提高混凝土桥梁耐久性的SPCE防腐涂料体系研究

    摘要:对混凝土桥梁普遍存在腐蚀病害损伤带来的降低耐久性问题进行了分析，提出了应用高渗透抗裂、抗老化超耐候性、抗蚀耐污的涂料对混凝土桥梁表面涂装可有效的防水、防碳化、防止混凝土及其钢筋的腐蚀，从而有效地提高混凝土桥梁耐久性和装饰性。

    关键词:混凝土桥梁耐久性，表面涂装，SPCE防腐涂料体系

    中图分类号:TU561．67文献标识码:A文章编号:1009-6825(2012)11-0116-04

    0引言

    传统的观念认为钢筋混凝土结构是永久性结构，不需要养护。但随着时间的推移和经验教训的积累，人们发现钢筋混凝土结构存在比较突出的耐久性问题［2，5，9］。自20世纪70年代以来，国内外一些预应力混凝土桥梁出现损伤的情况，有的还相当严重，影响了桥梁结构的正常使用，甚至危及桥梁结构的安全。从近年来国内外关于混凝土桥梁病害和破坏事故的报道来看［1，2，12］，其数量远远超过钢桥。英国现有桥梁中的35%～40%必须修复，每年费用达数亿英镑。

    我国的公路混凝土桥梁［4］占全部公路桥梁90%以上，据20世纪末统计，公路桥梁共有28万座，总长约1万km，其中危桥达1万座左右(总长度为320km)、腐蚀病害破坏造成公路桥梁失格率已达20%左右。这些发生腐蚀病害的公路桥梁中有的严重裂损、漏水、混凝土表层剥落、钢筋裸露锈蚀，使桥梁承载力大大降低，直接危害到行车安全与通畅［10］。近年来不断有报道桥垮、车覆、人亡的恶性事故发生。不言而喻，公路桥梁是陆上交通命脉的咽喉，进行腐蚀病害破损的维修加固工程势必影响通行能力和安全，而一旦发生桥毁恶性事故则会使交通中断。这会产生很大的社会影响，对国民经济发展十分不利。

    对于像混凝土公路桥梁这样处在自然环境中的中、大型钢筋混凝土建筑物，表面涂装外表面防护涂层提高其耐久性［11］、防治混凝土病害则需要涂装涂料具有较好的防水、防腐性能，较强的附着力，较长的使用寿命(减少重涂装次数，降低维护费用)，容易重新涂装和相对低廉的成本等高性价比特点。

    因而针对桥梁混凝土耐久性和装饰性需要的高渗透填封裂缝孔隙、阻隔水但又能透湿气呼吸、抗振抗老化长寿命和高度装饰性且价格相对低廉，具有较高性价比的混凝土涂料体系［6］进行试验研究开发是十分必要和紧迫的现实需求。

    1试验仪器和原料

    试验用的仪器有:722光栅分光光度计，洗刷仪，划格器，秒表，涂层洗刷仪，遮盖力测定板，人工老化箱，光泽度仪，反射率测定仪等。原料选取国内外具有代表性的七种苯丙乳液，分别为No1美国、No2德国1、No3德国2、No4北京1、No5北京2、No6陕西、No7河北以及硅溶胶和偶联剂。

    2SPCE底涂料的试验

    2．1SPCE底涂料用乳液的检测及优选

    对国内外七种乳液的粒径、钙离子稳定性、耐水性及粘度等性能进行了检测试验，具体试验结果见表1。

    从表1中可见，所有七种乳液的试样均通过耐碱性测试，而3号样耐水性、附着力最优，因而3号样的乳液性能符合高性能抗碱底涂选择的耐水性、附着力、耐碱性要求。此外高性能抗碱底涂不仅要有良好的耐水性、封闭性、耐盐碱性，而且应当具有高的渗透性。高渗透的底涂通过微孔隙通道渗入到混凝土内部，渗入过程中与混凝土中的钙镁等化合物反应，生成固态的反应物，这一方面将混凝土的松散部分与基体高强度地连接在一起，阻止其在后期的使用过程中脱落，另一方面封堵了混凝土的微孔隙通道。从高渗透性的要求来讲，乳液的粒径越小越好、稀释越稳定越好。

    从表1中可看出，3号乳液不仅稀释稳定好，而且粒径较小。综上所述，由于3号乳液与其他6种乳液相比，具有最好的耐水性、稀释稳定性，最好的附着力以及较小的粒径，因此选取3号乳液作为高渗透性抗碱底涂的原始乳液。

