混凝土防腐涂層研究進(jìn)展

中圖分類號(hào)：TQ178 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2025）05-0060-04

Abstract：Concrete has been widelyused in various fields such asbuildings，roads，bridges，tunnels，water conservancy projects，etc.，anditsstructural drabilityiscloselyrelated to itsown permeability.However，inthe processof long-term use，when the external corosive medium invades theconcrete，it will inevitably cause the deterioration of concrete performanceand corrosion damage of steel bars.Therefore，it is necessryto focus ontheresearchanddevelopment of high-performance anti-corrosion coatings to improve the durability of concrete service and ensure the safety of concrete service.The research progress of concrete corrosion mechanism and various anti-corosion coatings atthis stage wasreviewed.By applying an anti-corrosioncoating，the service life of concrete can be significantly extended and its durability enhanced.The research and development and application of high-performance concrete anticorrosive coatings is an important development direction and demand in the field of engineering safety assurance， which will bring more possibilities to the engineering field.

Key words：concrete；anticorrosive coating；durability ；corrosion mechanism

混凝土因其強(qiáng)度高、施工方便以及高性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁、道路、水利等工程領(lǐng)域。但在其服役過(guò)程中，隨使用年限的增長(zhǎng)不可避免地會(huì)產(chǎn)生耐久性損傷和結(jié)構(gòu)劣化，導(dǎo)致后期高額維修費(fèi)用，乃至影響工程安全。截止2023年第四季度，我國(guó)建筑業(yè)企業(yè)房屋竣工面積總量約77億 ，其中大部分為混凝土建筑且均已使用20年以上，自2020年來(lái)我國(guó)商品混凝土年均產(chǎn)量30億 左右，仍處于平穩(wěn)增長(zhǎng)階段。海洋工況下的混凝土腐蝕速率是陸地上的4～5倍，且 90% 以上的海港工程服役7～25年就會(huì)造成腐蝕破壞[1]。就現(xiàn)狀而言，如何做好混凝土后期維護(hù)以及新施工的前期預(yù)防，是值得相關(guān)專家學(xué)者深人研究的重要課題。

就混凝土防腐技術(shù)而言，現(xiàn)階段可從兩大方向歸納[2]，首先提高混凝土自身性能的基礎(chǔ)措施，如改變混凝土配比、摻雜高分子聚合物、阻銹劑、鋼筋外置保護(hù)層等，但僅依靠混凝土自身質(zhì)量，其耐腐蝕能力有限，長(zhǎng)期處于惡劣環(huán)境，不可避免會(huì)造成腐蝕破壞。其次是對(duì)混凝土進(jìn)行額外防護(hù)，通常采用涂層表面防護(hù)、陰極防護(hù)等。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證，混凝土表面防護(hù)被認(rèn)為是最為簡(jiǎn)潔有效的防護(hù)措施[3]，不僅可對(duì)新建混凝土進(jìn)行處理，還能應(yīng)用于老混凝土的維修工作中。延長(zhǎng)混凝土服役壽命，提高工程質(zhì)量在我國(guó)基建工程中有著至關(guān)重要的科研、經(jīng)濟(jì)及社會(huì)意義。因此混凝土防腐涂層的研究和開發(fā)應(yīng)用成為未來(lái)混凝土發(fā)展的重中之重。

1腐蝕機(jī)理

混凝土是一種多孔結(jié)構(gòu)材料，且服役環(huán)境多元化，如高寒、海洋、大氣污染、鹽堿地等環(huán)境，所以引起腐蝕的因素也多種多樣[4]。研究表明對(duì)混凝土耐久性造成嚴(yán)重影響的最關(guān)鍵3因素依次為：鋼筋銹蝕、硫酸鹽侵蝕以及凍融破壞[5]。

