文 | 于法鑫 陳麗華 葛夢凱 

 

摘  要：本文著重介紹了混凝土的腐蝕原理，表面處理方法，表面質(zhì)量控制測試，混凝土表面涂料應具有的性能和選用涂料品種類別。

關鍵詞：腐蝕  表面處理  涂料

1.前  言

混凝土進現(xiàn)代重要的建筑材料之一，廣泛用于大壩、橋梁、地板、貯槽和建筑等。堅硬的混凝土本身也是耐腐蝕的材料，經(jīng)常用于鋼結構的保護，但是混凝土也有反應性（如在酸性環(huán)境中），它的表面也需要涂料的保護。

2.混凝土的腐蝕

混凝土是由硅酸鹽水泥，填充骨料、水和助劑等混合后澆注而成。水泥的基本化學組成為3CaO ·SiO2和 β-2CaO·SiO2，以及少量的3CaO ·AL2O3、 4CaO·Al2O3·Fe2O3或者是一些鐵相的固體溶液MgO、CaO以及其化合物。除了加入骨料增強其耐磨性，有時還使用鋼筋骨架來增加混凝土構件的強度。由于暴露，在日曬、風吹、雨淋、大氣污染等長期作用下，鋼筋混凝土的腐蝕如果不引起重視和采取有效的防護措施，就會帶來嚴重的后果。有效的混凝土涂層應該具備防護和裝飾兩個方面的功能。

鋼筋腐蝕產(chǎn)物，鐵銹的何種約為原體積的2.5倍，所產(chǎn)生的膨脹壓力會造成混凝土的開裂、剝落，裂縫的產(chǎn)生又會引起更嚴重的腐蝕。引起混凝土內(nèi)鋼筋腐蝕最主要的原因是混凝土的碳化和氯化物的滲透量。

2.1混凝土的碳化

水泥漿對鋼筋混凝土具有保護鋼筋免受腐蝕的能力。鋼筋混凝土中水泥的水化產(chǎn)物氫氧化鈣是一種高堿性物質(zhì)，PH值在12.5以上，混凝土中鋼筋與該溶液接觸，表面會形成氧化亞鐵面膜，它可以鈍化鋼筋，阻止氧氣接觸鋼筋，對鋼筋起到保護作用。這種鈍化作用在堿性環(huán)境中是很穩(wěn)定的。當水分通過混凝土的孔洞，在里面形成氫氧化鈣。屬于堿性環(huán)境，由于外來的酸性氣體（如二氧化碳），滲與混凝土孔隙與氫氧化鈣發(fā)生化學反應，變成碳酸鈣，整個反應稱為碳化作用，反應式如下：

CO2+H2O+Ca（OH）→CaCO3+2H2O

當大量的碳酸鈣形成時，混凝土內(nèi)部堿性環(huán)境受到破壞，達到一定程度時，如PH值在9以下時，鈍態(tài)的氧化膜保護層就失去保護作用，混凝土內(nèi)的鋼筋產(chǎn)生銹蝕。混凝土的碳化因素很多，例如，水泥本身的質(zhì)量，施工時水和水泥比例，初凝時間、終凝時間，養(yǎng)護方法及環(huán)境等等。而多孔的混凝土比一般混凝土碳化速度快，有時甚至快10倍，此外施工也是一個十分重要的問題，例如鋼筋的保護層土過小，振搗機械時間及方法攪拌時間等等。

2.2氯化物的滲透

混凝土施工時往往會加入一些含有氯化物的外加劑，以及污染水源，砂、石等等。混凝土固化后，在大氣環(huán)境中的氯化物污染是難以避免的。氯離子是一種穿透力極強的腐蝕介質(zhì)，當接觸到鋼鐵表面，便迅速破壞鋼鐵表面的鈍化層，即使在強堿性環(huán)境中，氯離子（Cl-）引起的點蝕依然會發(fā)生。同時由于氣態(tài)或液態(tài)的水滲透到混凝土里面，而這種水并非純凈水，而是含有一些雜質(zhì)的電解液，電化學作用導致銹蝕加快進行。當氯離子滲透到達鋼筋表面，氯離子濃度較高的局部保護膜破壞，成為活化態(tài)。在氧和水充分的條件下，活化的鋼筋表面形成一個小陽極，未活化的鋼筋表面成為陰極，結果使陽極金屬鐵溶解，形成腐蝕坑，發(fā)生點腐蝕，整個過程發(fā)生反應如下：