    2．2乳液与硅溶胶复配比例对渗透性的影响

    先用溶胶—凝胶方法制备出纳米硅溶胶，然后将纳米硅溶胶和优选的3号苯丙乳液复配。改变纳米硅溶胶与乳液的组分比例，试验复配比例对渗透性能的影响，并得到最佳复配配比。

    1)试样制备。

    将SPCE底涂料体系的三种基本组分(纳米硅溶胶、No3乳液、水)按不同的配比，用特殊的复合合成方法制备十组试样，具体见表2。

    2)渗透试验结果。

    十组试样在200目石英砂杯中渗透所用时间如图1所示，挑选渗透性最好的6号试样将其涂刷于混凝土试样块，其渗透性图片见图2。

    从图1中我们发现1，2号试样由于其苯丙乳液量大，渗透性最差。随着苯丙乳液比例的降低，纳米硅溶胶比例的提高，试样的渗透性迅速增强，其中4，5，6号试样的渗透性较好，然后随着苯丙乳液的比例进一步减少，纳米硅溶胶溶液比例不断增加，其渗透性反而降低。

    出现这样的现象，究其原因:一方面，由于纳米硅溶胶溶液是纳米级胶体，浓度仅为30%，其流动性较之大分子链的苯丙要好的多(1号与10号对比)，因此添加一定量的纳米硅溶胶乳液对涂料的渗透性有提高作用;另一方面，由于纳米硅溶胶溶液与苯丙乳液电负性有差异，当两者比例相差较大时，其电负性越大，降低渗透性。因此通过控制两者比例，使其在一定的范围时(如4，5，6号试样)，其渗透性比稀释单一纳米硅溶胶溶液更高。

    2．3乳液与硅溶胶复配比例对压溃强度的影响

    用SPCE底涂料渗透沙子，当其中水分蒸发散失后，乳液高分子成分相互交联，与此同时纳米硅溶胶溶液通过硅氧键各自连接，并且利用硅氧键将其桥接于苯丙乳液的大分子链上，从而将分散的石英砂粘结成一体的块样。因此通过压力试验渗透并结块的试样压溃强度，就可间接反映SPCE防腐底涂料的键合桥接的程度及效果。试样的压溃强度试验结果见图3。

图3

    从图3可见，从4号样到6号样，由于纳米硅溶胶的加入量增加，其压溃强度急剧下降，而2号样到4号样，由于纳米硅溶胶溶液与苯丙乳液的比例在一个合适的范围，纳米硅溶胶的含量不至于破坏苯丙乳液的连接，而且在一定程度上与苯丙乳液产生交联，出现最佳的抗压溃效果(3号样)。同时可看出2号试样、3号试样、4号试样的压溃强度相差不大，都处于较高的水平。考虑渗透性的因素，选取4号样为优选配比。

    2．4综合评价

    综合以上渗透性、压溃强度三个试验的结果分析，由于4号试样纳米硅溶胶与苯丙乳液的配比能充分发挥纳米硅溶胶的改性作用，获得的涂膜外观最优，且渗透性良好，压溃强度较高，因此优选4号样的苯丙乳液与纳米硅溶胶溶液配比为最佳配比。

    3SPCE防腐面涂的试验研究［13］

    3．1偶联剂添加量的确定［7］

    从表3可以看出，随着偶联剂用量的增加，乳液粘度增加;乳液性能及涂膜透明性变差。这是由于加入偶联剂后发生偶联反应，形成交联产物，偶联剂用量越多，交联密度就越大，因此乳液粘度越大，乳液及涂膜性能变差。所以确定偶联剂用量为无机物的1%。

    3．2纳米硅溶胶添加量试验

    在室温(25℃)下，预先向纳米硅溶胶中加入偶联剂，向乳液中加入成膜助剂，各自放置24h后进行基料复合，1h后刷涂于马口铁片上，测试附着力，制膜后测吸水率。然后把改性后的基料按配方配制成复合涂料。

    配比列表见表4。

    纳米硅溶胶作为涂料主要成膜物质，其用量直接影响涂膜的附着力(见表5)。纳米硅溶胶用量低时，二氧化硅粒子不能包裹颜料和填料颗粒，未能形成连续涂膜，故附着力低;纳米硅溶胶用量高时，二氧化硅粒子对固体颗粒包覆层加厚，致使颗粒之间及颗粒与基层之间缺陷增多而附着力降低，且使涂料成本增加。因此，纳米硅溶胶最佳用量在30%～60%。

