硅烷浸渍技术在公路混凝土结构耐久性保护的应用.doc

硅烷浸渍技术在公路混凝土结构耐久性保护的应用 谢志明 武汉道尔化工有限公司重大基础建设工程的安全性、耐久性是关系到国民经济建设的重大问题。然而，重大建筑物结构如地球上的所有生物一样，均存在“生老病死的生命周期”。由于风化、溶蚀、冻融、日照碳化、剥落、钢筋锈蚀等引起混凝土工程病变, 混凝土结构在长期自然环境和使用条件下，材料的老化和结构性能的劣化不可避免。建造混凝土工程规模大、难度高，建设费用昂贵。混凝土结构耐久性不足而造成的直接和间接损失之大，已远远超出人们的预料，这在欧美发达国家已构成严重的财政负担。据一项调查显示，美国的混凝土基础设施工程总价值约为6万亿美元，美国50万座公路桥梁中20万座已有损坏，平均每年有150200座桥梁部分或完全坍塌，寿命不足20年；美国共建有混凝土水坝3000座，平均寿命30年。如何解决混凝土耐久性等系列难题？国内外科学家们研究了很多方法，除了应用高性能混凝土和混凝土初期养护质量等保护措施，主要有以下几种混凝土结构附加防腐防护措施：环氧涂层钢筋、钢筋阻锈剂、混凝土表面涂层、防腐面层、阴极保护等。其中，从上个世纪80年代起，硅烷浸渍技术在北美和欧洲已被广泛应用于公路、海港、车库、高架桥、大坝等结构混凝土建筑物的保护。国际上已将该技术列入建筑物混凝土及钢筋混凝土防腐延长建筑物寿命的手段加以规范。如欧洲规范prEN1504(2003)混凝土耐久性表面保护,美国高速公路协会把其评价为是提高混凝土耐久性的最好措施，我国也在JTJ275-2000海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范和CCES01-2004混凝土结构耐久性设计及施工指南、JTG/T B07-01-2006公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范、中把硅烷浸渍技术作为一项重要防腐措施列入其中，目前铁道部及建设部的行业标准也正在编写中。硅烷混凝土防护产品既是一种具有良好渗透性、耐久性、环保型的有机硅防水、防腐剂，又是一种性能优良的混凝土表面密封剂，渗涂混凝土表层，应用于房屋建筑、港口码头、公路、桥梁、下水道、机场、工业厂房、污水处理池、供水饮水系统和许多混凝土制品（砌块砖、黏土砖、路缘石等）。此种方法比较传统防腐措施具有对需处理的基材表面要求不高、操作简便易、用途广泛的特点。例如：保护公路桥面不受除冰盐类的腐蚀、保护海洋环境建筑物混凝土及钢筋不受海水盐类的影响；喷涂于桥墩中的浪溅区和水位变动区，墙柱靠近地表的干湿交替区；喷涂于混凝土桥面板和隔离墩、防撞墙；喷涂于彩色砌块砖的表面（主要提高防渗及防泛碱的能力）。目前，该类硅烷混凝土养护产品已被成功应用于澳大利亚悉尼歌剧院的屋顶、美国奥克兰旧金山跨海大桥、波罗的海跨海大桥、英格兰威尔士跨海大桥、印度尼西亚SELATAN水站，以及我国台湾高雄小港机场跑道、香港国际机场、台湾北二高大溪龙潭段高速公路等众多工程。近年来，硅烷浸渍已在国内一些重大标志性建筑结构成功应用，如深圳盐田港大陆地区盐田港、杭州湾大桥、长江三峡大坝、洋山港、浙江余杭污水处理池等工程中采用该项技术，取得了优异的效果。优异的抗氯离子性能海洋环境、立交桥等结构的使用环境非常恶劣且具有典型代表性。