落，表面凹凸不平，嚴重影響混凝土構件的服役壽命[1]。

水泥橋梁混凝土是我國部分地區極重要的交通結構形式，為保證雪后交通安全采取融雪鹽對路面除雪十分必要，但不可避免造成橋梁橋面及護欄的剝蝕和開裂，使水泥橋梁混凝土達不到設計的使用年限，不僅影響了基礎設施建設，而且影響我國國民經濟可持續發展戰略。

2? 混凝土鹽凍腐蝕的形成原因

在既有橋梁混凝土結構中，鹽凍腐蝕破壞現象普遍存在，嚴重危害混凝土結構適用性，造成巨大的社會經濟損失，混凝土鹽凍腐蝕的形成原因有自然因素和人為因素。

2.1 自然氣候因素

在高速路網和城市基礎設施使用中，大量橋梁混凝土構件的日常養護不到位，橋梁混凝土具有嚴重的耐久性失效風險。受自然地理氣候因素條件制約，河流、湖泊、海洋、鹽漬土區域的橋梁混凝土結構不可避免地受到侵蝕性鹽離子腐蝕，在寒區的橋梁混凝土結構面臨的鹽凍腐蝕破壞現象更為嚴重。混凝土所處的腐蝕性的主要環境因素包括干濕循環、鹽霧腐蝕、凍融循環、浪濺沖擊、行車飛濺等。

2017年末我國公路橋梁達83.25萬座、總長度達5225.62萬m，其中特大橋梁4646座、826.72萬m，大橋91777座、2424.37萬米[2]。我國地形復雜，山地面積廣袤，部分地區山巒重疊、溝壑縱橫。溝深谷幽、戈壁大漠等地形地貌特點迫使部分地區大規模的采用以橋代路的方式來構建交通布局[3]，這樣的交通方式加劇了公路橋梁混凝土的日常養護難度。橋梁混凝土橋面、排水設施、護欄、伸縮縫、支座、河床防護、墩臺、調治構造物等面臨著巨大的日常養護重任。

2.2 融雪鹽使用

目前，大多數地區在冰雪天氣保證交通，經常使用大量氯鹽融雪劑，主要包括氯化鈉，氯化鈣，氯化鎂等。在寒冷山區路段，高速路橋隧相連，每逢冬季降雪路面結冰，降雪長時間不化;在經過長下坡路橋時，為防止剎車片過熱、避免剎車失靈，常利用噴淋使剎車片降溫，會在深冬季節結冰，嚴重威脅車輛行駛安全。為保證交通安全，常拋灑氯鹽類融雪鹽，使冰雪迅速融化。

上述各種人為因素，使得橋梁混凝土的橋面、護欄均不同程度的遭受融雪鹽引起的鹽凍腐蝕破壞。此外由于日平均溫度變化、車輛碾壓，路面積冰積雪反復凍融循環，在被迫采用大量融雪鹽對路面進行除雪除冰的條件下，冰、雪、鹽長期存在，對混凝土路面表層的侵蝕破壞非常大[4]。由此可知，由融雪鹽引起的橋梁混凝土耐久性破壞更為嚴峻。

3? 鹽凍腐蝕對混凝土結構的影響

公路橋梁混凝土耐久性現狀相關研究發現[5]，我國高寒地區和以西北、東北為主的廣大北方地區，因大量使用融雪鹽而產生的鹽凍現象，對橋梁結構的正常使用產生嚴重影響。有關調研[6]深入考查橋梁混凝土耐久性問題，結果發現，排除混凝土結構設計、施工等先決因素，大量使用融雪鹽是橋梁混凝土侵蝕損壞，鋼筋腐蝕和橋梁耐久性的重要外部環境因素。

大部分路橋冬季易結冰，融雪鹽使用頻繁，國內外因使用融雪鹽而導致的橋梁混凝土結構耐久性降低的案例不勝枚舉，造成的經濟損失也十分慘重。有學者用5倍定律強調了橋梁混凝土耐久性，在鋼筋防護方面節省1美元，每當發生鋼筋銹蝕、順筋開裂、嚴重破壞時，因采取措施所花費的費用卻以5倍趨勢遞增。

鹽凍腐蝕不僅造成了嚴重的經濟損失，在加固舊梁并修建新梁的過程中，還會造成嚴重影響交通及公眾日常生活等一系列問題。德國某大型立交橋梁由于撒布融雪鹽，不足20年混凝土護欄就出現表面剝蝕、鋼筋銹蝕的現象，無法正常使用，被迫在原址近旁新建橋梁。英國于1973在一段長為25km的高速公路上建造了11座橋梁，因保障雪天的交通通暢而大量使用融雪鹽，使用數年內混凝土表面就出現順筋裂縫，多年來在修復花費費用巨大，據估計2004年的修復費用已經達到工程造價6倍左右。加拿大地區調研發現，若對所有因在冰雪季大量使用融雪鹽而發生嚴重破壞的橋梁進行維修，保守估計修復費用將超5000億美元。

