混凝土桥梁耐久性环境因素及其防护涂料分析

包琪　许纯梅

摘要：桥梁作为交通枢纽发挥着越来越重要的作用。然而，大量混凝土桥梁在没有达到预定的使用年限，就出现了耐久性严重退化现象。本文分析混凝土桥梁所处的腐蚀环境（大气、水、氯盐及日照）和腐蚀特点，介绍国内外桥梁防护涂料的技术要求及防护涂装配套体系的研究现状，针对目前防护涂料缺乏考虑日照对混凝土桥梁的不利影响，提出应用热反射隔热涂料的趋势，为今后混凝土桥梁用功能性防护涂料提供参考。

关键词：混凝土桥梁；腐蚀环境；防护涂料

中图分类号：S 773；U 448.3文献标识码：A文章编号：1001-005X（2015）01-0128-04

Analysis of the Durability Environmental Factors

and Protective Coatings of Concrete Bridge

Bao Qi，Xu Chunmei*

（College of Civil Engineering，Southwest Forestry University，Kunming 650224）

Abstract：As the transportation junction，the bridge is playing an increasingly important role.However，a lot of the concrete bridges are broken seriously prior to the end of the predetermined useful life.In this paper，the corrosive environment and characteristics of the concrete bridge，such as air，water，chlorine，salt and sunshine were analyzed.The research status of the technical requirements of the bridge protective coatings and the system of matched protective coating were introduced.Due to the lack of consideration of the adverse effects of sunlight on the concrete bridge，it was put forward that heat reflective thermal insulating coating must be the trends，which will provide reference for the functional protective coatings of concrete bridge.

Keywords： concrete bridge；corrosive environment；protective coatings

收稿日期：2014-09-15

基金项目：西南林业大学科技创新基金（1402）

第一作者简介：包琪，硕士研究生。研究方向：森林工程。

*通讯作者：许纯梅，副教授。研究方向：桥梁工程。Email：705382404@qq.com

引文格式：包琪，許纯梅.混凝土桥梁耐久性环境因素及其防护涂料分析[J].森林工程，2015，31（1）：128-131.公路桥梁作为交通运输的咽喉而备受关注，其运营状态对保障公路的正常通行、提高公路交通运营效益具有非常重要的作用。然而，随着环境的日益恶化，大量的钢筋混凝土桥梁出现的病害使其还未达到规范中规定的使用年限，就提前失效了。混凝土桥梁病害产生的原因很多，有些是由于结构设计的抗力不足所导致，有的则是受使用荷载的不利影响，有的也与施工及其他因素有关，但更主要的原因是由于桥梁材料耐久性不足造成的。桥梁病害的产生给人类生命和财产带来巨大损失。美国学者Sitter[1]曾用“五倍定律”形象地描述了由于考虑不周或措施不当而导致混凝土耐久性不足造成的经济损失。目前，提高混凝土桥梁耐久性的技术手段众多，如选择高性能的钢材与混凝土主材、通过添加剂改善材料的性能、表面处理技术、阴极保护技术等。其中，桥梁涂料因其具有轻质、美观、经济、施工简单方便及具有良好的性能等优点而备受青睐。本文将从混凝土桥梁腐蚀环境因素入手分析，提出混凝土桥梁用防护涂料的性能要求，指明日后混凝土桥梁用防护涂料的发展趋势。

1混凝土桥梁腐蚀环境因素分析

钢筋混凝土的发明与发展的主要因素之一是水泥浆具有保护钢筋免受腐蚀的能力，暴露于大气当中的钢筋混凝土梁体结构受大气环境（SO2、CO2）、水（混凝土溶蚀、冻融循环）、氯盐及日照等影响，不可避免地导致混凝土劣化。劣化的混凝土使有害介质得以顺利进去混凝土内部引发钢筋锈蚀，影响外观的同时对结构安全性造成威胁。

1.1大气环境因素对混凝土耐久性的影响

随着工业、建筑业及交通运输设备制造业的迅猛发展，污染的大气中含有的硫化物、碳化物及氮化物是影响混凝土桥梁耐久性的主要不利因素。

SO2、CO2等酸性气体与混凝土中的Ca（OH）2发生化学反应，当其pH值下降至9时，混凝土内部的钢筋因失去碱性保护而产生锈蚀，同时混凝土强度也明显降低。在pH值为1.0的硫酸溶液中腐蚀8周期和13周期的普通硅酸盐混凝土试件，强度分别降低8.8%和18.3%，认为试件已被完全破坏[2]。而且，酸蚀还会使混凝土失去水泥黏结性，暴露出粗糙的骨料和腐蚀的钢筋，最终导致混凝土结构破坏。

此外，大气中的有害气体SO2是形成酸雨的主要成分，无论是酸性湿沉降还是干沉降，均将引起土壤酸化。酸化的土壤对混凝土桥墩耐久性有重要影响，当土壤中所含硫酸盐高于0.1%时，将导致混凝土膨胀开裂，结构劣化失效。

