2.5　海洋環境中鋼筋混凝土結構的防腐方法

由于海洋苛刻的腐蝕環境，處于海洋環境中的鋼筋混凝土結構常因混凝土腐蝕和鋼筋銹蝕而過早發生耐久性失效乃至破壞，這些問題帶來了巨大的經濟損失。如果對海洋環境中的鋼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蝕而造成的損失。

高質量混凝土和適當保護層厚度是防腐蝕的第一道防線，但是并不能長期保證混凝土的耐久性，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。

2.5.1　環氧涂層鋼筋

環氧樹脂涂層鋼筋是在工廠生產條件下，采用靜電噴涂方法，將環氧樹脂粉末噴涂在普通帶肋鋼筋和普通光圓鋼筋的表面，從而生產出的一種具有涂層的鋼筋，涂層厚度一般在0.15～0.30mm。涂層靜電噴涂方法制作步驟：先將普通鋼筋表面進行除銹、打毛等處理；然后將其加熱到230℃以上；再將帶電的環氧樹脂粉末噴射到鋼筋表面，由于粉末顆粒帶有電荷，便吸附在鋼筋表面，并與其熔融結合；經過一定的養護固化后形成一層完整、連續、包裹住整個鋼筋表面的環氧樹脂薄膜保護層。環氧樹脂涂層因其不與酸、堿等反應，具有極高的化學穩定性，并具有延性大、干縮小、與金屬表面具有極佳的黏著性的特點，在鋼筋表面形成了阻隔其與水分、氧、氯化物或侵蝕性介質接觸的物理屏障。同時，還因其具有阻隔鋼筋與外界電流接觸的功能而被認為是帶電離子防腐屏障。因此，環氧樹脂涂層鋼筋有很好的耐蝕性，但其與混凝土的黏結強度明顯降低，適用于處在潮濕環境或侵蝕性介質中的工業與民用房屋、一般構筑物及道路、橋梁、港口、碼頭等的鋼筋混凝土結構中（當用于工業建筑防腐工程時，應與有關專業標準的規定進行核對）。對在施工操作中造成的少量涂層破損，必須及時予以修補。

在鋼筋表面制作環氧樹脂保護膜，隔離鋼筋與腐蝕介質的接觸的方法，在美國、日本已大批量應用于工程。若涂層質量控制良好，能夠延緩鋼筋腐蝕的開始時間，但銹蝕開始后，銹蝕速率會加快，因為在涂層制作過程，噴砂除去了鋼筋表面的氧化膜。因此，采用環氧涂層鋼筋的不足之處是：①在施工質量控制中無法檢測埋入混凝土后鋼筋涂層的狀況，即無法檢測涂層是否在施工過程中受到損傷；②造價較高。目前，我國現行產品標準為JG 3042—1997《環氧樹脂涂層鋼筋》。

2.5.2　鋼筋阻銹劑

在鋼筋與混凝土組成的材料體系中，如加入少量物質能有效地延緩腐蝕發生、降低鋼筋的腐蝕速率，則這種物質叫做阻銹劑。與其他混凝土外加劑不同，阻銹劑是通過抑制混凝土與鋼筋界面孔溶液中陽極或陰極的電化學腐蝕反應來保護鋼筋的，因此，阻銹的一般原理是阻銹劑直接參與界面化學反應，使鋼筋表面形成鈍化膜，或者在鋼筋表面吸附成膜，或者兩種機理兼而有之。

阻銹劑能夠阻止或延緩氯離子對鋼筋鈍化薄膜的破壞。采用阻銹劑同時應使用低滲透性混凝土，以防止阻銹劑流失。這是一項新型應用技術，被美國土木工程學會（ACI）確認為是鋼筋防護的長期有效措施之一。在日本鋼筋阻銹劑主要用于海洋環境的建筑物和開發利用海砂。我國1998年修訂了YB/T 9231—98《鋼筋阻銹劑使用技術規程》。在海洋工程、油田建設、鐵路、立交橋、工業建筑及老工程修復等方面已有較多的成功應用，取得了良好的技術經濟效益。

