2.5　海洋环境中钢筋混凝土结构的防腐方法

由于海洋苛刻的腐蚀环境，处于海洋环境中的钢筋混凝土结构常因混凝土腐蚀和钢筋锈蚀而过早发生耐久性失效乃至破坏，这些问题带来了巨大的经济损失。如果对海洋环境中的钢筋混凝土工程采取有效的防腐措施，就可以大大地降低因腐蚀而造成的损失。

高质量混凝土和适当保护层厚度是防腐蚀的第一道防线，但是并不能长期保证混凝土的耐久性，避免腐蚀破坏的发生，尤其是在重度腐蚀的海洋环境中，应该采取附加的防腐蚀措施。美国混凝土协会（AIC）确认了四种钢筋混凝土有效保护的附加措施：环氧涂层钢筋、钢筋阻锈剂、阴极保护和钢筋混凝土表面防护涂料。

2.5.1　环氧涂层钢筋

环氧树脂涂层钢筋是在工厂生产条件下，采用静电喷涂方法，将环氧树脂粉末喷涂在普通带肋钢筋和普通光圆钢筋的表面，从而生产出的一种具有涂层的钢筋，涂层厚度一般在0.15～0.30mm。涂层静电喷涂方法制作步骤：先将普通钢筋表面进行除锈、打毛等处理；然后将其加热到230℃以上；再将带电的环氧树脂粉末喷射到钢筋表面，由于粉末颗粒带有电荷，便吸附在钢筋表面，并与其熔融结合；经过一定的养护固化后形成一层完整、连续、包裹住整个钢筋表面的环氧树脂薄膜保护层。环氧树脂涂层因其不与酸、碱等反应，具有极高的化学稳定性，并具有延性大、干缩小、与金属表面具有极佳的黏着性的特点，在钢筋表面形成了阻隔其与水分、氧、氯化物或侵蚀性介质接触的物理屏障。同时，还因其具有阻隔钢筋与外界电流接触的功能而被认为是带电离子防腐屏障。因此，环氧树脂涂层钢筋有很好的耐蚀性，但其与混凝土的黏结强度明显降低，适用于处在潮湿环境或侵蚀性介质中的工业与民用房屋、一般构筑物及道路、桥梁、港口、码头等的钢筋混凝土结构中（当用于工业建筑防腐工程时，应与有关专业标准的规定进行核对）。对在施工操作中造成的少量涂层破损，必须及时予以修补。

在钢筋表面制作环氧树脂保护膜，隔离钢筋与腐蚀介质的接触的方法，在美国、日本已大批量应用于工程。若涂层质量控制良好，能够延缓钢筋腐蚀的开始时间，但锈蚀开始后，锈蚀速率会加快，因为在涂层制作过程，喷砂除去了钢筋表面的氧化膜。因此，采用环氧涂层钢筋的不足之处是：①在施工质量控制中无法检测埋入混凝土后钢筋涂层的状况，即无法检测涂层是否在施工过程中受到损伤；②造价较高。目前，我国现行产品标准为JG 3042—1997《环氧树脂涂层钢筋》。

2.5.2　钢筋阻锈剂

在钢筋与混凝土组成的材料体系中，如加入少量物质能有效地延缓腐蚀发生、降低钢筋的腐蚀速率，则这种物质叫做阻锈剂。与其他混凝土外加剂不同，阻锈剂是通过抑制混凝土与钢筋界面孔溶液中阳极或阴极的电化学腐蚀反应来保护钢筋的，因此，阻锈的一般原理是阻锈剂直接参与界面化学反应，使钢筋表面形成钝化膜，或者在钢筋表面吸附成膜，或者两种机理兼而有之。

阻锈剂能够阻止或延缓氯离子对钢筋钝化薄膜的破坏。采用阻锈剂同时应使用低渗透性混凝土，以防止阻锈剂流失。这是一项新型应用技术，被美国土木工程学会（ACI）确认为是钢筋防护的长期有效措施之一。在日本钢筋阻锈剂主要用于海洋环境的建筑物和开发利用海砂。我国1998年修订了YB/T 9231—98《钢筋阻锈剂使用技术规程》。在海洋工程、油田建设、铁路、立交桥、工业建筑及老工程修复等方面已有较多的成功应用，取得了良好的技术经济效益。

2.5.3　阴极保护

阴极保护是降低钢筋腐蚀速率的有效辅助措施。一般在钢筋腐蚀开始后启用，以降低腐蚀扩展速率。对于新建工程，阴极保护可用于海中、水域或潮湿地下的独立构筑物。采用此种措施须严格控制保护电位范围，防止析氢引起握裹力降低和氢脆发生，对于预应力混凝土更应慎重。

混凝土的阴极保护一般分为外加电流法和牺牲阳极法。国外对新建结构更多采用的是外加电流阴极保护，同时由于桥面板长期有车辆通行，对面板钢筋混凝土的保护一般采用外加电流阴极保护系统。钢筋混凝土外加电流保护系统主要由直流电源、辅助阳极、参比电极和电缆等组成。对系统进行阴极保护设计，首先要了解如下内容：钢筋尺寸及钢筋布置图、混凝土保护层厚度、钢筋及其他混凝土钢筋构件的电连接情况和系统设计使用寿命。欧洲标准对于新结构的保护一般推荐的阴极保护电流密度为0.2～2mA/m2，实际设计中考虑到初期极化电流要求，往往取更高的电流密度值。

