融雪盐环境下桥梁混凝土防腐涂层研究进展

文一平　吕昕　宋莉芳

摘   要：桥梁混凝土在服役过程中如遭受盐冻腐蚀，将导致混凝土耐久性变差，使用寿命大大降低。研究桥梁混凝土的在融雪盐环境下的腐蚀破坏现象，提高其耐久性，具有重要的实际应用价值。本文总结了公路桥梁混凝土在融雪盐环境下的腐蚀破坏特点和形成原因，归纳了目前针对融雪盐造成的混凝土盐冻腐蚀破坏问题的防护手段，最后对混凝土防腐蚀涂层的材料研发和应用的进展进行了总结。

关键词：桥梁混凝土  防腐  盐冻  涂层

中图分类号：TQ316.33                            文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）07（a）-044-04

Abstract： The durability of bridge concret will be deteriorated if the salt corrosion occured during the service process. The  concrete service life will be greatly reduced. It is of great practical value to study the corrosion damage of bridge concrete under the snow melting salt environment and improve its durability. The corrosion failure characteristics and corrosion formation reasons of bridge concrete under snow melting salt environment have been summarized. The current protection measures for bridge concrete against salt corrosion caused by snow melting salt has been presented. Finally， the research progress and application of concrete anti-corrosion coating materials have been given in detail.

Key Words： Bridge concrete; Anti-corrosion; Salt freezing; Coating

近年來，我国公路桥梁建设发展迅速，交通设施逐步完善，但也给公路桥梁维护带来了巨大压力。特别是水泥混凝土桥面板、护栏等结构，在服役过程中往往受到诸多因素的影响，如冻融，腐蚀，碱骨料反应，钢筋腐蚀，机械损伤等。继而在应力腐蚀作用下出现层状剥落脱落，严重情况下出现砂石外漏、疏松露筋。甚至有的混凝土结构的外观并没有明显的腐蚀劣化，但强度明显降低，腐蚀破坏现象较为严重。

盐冻腐蚀破坏问题在桥梁混凝土中十分突出，特别是由融雪盐引起的盐冻腐蚀破坏会严重导致混凝土劣化、钢筋锈蚀、桥梁结构耐久性显著下降。人为大量使用融雪盐，造成混凝土受盐冻剥蚀，难达到设计使用寿命。由于融雪盐频繁使用，造成的桥梁混凝土耐久性失效所引起的经济社会效益损失巨大，加剧了桥梁混凝土耐久性的失效风险。

1  混凝土盐冻腐蚀的特点

混凝土盐冻腐蚀作为一种特殊的混凝土腐蚀破坏现象，对混凝土结构损害巨大，破坏效果严重。一般情况下，与因冻融循环等其他因素所引起的腐蚀破坏相比，混凝土在盐冻环境中所发生的破坏，破坏速度更快，表层剥落、疏松和钢筋锈蚀现象更加严重，最终导致混凝土表层砂浆剥落，骨料暴露脱落，表面凹凸不平，严重影响混凝土构件的服役寿命[1]。

水泥桥梁混凝土是我国部分地区极重要的交通结构形式，为保证雪后交通安全采取融雪盐对路面除雪十分必要，但不可避免造成桥梁桥面及护栏的剥蚀和开裂，使水泥桥梁混凝土达不到设计的使用年限，不仅影响了基础设施建设，而且影响我国国民经济可持续发展战略。

2  混凝土盐冻腐蚀的形成原因

在既有桥梁混凝土结构中，盐冻腐蚀破坏现象普遍存在，严重危害混凝土结构适用性，造成巨大的社会经济损失，混凝土盐冻腐蚀的形成原因有自然因素和人为因素。

2.1 自然气候因素

在高速路网和城市基础设施使用中，大量桥梁混凝土构件的日常养护不到位，桥梁混凝土具有严重的耐久性失效风险。受自然地理气候因素条件制约，河流、湖泊、海洋、盐渍土区域的桥梁混凝土结构不可避免地受到侵蚀性盐离子腐蚀，在寒区的桥梁混凝土结构面临的盐冻腐蚀破坏现象更为严重。混凝土所处的腐蚀性的主要环境因素包括干湿循环、盐雾腐蚀、冻融循环、浪溅冲击、行车飞溅等。