Fe2++2Cl-+2H2O→Fe（OH）2+2HCl

4Fe（OH）2+O2+2H2O→4Fe（OH）3（鐵銹）

Fe（OH）3若繼續(xù)失去水份就形成水化氧化物FeOH（即為紅銹），一部分氧化不完全的變成Fe3O4（即為黑銹），在鋼筋表面形成銹層。由于鐵銹層呈多孔狀，即使銹層較厚，其阻擋進一步，腐蝕的效果也不大，因而腐蝕將不斷向內(nèi)部發(fā)展。

國際上還沒有一致公論的引起混凝土中鋼筋腐蝕的氯化物界限值，當結構處于干濕交替狀態(tài)下或常年濕度大于80%時，通常認為在氯化物含量與混凝土的質(zhì)量比達到0.2%以上時，就比較危險。

2.3硫酸鹽的腐蝕

硫酸鹽既腐蝕混凝土又腐蝕鋼筋，有很大的危險性。對混凝土的破壞主要是物理膨脹侵蝕和化學膨脹侵蝕。

（1）物理膨脹侵蝕

鹽結晶膨脹，包括硫酸鹽在內(nèi)的一些可溶性鹽類，隨水滲入混凝土內(nèi)部的毛細孔、微孔內(nèi)，當水分蒸發(fā)時，鹽就會結晶出來。鹽結晶生長過程發(fā)生體積膨脹，使混凝土脹裂或粉化、脫落。干濕交替的部位最易發(fā)生鹽結晶和發(fā)生結晶侵蝕。

鹽晶變膨脹，硫酸鹽和氯鹽，隨著溫度的變化，可能發(fā)生晶變或含不同數(shù)量的結晶水，因而體積也隨之變化。其中，硫酸鈉的晶變可膨脹331%。

表1鹽的晶變溫度與體積膨脹率

（2）化學膨脹侵蝕

環(huán)境中的硫酸鹽與混凝土（水化產(chǎn)物）發(fā)生化學作用，其反應產(chǎn)物體積增大，膨脹作用使混凝土產(chǎn)生微觀、宏觀開裂或粉化脫落。硫酸鈉的鹽典型反應是：

Ca（OH）2 + Na2SO4=CaSO4 + NaOH

硫酸鹽在環(huán)境中是經(jīng)常存在的，如芒硝大量存在于鹽湖、鹽堿地中，同時也是重要工業(yè)原料。以上反應的結果可使膨脹1～2倍，但還不是到此為止。所生成的硫酸鈣（或由環(huán)境進入到混凝土中），可進一步與混凝土中的鋁酸三鈣起反應，產(chǎn)生含更多結晶水的大分子產(chǎn)物，體積又可增加2倍。

3CaSO4·2H2O + 4CaO·Al2O3·19H2O  →  3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O +Ca（OH）2

3.混凝土的表面處理

混凝土經(jīng)受風化腐蝕，表面粗糙多孔，表層強度低，可能還有油污和鹽分的污染，其表面孔隙中含有水分和堿性物質(zhì)，如不經(jīng)處理直接涂裝，涂膜不僅附著力差，而且會發(fā)生起泡，龜裂、泛白甚至脫層等弊病。為了避免上述問題的出現(xiàn)，延長涂層的使用壽命，必須控制基材的含水率，進行正確的表面處理。

