高質量混凝土和適當保護層厚度是提高耐久性的第一道防線,但是并不能保證混凝土長期的耐久性。避免腐蝕破壞的發生,尤其是在重度腐蝕的海洋環境中,應該采取附加的防腐蝕措施。美國混凝土協會(AIC)確認了四種鋼筋混凝土有效保護的附加措施:環氧涂層鋼筋、鋼筋阻銹劑、陰極保護和鋼筋混凝土表面防護涂料。實踐證明,混凝土表面防護是其中最簡單有效的措施。這種措施不僅可以運用到新建結構,還可以運用到已有建筑的修復中。因此海洋環境中各類結構的防腐蝕涂層及其技術的開發成為研究的重點。
海洋環境鋼筋混凝土表面防腐涂料的分類
混凝土表面涂層防腐是指將涂料涂敷于混凝土表面,以降低 Cl-、CO2和水的滲透速率?,F在國內外的海港碼頭、跨海大橋以及沿海鋼筋混凝土結構常用的涂料主要有以下八種:環氧涂料、聚氨酯涂料、氯化橡膠涂料、丙烯酸酯涂料、玻璃鱗片涂料、有機硅樹脂涂料、氟樹脂涂料和聚脲涂料。
環氧涂料
以環氧樹脂為主要成膜物質的涂料稱為環氧涂料。環氧樹脂泛指分子中含有兩個或兩個以上環氧基團,以脂肪、脂環族或芳香族等為骨架,并能通過環氧基團反應形成的熱固性高分子低聚物。除個別外,它們的相對分子質量都不高。環氧樹脂涂料具有高附著力、高強度、固化方便和優異的防腐性能。正因為這些優點,環氧類涂料常被用作混凝土表面的封閉底漆和中漆。
聚氨酯涂料
以聚氨酯樹脂為主要成膜物質組成的涂料稱為聚氨酯涂料,通常可以分為雙組分聚氨酯涂料和單組分聚氨酯涂料。雙組分聚氨酯涂料一般是由含異氰酸酯的預聚物和含羥基的樹脂兩部分組成,按含羥基的不同可分為:丙烯酸聚氨酯、醇酸聚氨酯、環氧聚氨酯等。單組分是利用混合聚醚進行脫水,加入二異氰酸酯與各種助劑進行環氧改性制成。
聚氨酯樹脂涂料在應用中具有以下優點:涂層的透水性和透氣性小,防腐蝕性能優良;通過調節配合比,涂膜既可以做成剛性涂料,也可以做成柔性涂料;可與多種樹脂混合或改性制備成各種特色的防腐蝕涂料;可以在低溫潮濕的環境下固化;良好的力學性能、水解穩定性、耐生物污損性和耐溫性。由于耐候性優異、裝飾性強,聚氨酯涂料是目前常用的一類面漆涂料。
但是這種涂料的缺點是涂膜易變黃、粉化褪色;固化反應慢;附著力相對較小。
氯化橡膠涂料
氯化橡膠是由天然橡膠經過煉解或異戊二烯橡膠溶于四氯化碳中,通氯氣而制得。其耐候性及化學穩定性好;耐酸堿腐蝕性、透水性、阻燃性優異;在潮濕條件下可防霉,因此氯化橡膠常用作防腐面漆。
但是氯化橡膠與基材的附著力差,柔韌性、抗沖擊性都不理想。同時涂料中的四氯化碳會揮發到空氣中而污染大氣,這些缺點大大限制了其發展前景。
丙烯酸酯涂料
丙烯酸酯涂料是用丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯單體通過加聚反應生成的聚丙烯酸樹脂,其主要有熱塑性和熱固性兩大類。熱固性樹脂是分子鏈上含有能進一步反應使分子鏈增長的官能團。
這類樹脂配制的涂料具有很好的耐化學品性、耐候性和保光保色性,同時也可制備成高固體組分涂料。丙烯酸樹脂涂料在使用中具有很好的耐堿性和極強的裝飾性,特別適合在鋁鎂等輕金屬上使用,常被用作混凝土結構的面漆。
但該涂料還存在一定的缺點,如耐水性差、低溫易變脆、高溫變黏失強,從而導致該涂料易黏塵、耐污染性差。
玻璃鱗片涂料
玻璃鱗片實際上是一種極薄的玻璃碎片。以玻璃鱗片作為骨架的涂料,能夠大幅度延長腐蝕介質的傳輸路徑,從而使涂料具有良好的抗滲透性、耐化學品性及抗老化等性能。同時由于玻璃鱗片的存在,又可有效地抑制涂層龜裂、剝落等現象,使涂層具有優異的附著力和抗沖擊性。
這類涂料在海洋混凝土工程中常被用作中涂漆,特別適合用于腐蝕嚴重的海洋和海浪飛濺區的鋼構筑物上。但是這種涂料也存在一些缺點,如在低溫條件下,涂層固化速度慢,不能滿足施工要求;固化時有二氧化碳放出;用于戶外抗紫外線老化性能較差。
有機硅樹脂涂料
含有Si-C鍵的化合物統稱為有機硅化合物。習慣上也常把那些通過氧、硫、氮等使有機基與硅原子相連接的化合物當作有機硅化合物。其中,以硅氧鍵(Si-O)為骨架組成的聚硅氧烷是有機硅化合物中為數最多、應用最廣的一類,約占用量的90%以上。
有機硅涂料根據防止水汽入侵的方式不同又可分為斥水型和防水型兩類。防水型是通過在基材表面或附近形成一層防水膜而阻止外面水分進入,但同時也阻塞了基材的氣孔而不利于基材的透氣性;斥水型是使疏水物質附著在基材氣孔上而不是阻塞氣孔,所以它在阻止外部液體水進入的同時也允許內部水蒸氣散出,保證了基材的透氣性。