处于氯化物侵蚀的恶劣环境中的混凝土结构，由于基材毛细孔的吸收和扩散作用，是沿海混凝土结构和市政桥梁腐蚀破坏的最重要原因之一，也广泛存在于公路、铁路桥梁上。原北京西直门立交桥为例，落水口一侧墩柱氯化物含量较高，最大值达0.29%，渗透深度达到80mm，致使只使用了19年就不得不拆除重建。而在海洋环境的破坏更是触目惊心，如福宁高速公路2002年9月建成投入使用后，仅仅五年多的时间于2007年10月就对下白石特大桥等八座海边桥梁浪溅区及水位变动区下部结构进行维修加固。在公路道桥的使用中，在北方和盐碱、沿海地区，化冰盐、汽车尾气等恶劣使用环境都会对钢筋混凝土结构造成致命伤害，特别是桥梁外檐、构件连接处、雨水倒流槽、路缘石、桥墩等处。在冬天，海盐和防冻盐（新型环保型的融雪剂亦含Cl-）对混凝土建筑物是一个很严重的问题。这些盐类通常是被风或者往来车辆飞溅的水带到混凝土的表面上，然后随着时间的推移逐渐渗透到混凝土内部。当它渗透到钢筋上时，就会侵蚀钢筋，导致钢筋上的混凝土碎裂剥落。而使用硅烷浸渍处理后，就能够很好的解决这些问题。所以，使用硅烷浸渍技术作为防止氯盐、尤其是对海工混凝土结构耐久性保护的措施已是广大工程技术人员的共识。硅烷浸渍是美国公路路桥防护中最广泛采用方案。早在1994年Cady Philip D在美国高速公路研究计划NCHRP第209号论坛中的调查显示，美国高速公路路桥防护材料中有33%采用的是硅烷。同时，NCHRP针对美国各州高速公路路桥常用的混凝土防护材料，对21种材料进行一系列性能研究后，在5种具有较好防水及耐氯离子侵蚀效果的防护材料中，硅烷是唯一不会改变混凝土表面磨损后，仍能提供优异的防水和耐氯离子侵蚀能力的材料。大量工程实例表明，硅烷类产品是保护混凝土免受氯盐腐蚀的理想浸渍材料。硅烷浸渍技术是彻底解决路面盐冻破坏问题，需要切实地提高混凝土的耐氯离子腐蚀防护能力的最有效方法之一。表1，洋山港一期码头混凝土构件防腐蚀工程实际检测结果分布图，混凝土C50：项目最大值最小值平均值吸水率（mm/min1/2）0.0080.00560.0068渗透深度（mm）4.533.6氯化物吸收量降低效果（%）97.49395.2抗冻融循环性能在北方，当环境温度降低到冰点以下，混凝土空隙中的水结冻膨胀，体积膨胀大约可增加9%，如果这种冻融循环长期持续，结果可使混凝土开裂，甚至是崩裂。硅烷是一种性能优异的渗透型浸渍剂，具有小分子结构，深层渗透混凝土毛细孔壁与水化的水泥发生反应形成聚硅氧烷互穿网络结构，通过牢固的化学键合反应，赋予混凝土表面的微观结构长期的憎水性，并保持呼吸透气功能，大大降低了水和有害氯离子等的侵入，可解决冻融引起的混凝土剥落和风化，提供长久的耐侯和防水保护。2008年4月，武汉科技大学中南分校混凝土实验室使用武汉道尔化工膏体硅烷浸渍后混凝土表层水吸附试验，混凝土强度：C30。表2，混凝土CON面在涂刷DB-H580硅烷前、后表层湿度变化值 (RH%)混凝土面型N-1N-2N-3S-1S-2S-3 CON面0.40.70.50.40.30.7 CON面涂硅烷0.20.20.10.20.10.1 注：N代表自然养护，S代表标准养护，CON面即普通混凝土面表3，混凝土面在涂刷硅烷前、后表层ISAT10 （ml/(m 2 .s)）混凝土面型N-1N-2N-3S-1S-2S-3 CON面0.570.650.480.400.300.10 CON面涂硅烷0.020.030.010.010.010 表4，表层水吸附能力批判表(Basheer,1993) ISAT10单位：ml/(m2 .s)表层水吸附能力高中低 ISAT10值0.500.250.500.25 测试结果：在涂刷硅烷后，所有检测面的ISAT10 值都明显降低，特别是普通混凝土下降幅度非常大。