3.1除油

用洗滌劑或碳酸鈉溶液清洗油污，再淡水沖洗到PH值到中性（PH7～8）。如果油污嚴重滲入混凝土內(nèi)部，應采用熱堿液浸漬，并用淡水沖洗。使用清水滴加在混凝土表面，觀察其潤濕和鋪展的狀態(tài)，如果水滴形成圓珠狀，說明有油污存在；如果水膜均一，鋪展自然，說明表面沒有油污。

3.2表面打磨或噴砂處理

用電動或氣動打磨工具，或者使用噴砂設備，可以有效地除去表面浮漿和弱質(zhì)表面層。表面的灰塵用清潔干凈的壓縮空氣吹凈，最好用真空吸塵器吸塵。

3.3化學處理

用酸浸蝕的方法，主要適用于油污較多的混凝土表面，質(zhì)量系數(shù)為（10～15）%的鹽酸清洗混凝土表面，待反應完全后（不再產(chǎn)生氣泡），再用清水沖洗，配合毛刷刷洗，此法可清除泥漿層并得到較細的粗糙度。在平面的混凝土基體上使用酸浸蝕的效果最好。

3.4混凝土表面質(zhì)量控制測試

（1） PH值。

清潔后的混凝土表面PH值的測定很重要，尤其是在對地面表面酸浸后，根據(jù)ASTM4262標準，化學浸濕法混凝土PH值測定方法，其結果控制在中性。

（2）氯化鈣。

氯化鈣測定法，可以測定水分從混凝土中逸出的速度，是一種間接測定混凝土含水率的方法，測定密封容器中氯化鈣在72h后的增重，其值應≤46.8g/m2。

（3）含水量。

混凝土含水率應小于5%，否則應排除水分后方可進行涂裝。

測定混凝土表面的含水量可以用ASTM4263薄膜測試法，取10mm厚，45cm×45cm透明聚乙烯薄膜平放在混凝土表面，用膠帶紙密封4邊。16h后，薄膜下出現(xiàn)水珠或混凝土表面變黑，說明混凝土過濕，不宜涂裝。

用食指按擦混凝土表面，如果手指上能帶起濕氣說明表面含水量過高。如果含水量過高，可以用通風來加強空氣循環(huán)，加速空氣流動，帶走水分，促進混凝土中水分進一步揮發(fā)。

最簡便的方法是使用吸水濾紙按壓在混凝土表面幾分鐘，如果濾紙變黑吸濕，說明表面含水量過高。

如果水分過高，可以使用加熱的方法提高混凝土和其周圍空氣的溫度，加快混凝土中水遷移到表層的速率，使其迅速蒸發(fā)。最好的方法是采用強制空氣加熱和輻射加熱。而直接用火源加熱生成的燃燒產(chǎn)物（包括水），會提高空氣的霧點溫度，導致水在混凝土上凝結，故不宜采用。

用脫水減濕劑，除濕器或引進室外空氣引進室外空氣露點低于混凝土表面及上方的溫度，可以降低空氣中的露點溫度，這樣來除去空氣中的水氣。經(jīng)處理后的混凝土表面性能應符合表2的指標

表2混凝土表面性能指標

4.混凝土保護用涂料

根據(jù)氯化物對混凝土內(nèi)鋼筋發(fā)生腐蝕作用必須具備的條件，可以通過防止氯化物接觸鋼筋表面，防止發(fā)生鋼筋為陽極的電化學反應兩個方面達到保護混凝土內(nèi)鋼筋免受腐蝕。使用長效防腐蝕涂層來保護鋼筋混凝土是較為方便實用的方法，它可有效地阻止氯化物、氧氣、二氧化碳和海水等腐蝕介質(zhì)的進入，達到保護的效果。