有機硅類涂料的優點是:耐溫度變化;優良的消泡性、與其他物質的隔離性、潤滑性以及良好的成膜性;透氣性和保色性優異。含有機硅樹脂的溶液,具有很強的滲透性和憎水性,因此有機硅類涂料常用作防水處理材料。
④現場質量控制與檢測:目前均不能運用無損檢測技術對其防水效果、抗氯離子滲透性等進行現場測量。
氟樹脂涂料
氟樹脂涂料是以氟烯烴聚合物或氟烯烴與其他單體為主要成膜物質的涂料,又稱氟碳涂料、有機氟樹脂涂料、氟碳漆。
氟樹脂涂料具有超強的耐候性、突出的耐腐蝕性、優異的耐化學藥品性、良好的耐沾污性和裂縫追隨性。其優異的性能是由于氟樹脂分子中的氟原子半徑較小,電負性高,它與碳原子間形成的C-F鍵極短,鍵能高達485.6 kJ/mol,因此分子結構穩定。由于碳氟原子之間是由比紫外線能量還高的鍵相連,所以受紫外線照射后不易斷裂。在其分子鏈中,每一個C-C鍵都被螺旋式三維排列的氟原子緊緊包圍著,這種特殊結構能保護其免受紫外線、熱或其他介質的侵害。
這類涂料涂膜表面堅硬而柔韌,具有高裝飾性,手感光滑,易于用水沖洗保潔,涂膜還具有防霉、阻燃的特點,因此是海洋環境鋼筋混凝土結構涂料面漆的首選之一。現在常用的氟乙烯-乙烯基醚共聚物涂料(FEVE)是以三氟聚乙烯和四氟乙烯為含氟單體,通過與烷基乙烯基醚和烷基乙烯基酯共聚,同時引入含有羧基和羥基等功能性基團化合物的方法合成。它不但具有傳統氟碳涂料優異的耐候、耐黏、防腐等特性,而且還具備高裝飾性和易施工性,已經廣泛應用于建筑、機械、電子等行業。同時由于含氟聚合物能夠滿足防污的要求,防止海洋生物的附著,在海洋建筑物中的應用具有廣闊的前景。
聚脲涂料
噴涂聚脲是由異氰酸酯組分(簡稱A組分)與氨基化合物組分(簡稱R組分)反應生成的一種彈性體物質。
噴涂聚脲彈性體(SPUA)與傳統聚氨酯彈性體涂料噴涂技術相比的優點是:高強度;高彈性;干燥快;對濕氣不敏感;施工環境適應性強,立面厚膜不流掛;優異的力學性能和耐腐蝕性能。同時涂膜能夠快速固化;可在任意曲面、斜面、垂直面及頂面連續噴涂成型;5 s凝膠,1 min后便可達到步行強度;一次成型的厚度不受限制,克服了多次施工的弊端;原形再現性好,無接縫,美觀實用等優點。SPUA即可以直接使用也可以作為面漆使用。
01 水性海洋混凝土防腐涂料 02 高固體份海洋混凝土防腐涂料
針對高固體份醇酸樹脂涂料干燥慢的特點,R.P.Klaasen通過光引發劑或無鈷的金屬催化劑使硫醇樹脂與醇酸樹脂混合制得的新涂料不僅克服了這一缺點,也使得儲存更加穩定。由此可以看出,通過加入適當的成分可以改善涂料的使用性能。針對海洋惡劣的環境,新涂料的研制與應用還有很大的發展空間。
03 無溶劑海洋混凝土防腐涂料 04 超厚膜耐久型海洋混凝土防腐涂料 05 其他高性能材料
Zuhua Zhang等在變質高嶺土中加入10%的粒狀高爐礦渣形成一種新的礦物聚合物保護涂料。通過在其中加入聚丙烯纖維和MgO膨脹劑,不僅解決了涂料的固化收縮問題,還可以產生收縮平衡效果。他們通過試驗對這種涂料的固化時間、滲透性、防腐蝕性、附著力等研究后表明其具有很好的附著力、耐腐蝕性、抗滲性。同時也從微觀上分析了涂層孔結構對于涂料耐腐蝕機理的影響。研究表明這種礦物聚合物不僅可以有效利用生產過程中產生的廢物,其優異的防腐性能也可以作為涂層材料用于海洋環境中的混凝土結構。對于實現社會的可持續發展,此種涂料具有重要的意義。
納米粒子的優越性能眾所周知,將其加入到涂料中也可以顯著改善涂料的性能。D.K.Chattopadhyay研究了具有一定功能的納米復合材料加入到聚氨酯涂料后,涂料的耐候性、抗污性能得到很大提高。中科院金屬研究所的史洪微等將納米SiO?或TiO?加入到環氧樹脂涂料中,通過電化學阻抗譜試驗和鹽霧試驗后表明涂料的耐腐蝕性和硬度都得到了很大提高。相關的研究結果表明,納米復合涂料可以大幅度的提高原有涂料的性能,適合應用于海洋環境所要求的重防腐蝕性和耐候性。在我國,對于納米復合材料的研究目前尚處于起步階段,大部分研究還停留在試驗室里。雖然納米復合涂料的性能優越,但是它的成本高而且各方面技術還不成熟,所以它的推廣應用還有待一些時日。
混凝土表面涂層是提高海洋混凝土工程防腐蝕性能最簡單有效的防護措施。在所有防腐蝕方法中,應用到大型混凝土橋梁上最具有優勢的就是涂裝表面防護涂層。 目前,針對防腐涂層技術,美國和日本已形成了完善的國家標準和檢測體系。我國自20世紀90年代起開始研發混凝土表面涂料,至今還沒有獨立的國家標準體系。
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