1.2水对混凝土耐久性的影响

桥梁是横跨江河湖海的，墩梁不可避免地处于水的腐蚀环境之中，混凝土材料的溶蚀及发生霜冻和解冻过程均需要水的参与或以水为介质。溶蚀是一个比较复杂的物理化学反应过程，其胶凝性随着水泥中水化产物的分解和溶出而逐渐丧失[3]，导致混凝土的密实度和强度降低，因此溶蚀而引起的耐久性问题不容忽视。此外，随着工业排放物对淡水的污染，溶蚀与水中硫酸盐侵蚀的共同作用，加速了混凝土的劣化。因此，考虑多种因素的耦合作用对混凝土的长期性能及寿命评价来说是非常必要的[4]。

第1期包琪等：混凝土桥梁耐久性环境因素及其防护涂料分析

森林工程第31卷

身处冬季寒冷地区的混凝土桥梁，由于冻融和冻胀的循环作用，混凝土按由表及里的方向逐渐产生裂缝和剥蚀，形成大量的微观渗水通道，溶解于水中的有害介质（硫酸盐、氯盐、污染物、灰尘）浸入通道造成混凝土灾难性的腐蚀[5]。试验表明，冻融循环的次数与温度对混凝土受拉力学性能及钢筋混凝土的粘结性有着直接的影响，随着冻融循环次数的增加，混凝土受拉力学性能下降程度逐渐增大[6]，钢筋与混凝土粘结强度逐渐降低。20～-75℃温度段对钢筋与混凝土粘结强度强敌作用明显[7]。

1.3氯盐对混凝土耐久性的影响

氯盐的腐蚀是沿海及高寒地区桥梁腐蚀破坏最重要的原因之一。氯盐来自于混凝土的原材料、外部的海水、海洋大气、防冰剂等，其通常以“混入”和“渗入”两种方式进入混凝土内部，导致混凝土劣化及钢筋锈蚀。

氯盐与混凝土反应生成易溶的CaCl2，体积增大好几倍，造成混凝土的膨胀胀裂。当水泥中水合铝酸钙含量高于8%时，混凝土很容易受到自由氯离子的腐蚀。同时，穿透力极强的Cl-与钢铁接触时将迅速破坏钢铁表面的钝化层，在钢筋表面形成极易透气和透水的铁锈，一定程度下铁锈产生的膨胀压力将会使混凝土出现裂缝，引起混凝土损坏剥落，危害结构的使用安全。铁路部门2010年统计研究表明，侵蚀环境下混凝土结构中的钢筋锈蚀是近海桥梁结构老化及耐久性失效的最主要原因。

此外，为了保证交通畅行及行车安全，冬季严寒地区要向桥面撒防冰剂。20世纪五六十年代，美国等西方国家由于对防冰盐危害的认识不足，20a后，56.7万座高速公路桥已有半数以上遭腐蚀和需要修复，修复费用高达千亿美元。防冰剂中盐溶液的浓度决定了混凝土的劣化性质与程度。当盐溶液浓度（≤3%～4%）较低时，盐—冰混合物在物理作用（冻融循环）下将导致混凝土冻胀剥落[8]；盐溶液浓度高于3%～4%的防冰剂则对混凝土表面形成化学侵蚀。无论在湿润还是干燥条件下，盐溶液浓度大于15%的除冰剂明显提高了混凝土的劣化速度[9]。此外，研究表明MgCl2和CaCl2对混凝土造成最大伤害的劣化浓度分别为20%和22%[10]，而目前市售的防冰剂当中盐溶液的浓度高达16%～32%。

1.4日照对混凝土耐久性的影响

除了考虑侵蚀介质对桥梁耐久性的不利影响，还需考虑到日照（即温度应力）对混凝土桥梁的破坏。在大跨径预应力混凝土箱形梁桥中，特别是超静定结构体系，太阳辐射在桥梁结构内部产生的非线性温差引起的温度应力可以达到甚至超过活载应力[11]。10℃的线性温差在跨中为181.4 m的桥梁中产生的正弯矩值相当于中跨两条车道布载所产生的正弯矩[12]；德国Jagst桥的厚腹板箱梁在通车第五年后边出现严重裂缝，经估算温度拉应力高達2.6MPa；美国对Clcampiny箱形桥梁进行了观测，其支座反力一日内变化量高达26%（相当于这一反力变化值的箱梁顶、底板表面的10℃温差引起3.29 MPa下翼缘应力）。在我国，漓江二桥、云南六库怒江大桥、山东台儿庄大桥、贵州思恩大桥和山西风陵渡黄河大桥等的箱梁结构均出现了不同程度的裂损情况[13]；试验研究表明，箱梁某些部位的温度应力大于荷载应力是预应力混凝土箱梁发生裂缝的主要原因。