4.1涂料性能：

用于混凝土表面的涂料必須具有以下性能。

（1）耐堿性。

混凝土的PH值在12~13，所以用于混凝土表面的涂料必須具有良好的耐堿性，目前已知耐堿性最好的涂料有乙烯基涂料，氯化涂料和環(huán)氧涂料。

（2）滲透性。

用于混凝土表面的涂料的滲透性能相當重要，它可以保證良好的附著力以及抵御外界侵蝕的能力。高滲透性涂料主要是因為其低分子量，可以在砂粒和水泥孔隙中滲透。這方面最好的涂料是低分子量液體環(huán)氧涂料。因此低分子量環(huán)氧清漆常用來作為混凝土表面的封閉涂料。其他低分子量涂料并不一定適合于混凝土表面的涂裝，比如油性類涂料，它們會因為混凝土的高堿性而發(fā)生皂化。

低分子量涂料對混凝土的潤濕和滲透，可以提高混凝土表層密度，提高附著力以及表面的耐化學和物理侵蝕的能力。

（3）柔軟性和延展性。

相比較鋼鐵而言，混凝土具有一定的柔軟性和延展性，所以用于混凝土表面的涂料也必須要有一定的柔軟性和延展性，才能符合混凝土的收縮和膨脹。

（4）附著力。

附著力是所有涂料的重要性能之一，但是用于混凝土表面的涂料的附著力性能與用于鋼鐵表面的涂料不同。由于混凝土可能處于潮濕環(huán)境，涂料必須具有很好的滲透性和潤濕性來牢牢地附著在混凝土表面。而且，涂層必須有能力抵抗來自于背面的水壓，以防止涂膜起泡。

（5）耐磨性。

用于混凝土地面的涂料，必須具有很好的耐磨性，人的行走、車輛的行駛、重物的滑動等，都會磨損地面表面的涂料。含有耐磨性骨料的環(huán)氧涂料地面漆，配以高滲透性的底漆和耐磨性強的環(huán)氧或聚氨酯面漆，是最好的配套方案。

（6）水氣滲透性。

用于混凝土表面的涂料，必須具有良好的抗水氣滲透性，這是一個相當微妙的概念。新混凝土在固化時總是含有一定的水分，如果水分存在于涂料與混凝土表面之間，涂層就會剝落或氣泡。所以使用的涂料還需具有一定的呼吸性能。它可以讓水氣通過，但不能讓液態(tài)水通過。當然，這種水氣通過不能超過涂料承受的能力。高的水氣通過率會使涂料耐水性能和抵抗化學品的能力下降。

（7）抗二氧化碳性。

由于二氧化碳是引起混凝土碳化的主要因素之一，所以表面使用的涂料要能有效地阻擋住二氧化碳的滲透。由于二氧化碳的含量會隨著溫度和濕度的增加而升高，因此要求抗二氧化碳滲透率達到4000Gpa·s·m2/kg以上，好的產(chǎn)品可以達到6000GPa·s·m2/kg以上。

（8）涂層厚度。

用于混凝土表面的涂層必須達到一定的涂層厚度，這樣才可的克服混凝土表面的不規(guī)則性和可能產(chǎn)生的涂層缺陷。涂層厚度達到300~500/um就可以有效地消除細小的收縮裂紋。涂層如果不能達到一定的厚度，也無法抵抗內(nèi)應力。

（9）裝飾性。

用于混凝土涂層體系的表層面漆，除了具有耐各種大氣腐蝕和其他性能之外，還必須具有很好的裝飾性能，色彩要豐富，涂膜要有豐滿感，耐光保光性能好。

4.2混凝土表面用涂料類別

由于混凝土結構用于多種場合，如地面、建筑內(nèi)外墻，貯槽、地下管道等。所以混凝土表面可以使用的涂料品種也比較多。有些涂料不適宜用于混凝土表面，如醇酸樹脂涂料，與高堿性的混凝土表面接觸后，脂肪酸基因皂化，涂膜很快就會破壞掉。

