文 | 于法鑫 陈丽华 葛梦凯 

 

摘  要：本文着重介绍了混凝土的腐蚀原理，表面处理方法，表面质量控制测试，混凝土表面涂料应具有的性能和选用涂料品种类别。

关键词：腐蚀  表面处理  涂料

1.前  言

混凝土进现代重要的建筑材料之一，广泛用于大坝、桥梁、地板、贮槽和建筑等。坚硬的混凝土本身也是耐腐蚀的材料，经常用于钢结构的保护，但是混凝土也有反应性（如在酸性环境中），它的表面也需要涂料的保护。

2.混凝土的腐蚀

混凝土是由硅酸盐水泥，填充骨料、水和助剂等混合后浇注而成。水泥的基本化学组成为3CaO ·SiO2和 β-2CaO·SiO2，以及少量的3CaO ·AL2O3、 4CaO·Al2O3·Fe2O3或者是一些铁相的固体溶液MgO、CaO以及其化合物。除了加入骨料增强其耐磨性，有时还使用钢筋骨架来增加混凝土构件的强度。由于暴露，在日晒、风吹、雨淋、大气污染等长期作用下，钢筋混凝土的腐蚀如果不引起重视和采取有效的防护措施，就会带来严重的后果。有效的混凝土涂层应该具备防护和装饰两个方面的功能。

钢筋腐蚀产物，铁锈的何种约为原体积的2.5倍，所产生的膨胀压力会造成混凝土的开裂、剥落，裂缝的产生又会引起更严重的腐蚀。引起混凝土内钢筋腐蚀最主要的原因是混凝土的碳化和氯化物的渗透量。

2.1混凝土的碳化

水泥浆对钢筋混凝土具有保护钢筋免受腐蚀的能力。钢筋混凝土中水泥的水化产物氢氧化钙是一种高碱性物质，PH值在12.5以上，混凝土中钢筋与该溶液接触，表面会形成氧化亚铁面膜，它可以钝化钢筋，阻止氧气接触钢筋，对钢筋起到保护作用。这种钝化作用在碱性环境中是很稳定的。当水分通过混凝土的孔洞，在里面形成氢氧化钙。属于碱性环境，由于外来的酸性气体（如二氧化碳），渗与混凝土孔隙与氢氧化钙发生化学反应，变成碳酸钙，整个反应称为碳化作用，反应式如下：

CO2+H2O+Ca（OH）→CaCO3+2H2O

当大量的碳酸钙形成时，混凝土内部碱性环境受到破坏，达到一定程度时，如PH值在9以下时，钝态的氧化膜保护层就失去保护作用，混凝土内的钢筋产生锈蚀。混凝土的碳化因素很多，例如，水泥本身的质量，施工时水和水泥比例，初凝时间、终凝时间，养护方法及环境等等。而多孔的混凝土比一般混凝土碳化速度快，有时甚至快10倍，此外施工也是一个十分重要的问题，例如钢筋的保护层土过小，振捣机械时间及方法搅拌时间等等。

2.2氯化物的渗透

混凝土施工时往往会加入一些含有氯化物的外加剂，以及污染水源，砂、石等等。混凝土固化后，在大气环境中的氯化物污染是难以避免的。氯离子是一种穿透力极强的腐蚀介质，当接触到钢铁表面，便迅速破坏钢铁表面的钝化层，即使在强碱性环境中，氯离子（Cl-）引起的点蚀依然会发生。同时由于气态或液态的水渗透到混凝土里面，而这种水并非纯净水，而是含有一些杂质的电解液，电化学作用导致锈蚀加快进行。当氯离子渗透到达钢筋表面，氯离子浓度较高的局部保护膜破坏，成为活化态。在氧和水充分的条件下，活化的钢筋表面形成一个小阳极，未活化的钢筋表面成为阴极，结果使阳极金属铁溶解，形成腐蚀坑，发生点腐蚀，整个过程发生反应如下：

Fe2++2Cl-+2H2O→Fe（OH）2+2HCl

4Fe（OH）2+O2+2H2O→4Fe（OH）3（铁锈）

Fe（OH）3若继续失去水份就形成水化氧化物FeOH（即为红锈），一部分氧化不完全的变成Fe3O4（即为黑锈），在钢筋表面形成锈层。由于铁锈层呈多孔状，即使锈层较厚，其阻挡进一步，腐蚀的效果也不大，因而腐蚀将不断向内部发展。