目前国际广泛使用的阳极为混合金属氧化物阳极（MMO），即在钛材表面涂覆混合金属氧化物，经高温烧结而成。用在阴极保护中的阳极材料主要分为铱基和钌基两种，相比而言前一种使用寿命更长，后一种价格更便宜。

2.5.4　混凝土表面涂层防护

实践证明，混凝土表面涂层防护是降低钢筋腐蚀速率最简单有效的措施。这种措施不仅可以运用到新建结构，还可以运用到已有建筑的修复中。混凝土表面涂层防护是指将涂料涂敷于混凝土表面，以降低Cl－、CO2和水的渗透速率。目前，海港码头、跨海大桥以及沿海钢筋混凝土结构常用的涂料主要有环氧涂料、聚氨酯涂料、氯化橡胶涂料、丙烯酸酯涂料、玻璃鳞片涂料、有机硅树脂涂料、氟树脂涂料和聚脲涂料等8种。

1.环氧涂料

以环氧树脂为主要成膜物质的涂料称为环氧涂料。环氧树脂泛指分子中含有两个或两个以上环氧基团，以脂肪、脂环族或芳香族等为骨架，并能通过环氧基团反应形成热固性高分子低聚物，除个别外，它们的相对分子质量都不高。环氧树脂涂料具有高附着力、高强度、固化方便和优异的防腐性能。正因为这些优点，环氧类涂料常被用作混凝土表面的封闭底漆和中漆。但是因环氧树脂分子中含有醚键，在紫外线照射下易降解断链，所以涂膜的户外耐候性差，易失光和粉化。并且，环氧树脂固化时对温度和湿度的依赖性大，固化后内应力大，涂膜质脆、易开裂，耐热性和耐冲击性都不理想。针对这些缺点，国内外诸多学者对其进行化学改性以提高它的应用性能和应用范围。常见的方法主要是对其分子结构进行改性，研究进展有：①有机硅改性，环氧树脂经过有机硅改性后，内应力降低，耐高温性和柔韧性增加；②橡胶弹性体改性，在环氧分子结构中引入了键能较高、柔韧性好、表面能较低的硅氧键，可使其固化物的韧性和耐热性得到提高；③聚氨酯改性，采用聚氨酯改性的环氧树脂形成半互穿网络聚合物，有效地提高了相容性和稳定性，获得了较高的剪切强度、剥离强度和耐磨耐气蚀性。聚氨酯改性环氧树脂是当今高分子材料开发的热点之一。此外还有液晶聚合物改性、核壳聚合物改性、丙烯酸改性等。

2.聚氨酯涂料

以聚氨酯树脂为主要成膜物质组成的涂料，称为聚氨酯涂料，通常可以分为双组分聚氨酯涂料和单组分聚氨酯涂料。双组分聚氨酯涂料一般是由含异氰酸酯的预聚物和含羟基的树脂两部分组成，按含羟基的不同可分为丙烯酸聚氨酯、醇酸聚氨酯、环氧聚氨酯等。单组分是利用混合聚醚进行脱水，加入二异氰酸酯与各种助剂进行环氧改性制成。聚氨酯树脂涂料在应用中具有以下优点：涂层的透水性和透气性小，防腐蚀性能优良；通过调节配合比，涂膜既可以做成刚性涂料，也可以做成柔性涂料；可与多种树脂混合或改性制备成各种特色的防腐蚀涂料；可以在低温潮湿的环境下固化；具有良好的机械性能、水解稳定性、耐生物污损性和耐温性。由于耐候性优异、装饰性强，聚氨酯涂料是目前常用的一类面漆涂料。

3.氯化橡胶涂料

氯化橡胶是由天然橡胶经过炼解或异戊二烯橡胶溶于四氯化碳中，通氯气而制得。其耐候性及化学稳定性好；耐酸碱腐蚀性、透水性、阻燃性优异；在潮湿条件下可防霉，因此氯化橡胶常用作防腐面漆。但是氯化橡胶与基材的附着力差，柔韧性、抗冲击性都不理想。同时涂料中的四氯化碳会挥发到空气中而污染大气，这些缺点大大限制了它的发展前景。

4.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单体通过加聚反应生成的聚丙烯酸树脂，主要有热塑性和热固性两大类。热固性树脂是分子链上含有能进一步反应使分子链增长的官能团。这类树脂配制的涂料具有很好的耐化学品性、耐候性和保光保色性，同时也可制备成高固体组分涂料。丙烯酸树脂涂料在使用中具有很好的耐碱性和极强的装饰性，特别适合在铝镁等轻金属上使用，常被用作混凝土结构的面漆。但该涂料还存在一定的缺点，如耐水性差、低温易变脆、高温变黏失强，从而导致该涂料易粘尘、耐污染性差。