2017年末我国公路桥梁达83.25万座、总长度达5225.62万m，其中特大桥梁4646座、826.72万m，大桥91777座、2424.37万米[2]。我国地形复杂，山地面积广袤，部分地区山峦重叠、沟壑纵横。沟深谷幽、戈壁大漠等地形地貌特点迫使部分地区大规模的采用以桥代路的方式来构建交通布局[3]，这样的交通方式加剧了公路桥梁混凝土的日常养护难度。桥梁混凝土桥面、排水设施、护栏、伸缩缝、支座、河床防护、墩台、调治构造物等面临着巨大的日常养护重任。

2.2 融雪盐使用

目前，大多数地区在冰雪天气保证交通，经常使用大量氯盐融雪剂，主要包括氯化钠，氯化钙，氯化镁等。在寒冷山区路段，高速路桥隧相连，每逢冬季降雪路面结冰，降雪长时间不化;在经过长下坡路桥时，为防止刹车片过热、避免刹车失灵，常利用喷淋使刹车片降温，会在深冬季节结冰，严重威胁车辆行驶安全。为保证交通安全，常抛洒氯盐类融雪盐，使冰雪迅速融化。

上述各种人为因素，使得橋梁混凝土的桥面、护栏均不同程度的遭受融雪盐引起的盐冻腐蚀破坏。此外由于日平均温度变化、车辆碾压，路面积冰积雪反复冻融循环，在被迫采用大量融雪盐对路面进行除雪除冰的条件下，冰、雪、盐长期存在，对混凝土路面表层的侵蚀破坏非常大[4]。由此可知，由融雪盐引起的桥梁混凝土耐久性破坏更为严峻。

3  盐冻腐蚀对混凝土结构的影响

公路桥梁混凝土耐久性现状相关研究发现[5]，我国高寒地区和以西北、东北为主的广大北方地区，因大量使用融雪盐而产生的盐冻现象，对桥梁结构的正常使用产生严重影响。有关调研[6]深入考查桥梁混凝土耐久性问题，结果发现，排除混凝土结构设计、施工等先决因素，大量使用融雪盐是桥梁混凝土侵蚀损坏，钢筋腐蚀和桥梁耐久性的重要外部环境因素。

大部分路桥冬季易结冰，融雪盐使用频繁，国内外因使用融雪盐而导致的桥梁混凝土结构耐久性降低的案例不胜枚举，造成的经济损失也十分惨重。有学者用5倍定律强调了桥梁混凝土耐久性，在钢筋防护方面节省1美元，每当发生钢筋锈蚀、顺筋开裂、严重破坏时，因采取措施所花费的费用却以5倍趋势递增。

盐冻腐蚀不仅造成了严重的经济损失，在加固旧梁并修建新梁的过程中，还会造成严重影响交通及公众日常生活等一系列问题。德国某大型立交桥梁由于撒布融雪盐，不足20年混凝土护栏就出现表面剥蚀、钢筋锈蚀的现象，无法正常使用，被迫在原址近旁新建桥梁。英国于1973在一段长为25km的高速公路上建造了11座桥梁，因保障雪天的交通通畅而大量使用融雪盐，使用数年内混凝土表面就出现顺筋裂缝，多年来在修复花费费用巨大，据估计2004年的修复费用已经达到工程造价6倍左右。加拿大地区调研发现，若对所有因在冰雪季大量使用融雪盐而发生严重破坏的桥梁进行维修，保守估计修复费用将超5000亿美元。

20世纪70年代末，我国大量建造和使用中的桥梁混凝土也因融雪盐使用，从而损失巨大。有关调研显示，北京市政立交桥路面、哈大高速公路护栏等混凝土结构已经出现严重的剥蚀和开裂现象。辽宁省的白山立交桥，沈海立交桥等桥梁混凝土有不同程度的融雪盐蚀。