1.1 鋼筋銹蝕

鋼筋表面在初期經(jīng)歷電化學(xué)腐蝕，暴露在內(nèi)部孔隙溶液的強(qiáng)堿性環(huán)境中時(shí)，其表面形成致密氧化膜，此時(shí)發(fā)生鈍化反應(yīng)，可阻止鋼筋腐蝕。當(dāng)存在環(huán)境介質(zhì) 或 時(shí)，就會(huì)發(fā)生再活化，造成碳化反應(yīng)和氯鹽污染現(xiàn)象。

碳化反應(yīng)：空氣中的水分、 CO2 、SO2等大氣酸性氣體均易進(jìn)入混凝土的多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)，與高堿性混凝王發(fā)生中和反應(yīng)，破壞鋼筋穩(wěn)定鈍化態(tài)，造成混凝土體積膨脹，導(dǎo)致鋼筋腐蝕[6。有研究證實(shí)可通過(guò)增加混凝土覆蓋層厚、提高致密度阻止外界 侵人，進(jìn)而延緩碳化[7]。也有學(xué)者選用成膜型以及滲透型涂層，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)防腐涂料可有效提高混凝土抗碳化能力[8]

氯鹽污染：氯鹽在混凝土內(nèi)的腐蝕反應(yīng)多且復(fù)雜，包括離子互擴(kuò)散、電位作用下離子遷移、濃度差離子對(duì)流等多種傳輸方式。有研究認(rèn)為當(dāng)混凝土環(huán)境介質(zhì)中 到達(dá)臨界濃度會(huì)滲透鈍化膜與 反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物向外滲出，遇到含氧介質(zhì)時(shí)再次在鈍化膜外分解為 ，導(dǎo)致局部酸化[9]，鑒于 的“運(yùn)輸”催化，鋼筋在該種情況下會(huì)被腐蝕。

1.2 硫酸鹽侵蝕

研究認(rèn)為硫酸鹽侵蝕其實(shí)質(zhì)是環(huán)境水中的硫酸鹽離子與混凝土內(nèi)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)或物理反應(yīng)[10]當(dāng)膨脹內(nèi)應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致混凝土開裂。另外當(dāng)環(huán)境水中 與 共存，可生成Mg（OH）沉淀，并在 的促進(jìn)下，不斷向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散，析出堿金屬硫酸鹽并生成結(jié)晶水[11-12]

1.3 凍融破壞

我國(guó)嚴(yán)寒地區(qū)混凝土的主要破壞形式即凍融破壞。當(dāng)混凝土在含水環(huán)境冰點(diǎn)溫度附近反復(fù)，會(huì)造成混凝土內(nèi)部因膨脹產(chǎn)生拉應(yīng)力，以及因蒸氣壓差與鹽分濃差造成滲透壓力。兩者在反復(fù)凍融過(guò)程中對(duì)混凝土微觀結(jié)構(gòu)由表及內(nèi)逐步造成損傷，最終瓦解混凝土性能。目前有學(xué)者提出了靜水壓及滲透壓理論、微孔冰晶理論、低溫吸附理論、保水度-結(jié)冰壓耦合理論和粘接－剝落理論[13]，為寒區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

混凝土腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生不能從單一方面考量，往往是多因素疊加結(jié)果，如氯鹽污染、混凝土載荷以及循環(huán)凍融相互促進(jìn)加速破壞混凝土結(jié)構(gòu)[14]

2 防腐涂料分類

混凝土結(jié)構(gòu)防腐中，表面防腐涂料是最為便捷、經(jīng)濟(jì)、有效的措施，且已廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)，研究顯示混凝土防腐涂層可大致劃分為三類：表面成膜型、滲透型以及復(fù)合封閉型[15]。按配套需求通常有面漆、中間漆和底漆之分。面漆與中間漆多為表面成膜型，中間漆要求擁有良好的附著力，以及高耐腐蝕性與抗?jié)B性。面漆根據(jù)使用環(huán)境進(jìn)行選擇，底漆則多選用粘接性能較好的封閉型涂層[16] O