2.5.3　陰極保護

陰極保護是降低鋼筋腐蝕速率的有效輔助措施。一般在鋼筋腐蝕開始后啟用，以降低腐蝕擴展速率。對于新建工程，陰極保護可用于海中、水域或潮濕地下的獨立構筑物。采用此種措施須嚴格控制保護電位范圍，防止析氫引起握裹力降低和氫脆發生，對于預應力混凝土更應慎重。

混凝土的陰極保護一般分為外加電流法和犧牲陽極法。國外對新建結構更多采用的是外加電流陰極保護，同時由于橋面板長期有車輛通行，對面板鋼筋混凝土的保護一般采用外加電流陰極保護系統。鋼筋混凝土外加電流保護系統主要由直流電源、輔助陽極、參比電極和電纜等組成。對系統進行陰極保護設計，首先要了解如下內容：鋼筋尺寸及鋼筋布置圖、混凝土保護層厚度、鋼筋及其他混凝土鋼筋構件的電連接情況和系統設計使用壽命。歐洲標準對于新結構的保護一般推薦的陰極保護電流密度為0.2～2mA/m2，實際設計中考慮到初期極化電流要求，往往取更高的電流密度值。

目前國際廣泛使用的陽極為混合金屬氧化物陽極（MMO），即在鈦材表面涂覆混合金屬氧化物，經高溫燒結而成。用在陰極保護中的陽極材料主要分為銥基和釕基兩種，相比而言前一種使用壽命更長，后一種價格更便宜。

2.5.4　混凝土表面涂層防護

實踐證明，混凝土表面涂層防護是降低鋼筋腐蝕速率最簡單有效的措施。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。混凝土表面涂層防護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。目前，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等8種。

1.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。但是因環氧樹脂分子中含有醚鍵，在紫外線照射下易降解斷鏈，所以涂膜的戶外耐候性差，易失光和粉化。并且，環氧樹脂固化時對溫度和濕度的依賴性大，固化后內應力大，涂膜質脆、易開裂，耐熱性和耐沖擊性都不理想。針對這些缺點，國內外諸多學者對其進行化學改性以提高它的應用性能和應用范圍。常見的方法主要是對其分子結構進行改性，研究進展有：①有機硅改性，環氧樹脂經過有機硅改性后，內應力降低，耐高溫性和柔韌性增加；②橡膠彈性體改性，在環氧分子結構中引入了鍵能較高、柔韌性好、表面能較低的硅氧鍵，可使其固化物的韌性和耐熱性得到提高；③聚氨酯改性，采用聚氨酯改性的環氧樹脂形成半互穿網絡聚合物，有效地提高了相容性和穩定性，獲得了較高的剪切強度、剝離強度和耐磨耐氣蝕性。聚氨酯改性環氧樹脂是當今高分子材料開發的熱點之一。此外還有液晶聚合物改性、核殼聚合物改性、丙烯酸改性等。

2.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；具有良好的機械性能、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。

3.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它的發展前景。

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單體通過加聚反應生成的聚丙烯酸樹脂，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，從而導致該涂料易粘塵、耐污染性差。

5.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浪濺區的鋼構筑物上。但此種涂料也存在一些缺點：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；用于戶外時抗紫外線老化性能較差。

6.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，是有機硅化合物中數量最多，應用最廣的一類，約占總用量的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防水型和斥水型兩類。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材料。但是，有機硅防護涂料也存在一些問題：①涂料的揮發性；②應用部位的限制，一般滲透型有機硅表面防護涂料只能用于大氣環境，而不能用于水下結構；③成本較高，滲透型有機硅防護涂料很多都是100%固含量，價格昂貴，僅施工中的合理損耗就是很大的損失；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。

7.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485.6kJ/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、耐粘、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。

8.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（Spray Polyurea Elastomer，SPUA）是近年來興起的一種新型環保多功能防護材料，其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；涂膜固化迅速；可在任意曲面、斜面、垂直面及頂面連續噴涂成型；5s凝膠，1min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。SPUA既可以直接使用也可以作為面漆使用，其獨特的優點特別適合在一些工期要求緊或搶修工程中使用。新建的青島海灣大橋就采用了SPUA技術。但由于固化快，滲透性不太好，直接噴涂于混凝土表面附著力不理想，常會采用環氧封閉底漆打底。