4  桥梁混凝土的防护措施

针对以上突出问题，对普遍存在同时重要影响国民经济的桥梁混凝土构件，目前针对其耐久性改善手段主要集中在改善混凝土的配合比、提高施工水平和使用封闭涂层防护3个方面[7]。然而在混凝土构件发生盐冻腐蚀破坏现象前，可采用预防性涂层防护处理;盐冻破坏发生后，在采取常规修复、加固等手段外，仍能采用涂层防护处理。可见涂层防护处理对桥梁混凝土构件的质量保障意义重大。因此，对于现有的桥梁混凝土结构，采用有效的涂层保护措施是保证桥梁混凝土结构耐久性的重要措施。

桥梁混凝土在融雪盐环境下的防护现状，主要是从优化桥梁结构设计、改善混凝土性能和表面涂层保护3个方面来进行防护的。

4.1 优化桥梁结构设计

在优化桥梁结构设计方面，结构更为安全的桥梁混凝土对融雪盐环境具有更优异的防护效果。桥梁结构是桥梁使用性能中的最为重要表现，结构设计是较为复杂的系统工程，目前桥梁结构设计中考虑强度因素多于耐久性;考虑强度的极限状态多于使用的极限状态，考虑桥梁结构的建造多于桥梁结构的维护。为此，需要本着结构安全、耐久适用、经济合理性原则来优化桥梁设计。

4.2 改善混凝土性能

在改善混凝土性能方面，更高性能的桥梁混凝土对融雪盐环境具有更优异的防护效果，混凝土性能的提高主要是指混凝土强度、混凝土抗变形性和混凝土耐久性的提高。具体可采用高强度等级的水泥、降低水灰比、湿热养护、龄期调整、改进施工工艺、掺加外加剂等。混凝土性能的改善是从材料自身角度提升桥梁混凝土耐融雪盐腐蚀的重要要措施。

4.3 表面涂层保护

在表面涂层保护方面，采用合适防腐涂料涂装的混凝土对融雪盐环境具有更优异的防护效果。相比于上述两种主动防腐手段，采取表面涂层保护，可以针对性的处理混凝土表面，使用范围广，成本较低廉，操作简易快捷。主要采用隔绝腐蚀通道原理，通过在混凝土表面涂装防腐涂料，封闭表面裂缝和细小孔隙，隔绝混凝土与侵蚀性离子的接触，最终实现对混凝土构件的防护。表面涂层防护既可用来作为新建桥梁混凝土结构的预防性保护，也适用于既有旧桥的修复加固。表面涂层保护作为预防保护性防护措施已经在混凝土防护方面发挥着重要的作用。

5  桥梁混凝土防腐涂层研究进展

涂层保护措施是缓解桥梁混凝土结构损坏的有效措施。通常使用封闭的涂层，能使腐蚀性介质与混凝土接触隔离，并最终延迟混凝土失效。普通混凝土耐腐蚀涂层可分为有机，无机和有机-无机复合混凝土涂层。然而，传统的混凝土防腐涂料是有机涂料，如全氯乙烯涂料，氯化橡胶涂料，丙烯酸酯涂料，聚氨酯涂料等。含有大量有机溶剂，不仅危害环境，还影响人体健康。

环保型防腐涂料目前是利用混凝土表面涂层来解决混凝土盐冻破坏的途径。其特点在于低毒无害，不包含或低释放可挥发有机物含量（VOC）[9]。环保型水性涂料，常以水性化树脂或分散树脂为主要成膜基料。特点在于稀释剂为水，大大提升了环保性。成膜基料众多，包括环氧树脂、丙烯酸树脂、聚氨脂、氟碳树脂、氯化橡胶等，大量地应用于火车、桥梁、船舶等表面防腐蚀、防锈涂装等。

由此可见，涂层保护措施是缓解桥梁混凝土结构的一种有效措施。以水性涂料为代表的环保型防腐涂料作为预防性防护涂料，符合环保的要求，发展潜力巨大，发展趋势快速。然而采用环保型防腐涂层方式来达到提高桥梁混凝土耐久性能的研究仍处在起步阶段，可以预见，水性化环保涂料性能的提高，应用范围的扩展，将成为研究重点。