国际上还没有一致公论的引起混凝土中钢筋腐蚀的氯化物界限值，当结构处于干湿交替状态下或常年湿度大于80%时，通常认为在氯化物含量与混凝土的质量比达到0.2%以上时，就比较危险。

2.3硫酸盐的腐蚀

硫酸盐既腐蚀混凝土又腐蚀钢筋，有很大的危险性。对混凝土的破坏主要是物理膨胀侵蚀和化学膨胀侵蚀。

（1）物理膨胀侵蚀

盐结晶膨胀，包括硫酸盐在内的一些可溶性盐类，随水渗入混凝土内部的毛细孔、微孔内，当水分蒸发时，盐就会结晶出来。盐结晶生长过程发生体积膨胀，使混凝土胀裂或粉化、脱落。干湿交替的部位最易发生盐结晶和发生结晶侵蚀。

盐晶变膨胀，硫酸盐和氯盐，随着温度的变化，可能发生晶变或含不同数量的结晶水，因而体积也随之变化。其中，硫酸钠的晶变可膨胀331%。

表1盐的晶变温度与体积膨胀率

（2）化学膨胀侵蚀

环境中的硫酸盐与混凝土（水化产物）发生化学作用，其反应产物体积增大，膨胀作用使混凝土产生微观、宏观开裂或粉化脱落。硫酸钠的盐典型反应是：

Ca（OH）2 + Na2SO4=CaSO4 + NaOH

硫酸盐在环境中是经常存在的，如芒硝大量存在于盐湖、盐碱地中，同时也是重要工业原料。以上反应的结果可使膨胀1～2倍，但还不是到此为止。所生成的硫酸钙（或由环境进入到混凝土中），可进一步与混凝土中的铝酸三钙起反应，产生含更多结晶水的大分子产物，体积又可增加2倍。

3CaSO4·2H2O + 4CaO·Al2O3·19H2O  →  3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O +Ca（OH）2

3.混凝土的表面处理

混凝土经受风化腐蚀，表面粗糙多孔，表层强度低，可能还有油污和盐分的污染，其表面孔隙中含有水分和碱性物质，如不经处理直接涂装，涂膜不仅附着力差，而且会发生起泡，龟裂、泛白甚至脱层等弊病。为了避免上述问题的出现，延长涂层的使用寿命，必须控制基材的含水率，进行正确的表面处理。

3.1除油

用洗涤剂或碳酸钠溶液清洗油污，再淡水冲洗到PH值到中性（PH7～8）。如果油污严重渗入混凝土内部，应采用热碱液浸渍，并用淡水冲洗。使用清水滴加在混凝土表面，观察其润湿和铺展的状态，如果水滴形成圆珠状，说明有油污存在；如果水膜均一，铺展自然，说明表面没有油污。

3.2表面打磨或喷砂处理

用电动或气动打磨工具，或者使用喷砂设备，可以有效地除去表面浮浆和弱质表面层。表面的灰尘用清洁干净的压缩空气吹净，最好用真空吸尘器吸尘。

3.3化学处理

用酸浸蚀的方法，主要适用于油污较多的混凝土表面，质量系数为（10～15）%的盐酸清洗混凝土表面，待反应完全后（不再产生气泡），再用清水冲洗，配合毛刷刷洗，此法可清除泥浆层并得到较细的粗糙度。在平面的混凝土基体上使用酸浸蚀的效果最好。

3.4混凝土表面质量控制测试

（1） PH值。

清洁后的混凝土表面PH值的测定很重要，尤其是在对地面表面酸浸后，根据ASTM4262标准，化学浸湿法混凝土PH值测定方法，其结果控制在中性。

（2）氯化钙。

氯化钙测定法，可以测定水分从混凝土中逸出的速度，是一种间接测定混凝土含水率的方法，测定密封容器中氯化钙在72h后的增重，其值应≤46.8g/m2。

（3）含水量。

混凝土含水率应小于5%，否则应排除水分后方可进行涂装。

测定混凝土表面的含水量可以用ASTM4263薄膜测试法，取10mm厚，45cm×45cm透明聚乙烯薄膜平放在混凝土表面，用胶带纸密封4边。16h后，薄膜下出现水珠或混凝土表面变黑，说明混凝土过湿，不宜涂装。