2.1表面成膜型涂層

在混凝土表面形成一層緊密的防護(hù)膜，形成物理隔離，有效防止混凝土遭受由水引入如Cl、 -等造成的腐蝕侵害，是目前應(yīng)用最為廣泛的防腐涂層類型。按其成分可細(xì)分為無(wú)機(jī)和有機(jī)兩大類別。無(wú)機(jī)涂層主要以水泥基涂層為代表，而有機(jī)涂層則涵蓋了環(huán)氧樹脂、丙烯酸酯、聚氨酯、氟樹脂以及聚脲彈性涂層等多種類型。

2.1.1 無(wú)機(jī)涂層

一般而言，無(wú)機(jī)涂層硬度較高，耐磨耐老化性能出眾，但在抗沖擊、抗凍融循環(huán)方面稍顯不足。以水泥基滲透結(jié)晶型涂層為例，它能夠巧妙地利用混凝土本身存在的孔隙進(jìn)行內(nèi)部滲透，形成結(jié)晶，從而提高密實(shí)度，達(dá)到防腐效果。也有通過(guò)水型聚合物對(duì)水泥基涂層進(jìn)行改性，增強(qiáng)界面的粘接性，維持出色的耐久性、耐熱性和透氣性，同時(shí)還提升水泥基的韌性和耐腐蝕性。聚合物水泥基涂層的成膜過(guò)程中，聚合物乳液將水泥等粉料包裹在內(nèi)并發(fā)生反應(yīng)，過(guò)程中乳液內(nèi)的水分逐漸揮發(fā)，乳膠顆粒脫水后粘結(jié)堆積，形成聚合物膜，同時(shí)，水泥水化產(chǎn)物、填料與聚合物相互穿插，共同構(gòu)建出致密的涂層結(jié)構(gòu)。目前也有研究建立有水泥基涂層單空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型，描繪了成膜三階段，但尚未形成統(tǒng)一定論。

地聚物涂層是近年來(lái)一種新型高性能無(wú)機(jī)材料涂層，主要成分為硅鋁酸鹽，分子主要以離子鍵與共價(jià)鍵連接，具有高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕、價(jià)格低廉、快硬早強(qiáng)、綠色環(huán)保等特點(diǎn)。優(yōu)良的特征使地聚物擁有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，如短周期快速建筑修補(bǔ)材料、防火耐溫材料等。并且由環(huán)裝分子鏈組成，籠型的結(jié)構(gòu)可有效固化重金屬離子，如對(duì)重金屬離子的固化效率達(dá)99.7%以上[17]

2.1.2 有機(jī)涂層

丙烯酸涂料普遍展現(xiàn)出良好的耐候性和耐腐蝕性，但在溫度方面表現(xiàn)敏感，低溫下易脆化，高溫時(shí)則變得粘稠。其中，熱塑性丙烯酸涂料具有出色的耐水性和抗紫外線老化能力；熱固性丙烯酸涂料柔韌性和附著性更優(yōu)。與熱塑性丙烯酸涂料在成膜機(jī)制上有所不同，熱固性丙烯酸涂料通過(guò)側(cè)鏈官能團(tuán)與外加官能團(tuán)的化學(xué)反應(yīng)、溶劑的揮發(fā)，實(shí)現(xiàn)相互交聯(lián)固化，形成穩(wěn)定的涂膜，分子量低而固含量高，成膜后光澤性以及抗黏著性更好，應(yīng)用更為廣泛。