（1）涂料。

涂料使用的瀝青有兩種，石油瀝青和煤焦瀝青。石油瀝青的耐候性和耐光性較好，煤焦瀝青的耐化學品和耐水性能要好些，所以這兩種涂料可以根據(jù)需要用于不同的地方。

（2）氯化涂料。

氯化涂料的耐水性和耐化學性能很好，耐堿性強，與混凝土表面附著力強。干燥快，單組分施工簡便，重涂性能也好。可以用于建筑物表面和游泳地表面等。

（3）乙烯涂料。

乙烯涂料具有很好的耐酸耐堿性能，柔性好，曾廣泛用于核電站內(nèi)。由于乙烯涂料的分子量大，底漆施工要稀釋后才能有交往地滲透混凝土表面。由于乙烯涂料固體體積分數(shù)低，所以也必須多道施工才能達到較厚的涂膜總厚度。

（4）環(huán)氧涂料。

環(huán)氧涂料對混凝土表面有著很好的附著力，并且耐化學品性能優(yōu)良。液態(tài)樹脂和液態(tài)固化劑配制的環(huán)氧涂料，可以深深地滲透進混凝土表面，增強混凝土的表面強度和密度。環(huán)氧涂料是目前混凝土表面進行重防腐應用最主要的涂料品種，被廣泛應用于工業(yè)地面，儲罐、水池等等。

高分子量環(huán)氧涂料，以胺或聚酰胺為加固化劑，與用于鋼鐵底材上面的環(huán)氧涂料沒有太多的區(qū)別，性能相似。通常涂漠厚度在200~400um。可以使用在化工廠、造紙廠、核電站等區(qū)域，耐化工大氣，也耐煙塵侵蝕，但是不宜用于化學品的浸泡。低分子環(huán)氧涂料，滲透力強，特別該類環(huán)氧清漆，可以徹底浸潤混凝土，幾乎不在混凝土表面留下涂膜，配合其他環(huán)氧涂料，可以用于淡水、海水、污水或中等化學品的浸泡環(huán)境。另有一種無溶劑環(huán)氧襯層涂料，可以配合使用玻璃纖維，不僅耐化學品侵蝕，而且涂層光滑、平整、致密的。環(huán)氧煤涂料地是水下環(huán)境、污水池內(nèi)應用較多的混凝土表面涂料，它具有瀝青耐水性強的特點，又有環(huán)氧樹脂附著力好，耐化學品性能好的優(yōu)點。

（5）聚氨酯涂料。

聚氨酯涂料與環(huán)氧涂料有著相似的性能，而且彈性更好，能彌補混凝土表面細小的裂縫。由于耐化學品性能突出，廣泛用于混凝土貯槽內(nèi)壁襯層。對于大氣環(huán)境中的混凝土建筑物來說，脂肪族聚氨酯涂料還是耐候性優(yōu)異，裝飾性強的首選面漆。

（6）丙烯酸乳膠漆。

作為建筑涂料中最主要的產(chǎn)品，丙烯酸乳膠漆耐堿性強，具有水解穩(wěn)定性，特別是適合于混凝土表面。丙烯酸乳膠漆的呼吸功能強，允許水蒸氣透過，但同時又對水有著阻隔作用。優(yōu)良的彈性和彈性回復，使丙烯酸乳膠漆可以容忍混凝土表面的尺寸變化而不破損。

5.結論

混凝土破壞可能有許多原因，其中腐蝕僅是原因之一。如果混凝土的破壞是以腐蝕為主的，應根據(jù)所處的環(huán)境、部位不同，來確定腐蝕源。根據(jù)腐蝕介質(zhì)去制定合理的施工方案，正確選擇混凝土的表面處理方法。這樣才能保證混凝土工程防腐蝕的施工質(zhì)量，延長使用壽命，從而達到經(jīng)濟、適用、美觀的效果。

參考文獻

1.龐啟財， 防腐蝕涂料涂裝和質(zhì)量控制，北京：化學工業(yè)出版社，2003，444～452

2.洪乃豐，基礎設施腐蝕防護和耐久性問與答，北京：化學工業(yè)出版社，2003，49～50