混凝土采用硅烷浸渍后减小混凝土表层的了水吸附能力，其水吸附能力属于“低”等级，这样有利于混凝土的耐久性。交通部工程检测中心混凝土实验室曾对混凝土冻融循环在一系列对实验，结果表明，混凝土硅烷浸渍前后抗冻融循环能力大幅提高。表5，硅烷冻融循环实验最终冻融次数基准混凝土175次硅烷浸渍试件325次备注：涂敷量200g/m2,室温下放置14天。检测标准：交通部标准JTG E30-2005公路工程水泥及水泥混凝土试验规程同样，根据JTG/T B07-01-2006 公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范实验结果，浸渍硅烷后在盐水冻融损失时的冻融循环次数比未浸渍处理的多了20次以上。抗碳化效果 与北方气候不同，我国南方因为雨水及生物侵蚀、碳化对混凝土的破坏占主流。尤其是混凝土的碳化破坏，在广州、深圳等桥梁结构的破坏触目惊心。如右图深圳北一立交桥防撞栏碳化图片。混凝土碳化后会产生体积收缩，当收缩应力超过混凝土表面抗拉强度时，会在表面产生裂缝。潮湿空气进入裂缝使裂缝处的混凝土碳化收缩，继而使裂缝向混凝土内部发展。当裂缝穿透混凝土保护层到达钢筋时，由于混凝土碱性降低，湿气锈蚀钢筋，锈蚀严重时会胀裂保护层，加速锈蚀进程，最终有可能影响结构安全。此外，近年来环境污染的破坏，SO2及酸雨、汽车尾气对混凝土结构的危害也日益突出。如，武汉阳逻长江大桥毗邻阳逻电厂以及未来即将建设的武汉石化，为达到100年的使用寿命，在设计及建设过程中就采用了硅烷浸渍技术对桥梁混凝土结构进行保护。武汉理工大学混凝土实验室对武汉道尔化工有限公司DB-H580膏体硅烷及DB-H538液体硅烷在C50混凝土浸渍保护后，与未浸渍保护硅烷试件耐水性及耐酸性、碳化对比实验，如表：表6，混凝土硅烷浸渍碳化性能膏体硅烷浸渍后液体硅烷浸渍未涂试件混凝土强度C50C50C50吸水率（mm/min1/2）0.0070.0080.02耐酸性(30d)表面无起泡、开裂表面无起泡、开裂表面有少量气泡碳化深度（mm）1.51.66.3检测标准：JTJ275-2000 海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范 JGJ T23-2001 回弹法检测混凝土抗压强度技术规范GBJ8285 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法结果证明，经过硅烷浸渍后的混凝土试件无论耐酸性还是抗碳化性能都大幅提高。恶劣条件下防腐因为硅烷浸渍后的混凝土具有良好的耐酸性及耐碱性。所以，在一些恶劣条件下的混凝土结构的保护也具有广阔的前景。如温州绕城高速楠溪江大桥22#-28#墩位于永嘉县黄田电镀二厂附近，黄田电镀厂排放的工业废水呈强酸性，为避免酸性水质对桥梁结构造成侵蚀, 对纽合箱梁下部结构砼侧表面及主桥28号墩在枯水期的低水位时,对外露的桩基、承台和洪水位以上2m高度范围内墩身,采用沥青类、硅烷浸渍防护。