環(huán)氧樹脂涂層由含環(huán)氧基的主劑組分與固化劑組分交聯(lián)固化而成，因具有穩(wěn)定性高、耐蝕性好、強(qiáng)度高、附著力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，但也存在涂層韌性差，耐候性不好，溫濕度敏感，耐紫外線弱的特點(diǎn)。聚氨酯涂層一般由異氰酸酯組分與含羥基化合物組分聚合交聯(lián)反應(yīng)生成，其分子結(jié)構(gòu)間距緊密，氣體和水分難以滲透，確保了涂層的堅(jiān)固與耐用。其性能類似于環(huán)氧樹脂涂層，耐候性好，耐腐蝕性能優(yōu)，相比丙烯酸涂層還有良好的耐溫性、水解穩(wěn)定性，但易粉化、固化反應(yīng)慢，且附著力較差。對(duì)比研究后發(fā)現(xiàn)相較于丙烯酸涂層，環(huán)氧樹脂涂層以及聚氨酯涂層的耐腐蝕性更優(yōu)[18]。我國(guó)現(xiàn)行多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，如JT/T695—2007《混凝土橋梁結(jié)構(gòu)表面涂層防腐技術(shù)條件》、JT/T275—2000《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐技術(shù)規(guī)范》內(nèi)均明確推薦在強(qiáng)腐蝕環(huán)境中搭配使用環(huán)氧樹脂涂層以及聚氨酯涂層，其中聚氨酯涂層常作為面漆，環(huán)氧樹脂涂層多作為中間漆、封閉漆，始建于2003年的杭州灣跨海大橋就應(yīng)用了該涂層配置。

氟樹脂涂層，是一種常溫固化型涂層，主要成分為氟烯烴聚合物或氟烯烴與其他單體構(gòu)成。耐候性良好，表面柔韌且堅(jiān)硬，表面光潔易打理，阻燃、防霉，還有較高裝飾性，溶解性較差，常作為面漆。異常優(yōu)異的防水抗沾污性使其在海洋防污領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用前景[19] O

氯化橡膠涂層是以氯化天然橡膠或合成橡膠制得，抗開裂，耐腐蝕性好，阻燃性好，防霉，我國(guó)寧波鎮(zhèn)海招寶山大橋工程就應(yīng)用了該涂層。但存在易沾粉塵、易褪色、與基材間附著力差，對(duì)大氣存在污染的特點(diǎn)，因此其進(jìn)一步發(fā)展存在限制[20]。

聚脲是由異氰酸酯組分與氨基化合物組分反應(yīng)生成的一種高固含量的新型涂層材料，通過(guò)近30年的發(fā)展，已在我國(guó)混凝土防護(hù)領(lǐng)域取得了相當(dāng)好的成績(jī)。它不僅施工便捷，全面突破了傳統(tǒng)環(huán)保型涂裝技術(shù)的局限，且具有力學(xué)性能佳、低溫韌性好、抗熱沖擊、抗沖刷磨蝕、耐水解穩(wěn)定性和防腐性強(qiáng)等特點(diǎn)。因其自身粘接性較差，常用環(huán)氧涂層作為底漆。聚脲材料的發(fā)展經(jīng)歷芳香族聚脲和常規(guī)脂肪族聚脲后，發(fā)展到第三代聚脲-聚天冬氨酸酯聚脲，它是一種新型的反應(yīng)速率可控的慢反應(yīng)脂肪族聚脲[21-23]，克服了芳香族聚脲耐老化性能差的不足，也改變了傳統(tǒng)聚脲以伯胺為原料、反應(yīng)速度太快、附著力不佳的缺點(diǎn)。水利工程防護(hù)方面，長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院自主研發(fā)的CW系列聚天門冬氨酸酯聚脲涂層成功應(yīng)用于丹江口大壩、南水北調(diào)中線干渠、宜昌湯渡河水庫(kù)、重慶萬(wàn)盛板遼水庫(kù)等眾多重點(diǎn)水利水電工程[24-25] 。

總的來(lái)說(shuō)，有機(jī)涂層的抗?jié)B性、耐腐蝕、抗碳化能力皆優(yōu)于無(wú)機(jī)涂層。但表面成膜型涂層由于與混凝土是分隔開的兩相，當(dāng)兩者間的界面被破壞，涂層剝離基體，就不再具有保護(hù)能力。因此，就有機(jī)涂層而言，除了要提升自身的綜合服役性能之外，與混凝土的界面粘接性及其耐久性也是需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。目前相關(guān)試驗(yàn)和理論仍不成熟，未有統(tǒng)一定論。