    3．3纳米硅溶胶对涂料耐洗刷性能的影响作用

    对不同纳米硅溶胶配方的涂料进行性能检测，利用QTC洗刷仪进行洗刷性能检测(见表6)。

    分析结果可知，随着纳米硅溶胶含量的相对增加，涂层耐擦洗性增强。这是因为苯丙乳液成膜物柔韧性与纳米硅溶胶成膜物中的刚性物质有一个交联反应的结合点，太少则刚性不足，太过则脆性增大，当达到30%时，正好具有合适的交联反应，使最后形成的涂膜耐磨性好，在涂料中能与某些无机盐和金属氧化物生成新的硅酸盐无机高分子化合物与具有柔性的苯丙相结合，并硬化成刚柔相济的膜，且纳米硅溶胶能通过毛细管渗透到基材的内部，阻塞微细的毛细管，防止水分子的渗透，使耐水性提高。因此必须利用适量硅溶胶与乳液共混进行交联反应，才能得到最佳的性能。试验表明，纳米硅溶胶与苯丙乳液配比为30%时，即X2号样品综合性能较好。

    3．4纳米硅溶胶对涂料耐老化性能的影响

    采用老化箱对纳米硅溶胶加入量进行老化性能试验，得到试验不同配比在紫外老化下ΔE的变化，人工老化后光泽度变化情况，以及粉化情况，进行测定和评比得到的老化效果见表7。

    结果分析:可以看出纳米硅溶胶的加入量对涂料的老化性能具有显著的影响，从表7中可以直观的看出当30%的加入量时具有最优的抗老化性能。

    3．5纳米硅溶胶对涂料耐粘污性能的影响

    采用光泽度仪器按照GB9755/T-9780-88建筑涂料涂层粘污性试验方法进行涂料耐粘污性能试验。试验结果如表8所示。

    通过试验结果可知随着纳米硅溶胶加入量的增加，光泽度下降的越来越慢，反射率越来越高，耐粘污性先升高后下降，主要是由于纳米硅溶胶加入影响的结果，这是因为纳米硅溶胶加入后使得整体膜层的硬度增加，耐粘污性能加强，但是加入量有个限度必须使加入量具有最合适的比例，得到刚性和柔性恰当比例的涂层，才能得到最优的性能。

    4SPCE面涂料性能试验

    4．1SPCE面涂料物理性能试验

    通过以上试验获得的纳米硅溶胶加入方式、最佳加入量和偶联剂加入量结果，将其与No3苯丙乳液复配成复合乳液，添加适当的颜填料和助剂，制备出SPCE防腐面涂料。在石棉板上推膜75μm厚后进行如表9所示性能测试试验。同时对比试验室售外墙涂料样品。

    通过主要性能的对比试验我们可以看出SPCE面涂料具有优异的综合性能，其耐洗刷性能、耐粘污性、老化性能和遮盖力均佳，而价格成本较低廉，这在混凝土桥梁等中大型混凝土结构物表面涂装工程中具有较好的性价比。

    4．2SPCE面涂料化学性能试验

    将制备并养护好的C30号水泥混凝土块切割成10cm×10cm×10cm大小的试验块，按底层、面层的顺序分别涂装SPCE底涂料和SPCE面涂料，然后分别进行耐碱性试验、抗氯离子渗透性试验和粘结力试验。试验结果如表10所示。

    试验综合选取了国内外3种具有典型特点的试样对比，通过对比试验可知，SPCE防腐涂料体系的粘结力、耐碱性和抗耐氯离子性能均为最优。

    5结语

    制备的SPCE底涂料成膜封闭性好，在混凝土中渗透性比常用的底涂提高2倍左右，可达7mm，压溃强度提高20%～30%，耐水性、耐碱性以及抗泛碱泛盐性能突出;同时制备的SPCE面涂料配方的耐洗刷次数为22576次;遮盖力为272．355g/m2;附着力为100%;涂料涂层理论耐老化年限可以达到22．6年;耐粘污性为95．8%。其复合体系的不具有封闭混凝土空隙的底涂和具有优良综合性能面漆体系整体的涂布率为326．826g/m2;当SPCE防腐涂料体系干燥后，整体的干膜厚度达到340μm;底涂和面漆之间干燥后体系层间粘结力达到1．92MPa，说明两种体系具有很好的相容性能;SPCE防腐涂料体系整体在抗氯离子方面也具有良好的性能，其氯离子穿透量为1．49×10－3mg/(cm2·d);SPCE防腐涂料体系具有较强的抗碱性，经氢氧化钠饱和溶液浸泡30d无起泡剥落开裂现象。

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