20世紀70年代末，我國大量建造和使用中的橋梁混凝土也因融雪鹽使用，從而損失巨大。有關調研顯示，北京市政立交橋路面、哈大高速公路護欄等混凝土結構已經出現嚴重的剝蝕和開裂現象。遼寧省的白山立交橋，沈海立交橋等橋梁混凝土有不同程度的融雪鹽蝕。

4? 橋梁混凝土的防護措施

針對以上突出問題，對普遍存在同時重要影響國民經濟的橋梁混凝土構件，目前針對其耐久性改善手段主要集中在改善混凝土的配合比、提高施工水平和使用封閉涂層防護3個方面[7]。然而在混凝土構件發生鹽凍腐蝕破壞現象前，可采用預防性涂層防護處理;鹽凍破壞發生后，在采取常規修復、加固等手段外，仍能采用涂層防護處理。可見涂層防護處理對橋梁混凝土構件的質量保障意義重大。因此，對于現有的橋梁混凝土結構，采用有效的涂層保護措施是保證橋梁混凝土結構耐久性的重要措施。

橋梁混凝土在融雪鹽環境下的防護現狀，主要是從優化橋梁結構設計、改善混凝土性能和表面涂層保護3個方面來進行防護的。

4.1 優化橋梁結構設計

在優化橋梁結構設計方面，結構更為安全的橋梁混凝土對融雪鹽環境具有更優異的防護效果。橋梁結構是橋梁使用性能中的最為重要表現，結構設計是較為復雜的系統工程，目前橋梁結構設計中考慮強度因素多于耐久性;考慮強度的極限狀態多于使用的極限狀態，考慮橋梁結構的建造多于橋梁結構的維護。為此，需要本著結構安全、耐久適用、經濟合理性原則來優化橋梁設計。

4.2 改善混凝土性能

在改善混凝土性能方面，更高性能的橋梁混凝土對融雪鹽環境具有更優異的防護效果，混凝土性能的提高主要是指混凝土強度、混凝土抗變形性和混凝土耐久性的提高。具體可采用高強度等級的水泥、降低水灰比、濕熱養護、齡期調整、改進施工工藝、摻加外加劑等。混凝土性能的改善是從材料自身角度提升橋梁混凝土耐融雪鹽腐蝕的重要要措施。

4.3 表面涂層保護

在表面涂層保護方面，采用合適防腐涂料涂裝的混凝土對融雪鹽環境具有更優異的防護效果。相比于上述兩種主動防腐手段，采取表面涂層保護，可以針對性的處理混凝土表面，使用范圍廣，成本較低廉，操作簡易快捷。主要采用隔絕腐蝕通道原理，通過在混凝土表面涂裝防腐涂料，封閉表面裂縫和細小孔隙，隔絕混凝土與侵蝕性離子的接觸，最終實現對混凝土構件的防護。表面涂層防護既可用來作為新建橋梁混凝土結構的預防性保護，也適用于既有舊橋的修復加固。表面涂層保護作為預防保護性防護措施已經在混凝土防護方面發揮著重要的作用。

5? 橋梁混凝土防腐涂層研究進展

涂層保護措施是緩解橋梁混凝土結構損壞的有效措施。通常使用封閉的涂層，能使腐蝕性介質與混凝土接觸隔離，并最終延遲混凝土失效。普通混凝土耐腐蝕涂層可分為有機，無機和有機-無機復合混凝土涂層。然而，傳統的混凝土防腐涂料是有機涂料，如全氯乙烯涂料，氯化橡膠涂料，丙烯酸酯涂料，聚氨酯涂料等。含有大量有機溶劑，不僅危害環境，還影響人體健康。

環保型防腐涂料目前是利用混凝土表面涂層來解決混凝土鹽凍破壞的途徑。其特點在于低毒無害，不包含或低釋放可揮發有機物含量（VOC）[9]。環保型水性涂料，常以水性化樹脂或分散樹脂為主要成膜基料。特點在于稀釋劑為水，大大提升了環保性。成膜基料眾多，包括環氧樹脂、丙烯酸樹脂、聚氨脂、氟碳樹脂、氯化橡膠等，大量地應用于火車、橋梁、船舶等表面防腐蝕、防銹涂裝等。

由此可見，涂層保護措施是緩解橋梁混凝土結構的一種有效措施。以水性涂料為代表的環保型防腐涂料作為預防性防護涂料，符合環保的要求，發展潛力巨大，發展趨勢快速。然而采用環保型防腐涂層方式來達到提高橋梁混凝土耐久性能的研究仍處在起步階段，可以預見，水性化環保涂料性能的提高，應用范圍的擴展，將成為研究重點。