2.2 滲透型涂層

滲透型涂層以獨(dú)特的滲透能力，能夠深入混凝土表面的微小孔隙之中。通過(guò)化學(xué)反應(yīng)，在混凝土表面形成憎水保護(hù)層，有效抵御水分侵蝕，增強(qiáng)混凝土的耐久性和使用壽命。滲透型涂層主要是以分子結(jié)構(gòu)較小、黏度較小的硅烷及硅氧烷類材料為主[26]。目前化學(xué)鍵四步結(jié)合理論認(rèn)可度較高，描述硅烷界面的反應(yīng)機(jī)理[27]，硅烷鍵水解出的硅羥基能與混凝土表面的硅羥基反應(yīng)形成疏水性表面，阻礙水分及氯離子等有害離子的滲人，擁有良好的耐水性。由于生成的疏水層僅覆蓋孔隙表面，而非封堵孔隙，因此該涂層不影響 的滲入，所以抗碳化能力差。在一定水壓下水分依舊能滲透進(jìn)人，導(dǎo)致抗CI滲透性差。有研究發(fā)現(xiàn)厚度與硅烷涂層的防腐性呈較強(qiáng)關(guān)聯(lián)，通過(guò)復(fù)合多種硅烷提高涂層厚度以及致密度，能得到良好防腐性能的滲透型涂層[28]。目前滲透型涂層已應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外多鐘建筑結(jié)構(gòu)中，如房屋、碼頭、橋梁、下水道等。已建成工程中，香港青馬大橋、深圳大鏟灣碼頭、東海大橋、杭州灣大橋等均采用滲透型防護(hù)涂料。

2.3 復(fù)合封閉型涂層

該涂層結(jié)合了表面成膜型與滲透型涂層的優(yōu)勢(shì)，相比于表面成膜型涂層，復(fù)合封閉型涂層與混凝王形成整體，避免發(fā)生涂層剝落情況，對(duì)比滲透型涂層也擁有更好地抗碳化能力、抗腐蝕能力以及抵御高壓狀態(tài)下水的滲透能力，防護(hù)效果較好。但存在成本高、有污染、附著力、透氣性差等特點(diǎn)。

目前封閉型涂層主要包括：硅酸鹽溶液、聚合物封閉底漆以及滲透結(jié)晶型涂料[29]。其中低黏度硅酸鹽溶液滲透進(jìn)入混凝土孔隙，反應(yīng)生成的不溶性硅酸鹽對(duì)孔隙進(jìn)行封閉；聚合物封閉底漆則利用有機(jī)物對(duì)孔隙封閉，此過(guò)程常伴隨有害物質(zhì)的揮發(fā)，因此不利于推廣；滲透結(jié)晶型多為無(wú)機(jī)防腐材料，通過(guò)水的的滲透擴(kuò)散對(duì)孔隙進(jìn)行堵塞，并且得益于材料二次結(jié)晶作用，還能對(duì)微裂縫進(jìn)行自修復(fù)，提高混凝土抗?jié)B性、抗凍性、抗碳化性[30]

3展望

各類混凝土防腐涂層已在多個(gè)工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。展望未來(lái)，為了更好地適應(yīng)各種服役環(huán)境，需要對(duì)涂層的環(huán)境適應(yīng)性和耐候性進(jìn)行深入研究，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)更高性能的復(fù)合涂層，如微裂紋自修復(fù)、多種防護(hù)功能集成化等，將是未來(lái)的重點(diǎn)研究方向。

4結(jié)語(yǔ)

在混凝土的服役過(guò)程中，多種因素可能共同影響其完整性，進(jìn)而引發(fā)腐蝕現(xiàn)象。通過(guò)涂覆防腐涂層，可顯著延長(zhǎng)混凝土的使用壽命，增強(qiáng)其耐久性。高性能混凝土防腐涂層的研發(fā)與應(yīng)用是工程安全保障領(lǐng)域重要的發(fā)展方向與需求，將為工程領(lǐng)域帶來(lái)更多的可能性。

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（責(zé)任編輯：蘇幔）