我国西南和西北地区，地下水和土中SO42-含量较高，硫酸盐溶液与水泥中的Ca（OH）2及水化铝酸钙发生反应，生成石膏和硫铝酸钙，使混凝土瓦解。如果使用硅烷浸渍混凝土保护，利用硅烷具有极佳的疏水性，可有效防止水的进入，从而杜绝病害的发生。硅烷浸渍技术同时在污水处理池、垃圾填埋场、盐场等混凝土结构的防腐也得到广泛的应用。如深圳平湖垃圾电厂垃圾池建成时采用防水涂层，10年后涂层保护破坏，混凝土剥落钢筋锈蚀，经加固修补后采用硅烷浸渍防护，成本经济而且防护效果良好。硅烷浸渍在一些恶劣腐蚀环境下应用前景也是十分广阔。如山东潍坊当地有一盐场，因为运盐车运输过程中的盐洒落，造成当地桥梁腐蚀严重，几乎每五年即需要拆掉重建。而如果采用硅烷浸渍混凝土保护，即可大大延长当地桥梁的使用寿命，该项技术已经被当地公路部门使用并进行推广。硅烷浸渍的经济性根据国内外大量的试验及实际使用结果显示，使用混凝土硅烷专用防护剂进行深度浸渍可以保护钢筋混凝土桥梁在15年到20年，甚至更长的时间里免受因潮湿和盐侵蚀而造成的破坏。这种新技术能够极大地减少费用高昂的养护和整修工作，使用硅烷进行深度浸渍的总花费，随桥梁结构的大小不同是通常整修费用的十分之一，能大大降低了新桥梁和受损桥梁的养护费用。实践证明，对于钢筋混凝土结构的养护采用硅烷混凝土防护剂是最科学、最有效的方法。据美国混凝土学合（ACI）制定的LCCA-365工程软件测算出对桥梁盐害，（桥梁混凝土结构耐久性的主要环境影响因素）对各种施工工法，初建工程费用及各服役年限维修成本，统计出初建施工及服役寿命期的总投资费用的分布，普通双掺混凝土在不加任何耐久性措施大约15年左右开始第一次修复在经过70年服役期内已经历七次维修。从施工完毕后的，成本1.8美元/m2增加到12.6美元/m2。而采用加硅灰三掺致密抗渗后，第一次修复期顺延到20年后，如加钢筋环氧涂层或表面硅烷保护，或采取添加阻锈处理措施，则顺延到38年和44年后才开第一次大维修。在70年服役期只修复2-3次，维修期长且每次维修费也低，虽然施工初成本比常规无耐久性处理成本高出1.8美元/m2（从1.8美元/m2增加到3.6美元/m2），但70年服役寿命期间后该工程总比常规建筑要低出约8.1美元/m2，几乎为造价三倍（维修费为初建费300%左右）。LCCA评估后，建桥工程指挥部决定增大初建期投资费用，初步将初建费用增加63%。而在100年寿命总的设计长期服役中几乎减少56次维修，使总的工程投资费用比原双掺设计比较节约了费用320%。最好的承包人、建筑师和工程师都知道混凝土和水泥表面未做好正确地处理和保护会带来的破坏后果。但财产所有者、工程设计者和维护人员往往忽略或者不知道这种缺陷，直到建筑物出现破裂或者出现瓦解、剥落、钢筋锈蚀等征兆，一旦发现后破坏再去修补维护，其代价十分昂贵。这就是会出现工程建设成本低而使用和运行成本高的原因。目前，我国建筑与基础设施的腐蚀防护工作，正面临这两个方面的任务与挑战：一方面是大规模新建工程的有效防护，以保证其耐久性和使用安全的问题，另一方面是已经和正在出现的大量已有工程的修复问题。这两个方面解决的好坏，都足以影响国民经济与可持续发展。尤其是最近几年，国内外桥梁出现不少桥梁倒塌事故，造成严重的人员伤亡和经济损失，对于港口、公路、桥梁的维修出现新一轮的高潮，也