5.玻璃鳞片涂料

玻璃鳞片实际上是一种极薄的玻璃碎片。以玻璃鳞片作为骨架的涂料，能够大幅度延长腐蚀介质的传输路径，从而使涂料具有良好的抗渗透性、耐化学品性及抗老化等性能。同时由于玻璃鳞片的存在，又可有效地抑制涂层龟裂、剥落等现象，使涂层具有优异的附着力和抗冲击性。这类涂料在海洋混凝土工程中常被用作中涂漆，特别适合用于腐蚀严重的海洋和浪溅区的钢构筑物上。但此种涂料也存在一些缺点：在低温条件下，涂层固化速度慢，不能满足施工要求；固化时有二氧化碳放出；用于户外时抗紫外线老化性能较差。

6.有机硅树脂涂料

含有Si－C键的化合物统称为有机硅化合物。习惯上也常把那些通过氧、硫、氮等使有机基与硅原子相连接的化合物当作有机硅化合物。其中，以硅氧键（Si－O）为骨架组成的聚硅氧烷，是有机硅化合物中数量最多，应用最广的一类，约占总用量的90%以上。有机硅涂料根据防止水汽入侵的方式不同又可分为防水型和斥水型两类。防水型是通过在基材表面或附近形成一层防水膜而阻止外面水分进入，但同时也阻塞了基材的气孔而不利于基材的透气性；斥水型是使疏水物质附着在基材气孔上而不是阻塞气孔，所以它在阻止外部液体水进入的同时也允许内部水蒸气散出，保证了基材的透气性。有机硅类涂料的优点是：耐温度变化；优良的消泡性、与其他物质的隔离性、润滑性以及良好的成膜性；透气性和保色性优异。含有机硅树脂的溶液，具有很强的渗透性和憎水性，因此有机硅类涂料常用作防水材料。但是，有机硅防护涂料也存在一些问题：①涂料的挥发性；②应用部位的限制，一般渗透型有机硅表面防护涂料只能用于大气环境，而不能用于水下结构；③成本较高，渗透型有机硅防护涂料很多都是100%固含量，价格昂贵，仅施工中的合理损耗就是很大的损失；④现场质量控制与检测，目前均不能运用无损检测技术对其防水效果抗氯离子渗透性等进行现场测量。

7.氟树脂涂料

氟树脂涂料是以氟烯烃聚合物或氟烯烃与其他单体为主要成膜物质的涂料，又称氟碳涂料、有机氟树脂涂料、氟碳漆。氟树脂涂料具有超强的耐候性、突出的耐腐蚀性、优异的耐化学药品性、良好的耐沾污性和裂缝追随性。其优异的性能是由于氟树脂分子中的氟原子半径较小，电负性高，它与碳原子间形成的C－F键极短，键能高达485.6kJ/mol，因此分子结构稳定。由于碳氟原子之间是由比紫外线能量还高的键相连，所以受紫外线照射后不易断裂。在其分子链中，每一个C－C键都被螺旋式三维排列的氟原子紧紧包围着，这种特殊结构能保护其免受紫外线、热或其他介质的侵害。这类涂料涂膜表面坚硬而柔韧，具有高装饰性，手感光滑，易于用水冲洗保洁，涂膜还具有防霉阻燃的特点，因此是海洋环境钢筋混凝土结构涂料面漆的首选之一。现在常用的氟乙烯－乙烯基醚共聚物涂料（FEVE）是以三氟聚乙烯和四氟乙烯为含氟单体，通过与烷基乙烯基醚和烷基乙烯基酯共聚，同时引入含有羧基和羟基等功能性基团化合物的方法合成。它不但具有传统氟碳涂料优异的耐候、耐粘、防腐等特性，而且还具备高装饰性和易施工性，已经广泛应用于建筑、机械、电子等行业。同时由于含氟聚合物能够满足防污的要求，防止海洋生物的附着，在海洋建筑物中的应用具有广阔的前景。

8.聚脲涂料

喷涂聚脲是由异氰酸酯组分（简称A组分）与氨基化合物组分（简称R组分）反应生成的一种弹性体物质。喷涂聚脲弹性体（Spray Polyurea Elastomer，SPUA）是近年来兴起的一种新型环保多功能防护材料，其与传统聚氨酯弹性体涂料喷涂技术相比的优点是：高强度；高弹性；干燥快；对湿气不敏感；施工环境适应性强，立面厚膜不流挂；优异的力学性能和耐腐蚀性能；涂膜固化迅速；可在任意曲面、斜面、垂直面及顶面连续喷涂成型；5s凝胶，1min后便可达到步行强度；一次成型的厚度不受限制，克服了多次施工的弊端；原形再现性好，无接缝，美观实用等。SPUA既可以直接使用也可以作为面漆使用，其独特的优点特别适合在一些工期要求紧或抢修工程中使用。新建的青岛海湾大桥就采用了SPUA技术。但由于固化快，渗透性不太好，直接喷涂于混凝土表面附着力不理想，常会采用环氧封闭底漆打底。