用食指按擦混凝土表面，如果手指上能带起湿气说明表面含水量过高。如果含水量过高，可以用通风来加强空气循环，加速空气流动，带走水分，促进混凝土中水分进一步挥发。

最简便的方法是使用吸水滤纸按压在混凝土表面几分钟，如果滤纸变黑吸湿，说明表面含水量过高。

如果水分过高，可以使用加热的方法提高混凝土和其周围空气的温度，加快混凝土中水迁移到表层的速率，使其迅速蒸发。最好的方法是采用强制空气加热和辐射加热。而直接用火源加热生成的燃烧产物（包括水），会提高空气的雾点温度，导致水在混凝土上凝结，故不宜采用。

用脱水减湿剂，除湿器或引进室外空气引进室外空气露点低于混凝土表面及上方的温度，可以降低空气中的露点温度，这样来除去空气中的水气。经处理后的混凝土表面性能应符合表2的指标

表2混凝土表面性能指标

4.混凝土保护用涂料

根据氯化物对混凝土内钢筋发生腐蚀作用必须具备的条件，可以通过防止氯化物接触钢筋表面，防止发生钢筋为阳极的电化学反应两个方面达到保护混凝土内钢筋免受腐蚀。使用长效防腐蚀涂层来保护钢筋混凝土是较为方便实用的方法，它可有效地阻止氯化物、氧气、二氧化碳和海水等腐蚀介质的进入，达到保护的效果。

4.1涂料性能：

用于混凝土表面的涂料必须具有以下性能。

（1）耐碱性。

混凝土的PH值在12~13，所以用于混凝土表面的涂料必须具有良好的耐碱性，目前已知耐碱性最好的涂料有乙烯基涂料，氯化涂料和环氧涂料。

（2）渗透性。

用于混凝土表面的涂料的渗透性能相当重要，它可以保证良好的附着力以及抵御外界侵蚀的能力。高渗透性涂料主要是因为其低分子量，可以在砂粒和水泥孔隙中渗透。这方面最好的涂料是低分子量液体环氧涂料。因此低分子量环氧清漆常用来作为混凝土表面的封闭涂料。其他低分子量涂料并不一定适合于混凝土表面的涂装，比如油性类涂料，它们会因为混凝土的高碱性而发生皂化。

低分子量涂料对混凝土的润湿和渗透，可以提高混凝土表层密度，提高附着力以及表面的耐化学和物理侵蚀的能力。

（3）柔软性和延展性。

相比较钢铁而言，混凝土具有一定的柔软性和延展性，所以用于混凝土表面的涂料也必须要有一定的柔软性和延展性，才能符合混凝土的收缩和膨胀。

（4）附着力。

附着力是所有涂料的重要性能之一，但是用于混凝土表面的涂料的附着力性能与用于钢铁表面的涂料不同。由于混凝土可能处于潮湿环境，涂料必须具有很好的渗透性和润湿性来牢牢地附着在混凝土表面。而且，涂层必须有能力抵抗来自于背面的水压，以防止涂膜起泡。

（5）耐磨性。

用于混凝土地面的涂料，必须具有很好的耐磨性，人的行走、车辆的行驶、重物的滑动等，都会磨损地面表面的涂料。含有耐磨性骨料的环氧涂料地面漆，配以高渗透性的底漆和耐磨性强的环氧或聚氨酯面漆，是最好的配套方案。

（6）水气渗透性。

用于混凝土表面的涂料，必须具有良好的抗水气渗透性，这是一个相当微妙的概念。新混凝土在固化时总是含有一定的水分，如果水分存在于涂料与混凝土表面之间，涂层就会剥落或气泡。所以使用的涂料还需具有一定的呼吸性能。它可以让水气通过，但不能让液态水通过。当然，这种水气通过不能超过涂料承受的能力。高的水气通过率会使涂料耐水性能和抵抗化学品的能力下降。

（7）抗二氧化碳性。

由于二氧化碳是引起混凝土碳化的主要因素之一，所以表面使用的涂料要能有效地阻挡住二氧化碳的渗透。由于二氧化碳的含量会随着温度和湿度的增加而升高，因此要求抗二氧化碳渗透率达到4000Gpa·s·m2/kg以上，好的产品可以达到6000GPa·s·m2/kg以上。

（8）涂层厚度。

用于混凝土表面的涂层必须达到一定的涂层厚度，这样才可的克服混凝土表面的不规则性和可能产生的涂层缺陷。涂层厚度达到300~500/um就可以有效地消除细小的收缩裂纹。涂层如果不能达到一定的厚度，也无法抵抗内应力。