我国幅员辽阔，各地的自然环境差异较大。由于混凝土桥梁所处的自然环境不同，对涂刷其表面的防护涂层体系的性能要求将有所不同。涂层体系（底漆+面漆或底漆+中间漆+面漆）要与混凝土基面具有很好的适应性，同时能够在设计寿命期内维持应有的防护效果。一方面，封闭漆与混凝土基面应具有优异的相容性（润湿性、渗透性、耐碱性和优异的附着力）。另一方面，中间漆应具有良好的屏蔽性能。此外，工业污染严重地区，面漆的性能要求主要考虑耐酸、耐碱性；沿海地区海洋大气中氯离子含量较高，应涂刷具有抗氯离子能力及耐水性好的面漆；冬季寒冷地区，为避免冻融循环及防冰剂的不利影响，具有耐水性和抗氯盐性能良好的面漆为最佳选择；针对夏季高温炎热地区，在设计阶段如果没有充分考虑太阳辐射产生的温度应力或成桥后对梁体的降温措施不当，那么其对混凝土桥梁运营阶段的结构安全性和耐久性的影响是相当可观的。这就要求混凝土桥梁用防护涂料在防水防腐的基础上，还应具有一定隔热降温的功能特性，将隔热降温涂料涂刷于混凝土桥梁受日照影响较大的部位可有效降低其表面温度，避免由于日照引起的结构开裂而使有害介质的顺利侵入。

2桥梁涂装的国内外研究进展

2.1混凝土涂装规范体系

在混凝土涂装标准方面，欧洲和日本已形成了较为完整的标准规范体系。EN1062、EN1504-2、EN1504-9和EN1504-10均为欧洲标准规范体系。日本相关部门分别在1884年制订了《道路桥梁氯离子对策指南·解释》、1988年制订的《混凝土维护修复要领·桥梁篇》等。我国对混凝土涂装的防腐提出了一些指导性意见的相关标准和规范有GB50046-1995、HG/T20587-1996、JTJ275-2000、JTG/TB07-01-2006。随后颁布实施的交通行业标准JT/T695-2007《混凝土桥梁结构表面涂层防腐技术条件》和JT/T821-2011《混凝土桥梁结构表面防腐涂料》是专门针对混凝土桥梁表面涂层的标准[14]，它系统地介绍了混凝土桥梁结构表面防腐涂层的设计原则和施工质量控制。

目前，国内外有关混凝土桥梁涂料的标准规范中仅对防腐技术和涂层体系要求做了规定，如规定了水的渗透性、二氧化碳透过率、氯离子浓度决定涂装体系及耐碱性和抗氯离子的渗透指标等等。而对具有降温隔热功能的混凝土桥梁用涂装体系的相关规定尚未提及。

2.2混凝土桥梁用防护涂装体系

目前，国内外混凝土桥梁常用的防护涂装材料品种包括环氧及改性产品涂料、聚氨酯产品、聚脲弹性体、丙烯酸酯以及氟树脂涂料等，多以防水防腐为主。如上海南浦大桥采用了环氧富锌底漆+云铁环氧中漆+氯化橡胶面漆的体系；杭州湾跨海大桥采用的涂装体系为环氧树脂封闭底漆+环氧树脂中涂+聚氨酯面漆/氟碳面漆；京沪高铁混凝土桥梁全线采用的聚氨酯底漆+芳香聚脲脂中层+丙烯酸脂肪族聚氨酯面漆配套体系在全国掀起了聚脲热；美国加利福尼亚圣马特奥桥采用100%固体分含量环氧砂浆底漆+芳香族聚脲树脂中间涂层+脂肪族聚脲树脂面漆的配套体系；日本的明石海峡大桥采用无机富锌底漆+环氧中漆+氟树脂面漆的涂装配套体系[15]；

随着防护涂料在混凝土桥梁上的普遍使用，完善混凝土桥梁用防护涂料的功能性是极其必要的。为降低桥梁混凝土结构表面温度，可在涂料当中加入功能材料，使其满足防水防腐要求的同时具有隔热降温功能。隔热降温涂料是一种新型的功能性涂料，其按隔热机理和隔热方式的不同，可分为阻隔性隔熱涂料、反射隔热涂料及辐射隔热涂料3类[16-17]。其中，热反射隔热涂料具有降温效果明显、安全系数高、施工操作简便且环保等优点，在建筑、储（气）罐、汽车以及飞行器甲板等领域的降温中得到广泛的应用并取得较好的效果。热反射隔热涂料在混凝土桥梁上的应用有待研究，这里提出了几种应用方案：可将原涂层体系的面漆替换成热反射隔热涂料；或制备具有隔热降温功能的防水防腐涂料直接涂刷于混凝土结构表面；亦或研制具有荷叶效应的防水防腐降温涂料等。

3结束语

在众多的提高混凝土桥梁耐久性的防护措施中，表面涂层防护是一种简便而有效的防护措施。与提高混凝土保护层厚度和增加混凝土的密实度相同，表面涂层通过物理隔绝方式阻隔腐蚀因子的侵入。本文从混凝土桥梁腐蚀环境因素展开分析，介绍了混凝土桥梁用防护涂料应具有的基本性能要求，并针对尚未考虑日照产生的温度应力造成混凝土桥梁耐久性不足的问题，提出了热反射隔热涂料在混凝土桥梁防护当中的现实方案，为更加完善混凝土桥梁用防护涂装提供参考依据。

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[责任编辑：胡建伟]