（9）装饰性。

用于混凝土涂层体系的表层面漆，除了具有耐各种大气腐蚀和其他性能之外，还必须具有很好的装饰性能，色彩要丰富，涂膜要有丰满感，耐光保光性能好。

4.2混凝土表面用涂料类别

由于混凝土结构用于多种场合，如地面、建筑内外墙，贮槽、地下管道等。所以混凝土表面可以使用的涂料品种也比较多。有些涂料不适宜用于混凝土表面，如醇酸树脂涂料，与高碱性的混凝土表面接触后，脂肪酸基因皂化，涂膜很快就会破坏掉。

（1）涂料。

涂料使用的沥青有两种，石油沥青和煤焦沥青。石油沥青的耐候性和耐光性较好，煤焦沥青的耐化学品和耐水性能要好些，所以这两种涂料可以根据需要用于不同的地方。

（2）氯化涂料。

氯化涂料的耐水性和耐化学性能很好，耐碱性强，与混凝土表面附着力强。干燥快，单组分施工简便，重涂性能也好。可以用于建筑物表面和游泳地表面等。

（3）乙烯涂料。

乙烯涂料具有很好的耐酸耐碱性能，柔性好，曾广泛用于核电站内。由于乙烯涂料的分子量大，底漆施工要稀释后才能有交往地渗透混凝土表面。由于乙烯涂料固体体积分数低，所以也必须多道施工才能达到较厚的涂膜总厚度。

（4）环氧涂料。

环氧涂料对混凝土表面有着很好的附着力，并且耐化学品性能优良。液态树脂和液态固化剂配制的环氧涂料，可以深深地渗透进混凝土表面，增强混凝土的表面强度和密度。环氧涂料是目前混凝土表面进行重防腐应用最主要的涂料品种，被广泛应用于工业地面，储罐、水池等等。

高分子量环氧涂料，以胺或聚酰胺为加固化剂，与用于钢铁底材上面的环氧涂料没有太多的区别，性能相似。通常涂漠厚度在200~400um。可以使用在化工厂、造纸厂、核电站等区域，耐化工大气，也耐烟尘侵蚀，但是不宜用于化学品的浸泡。低分子环氧涂料，渗透力强，特别该类环氧清漆，可以彻底浸润混凝土，几乎不在混凝土表面留下涂膜，配合其他环氧涂料，可以用于淡水、海水、污水或中等化学品的浸泡环境。另有一种无溶剂环氧衬层涂料，可以配合使用玻璃纤维，不仅耐化学品侵蚀，而且涂层光滑、平整、致密的。环氧煤涂料地是水下环境、污水池内应用较多的混凝土表面涂料，它具有沥青耐水性强的特点，又有环氧树脂附着力好，耐化学品性能好的优点。

（5）聚氨酯涂料。

聚氨酯涂料与环氧涂料有着相似的性能，而且弹性更好，能弥补混凝土表面细小的裂缝。由于耐化学品性能突出，广泛用于混凝土贮槽内壁衬层。对于大气环境中的混凝土建筑物来说，脂肪族聚氨酯涂料还是耐候性优异，装饰性强的首选面漆。

（6）丙烯酸乳胶漆。

作为建筑涂料中最主要的产品，丙烯酸乳胶漆耐碱性强，具有水解稳定性，特别是适合于混凝土表面。丙烯酸乳胶漆的呼吸功能强，允许水蒸气透过，但同时又对水有着阻隔作用。优良的弹性和弹性回复，使丙烯酸乳胶漆可以容忍混凝土表面的尺寸变化而不破损。

5.结论

混凝土破坏可能有许多原因，其中腐蚀仅是原因之一。如果混凝土的破坏是以腐蚀为主的，应根据所处的环境、部位不同，来确定腐蚀源。根据腐蚀介质去制定合理的施工方案，正确选择混凝土的表面处理方法。这样才能保证混凝土工程防腐蚀的施工质量，延长使用寿命，从而达到经济、适用、美观的效果。

参考文献

1.庞启财， 防腐蚀涂料涂装和质量控制，北京：化学工业出版社，2003，444～452

2.洪乃丰，基础设施腐蚀防护和耐久性问与答，北京：化学工业出版社，2003，49～50