孫宏剛，呂 平，鞠 濤，李嚴(yán)龍 （青島理工大學(xué) 功能材料研究所，山東青島 266033）

海洋環(huán)境下混凝土純聚脲防護研究進展

孫宏剛，呂 平，鞠 濤，李嚴(yán)龍 （青島理工大學(xué) 功能材料研究所，山東青島 266033）

闡述了海洋環(huán)境下混凝土防護的重要性。分析了海洋環(huán)境因素對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕影響，以及純聚脲用于海洋混凝土防護的性能優(yōu)勢。列舉了混凝土聚脲防護的應(yīng)用實例，表明其防護效果突出。

純聚脲；海洋混凝土；防護

0 引言

混凝土結(jié)構(gòu)以其優(yōu)異的性能，如易澆注、耐沖擊、耐磨損等，成為當(dāng)今應(yīng)用范圍最廣的一種結(jié)構(gòu)材料，但是因混凝土結(jié)構(gòu)耐久性不足所引發(fā)的一系列問題也給人們帶來了困擾；鋼筋混凝土強度較高，且成本低，是海洋基礎(chǔ)設(shè)施的首選結(jié)構(gòu)材料。

海洋工程的建設(shè)，伴隨著出現(xiàn)大量的防護技術(shù)及施工問題。海洋工程大部分處于海洋腐蝕環(huán)境下，海洋基礎(chǔ)設(shè)施容易發(fā)生腐蝕破壞，一旦出現(xiàn)問題，對國家、社會會造成重大損失，因此，對海洋工程進行有效地防腐蝕是一項重要工作。

1 海洋環(huán)境因素對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕影響

海洋環(huán)境中富含的氯鹽、硫酸鹽等，使海洋變成了具有高腐蝕性的環(huán)境。海水中的侵蝕離子會與混凝土發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，加速鋼筋混凝土的腐蝕［1］，導(dǎo)致混凝土強度降低。其中氯離子是導(dǎo)致海洋環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞最危險的一種腐蝕因素，是決定混凝土結(jié)構(gòu)耐久性長短的重要因素。

由于混凝土內(nèi)部呈堿性，空氣中的CO2等酸性氣體與混凝土內(nèi)部的堿性物質(zhì)會發(fā)生反應(yīng)，使混凝土碳化。肖佳等［2］介紹了碳化使混凝土堿性下降和混凝土中化學(xué)成分發(fā)生改變的過程。當(dāng)反應(yīng)達到一定程度后，就會破壞鋼筋表面的鈍化膜，使結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生腐蝕破壞。

另外，由于海水比熱大而導(dǎo)致熱量變化較大，海洋環(huán)境下會加速混凝土的凍融循環(huán)破壞，隨之，裂紋寬度增大，最后導(dǎo)致混凝土發(fā)生破壞，加速了鋼筋的腐蝕。

Su X P、郭范波等［3-4］介紹了干濕交替是海洋腐蝕的主要因素，侵蝕介質(zhì)會使混凝土的破壞產(chǎn)生疊加效應(yīng)，加速混凝土的腐蝕。

呂建福等［5］指出：微生物新陳代謝的產(chǎn)物一般都是酸類物質(zhì)等，這些物質(zhì)會改變混凝土的表觀形貌，進而加快混凝土的腐蝕速率［3-5］。

2 純聚脲用于海洋混凝土防護的性能優(yōu)勢

聚脲具有出色的防護效果及優(yōu)異的施工性能，在施工過程中對周圍環(huán)境的溫度、濕度等條件要求較低，且與基材更容易粘合，因此聚脲在海洋混凝土防護方面，呈現(xiàn)出優(yōu)異的抗氯離子侵蝕性、抗凍性、抗沖蝕磨損性、抗老化性等性能。

2.1 抗氯離子侵蝕性

氯離子（Cl-）的侵蝕機理如下：

（1） 破壞鈍化膜：海洋環(huán)境下鋼筋混凝土中鋼筋銹蝕的主要原因是Cl-透過混凝土對鋼筋產(chǎn)生侵蝕作用。Cl-是極強的腐蝕性離子，Cl-進入混凝土中并開始慢慢腐蝕鋼筋表面，可使pH迅速降低，鋼筋表面的鈍化膜就開始不穩(wěn)定，直至被逐漸破壞，最后導(dǎo)致混凝土發(fā)生破壞［6-7］。

（2） 去極化作用：Cl-不僅會在鋼筋表面形成腐蝕電池，還會加快腐蝕速度，這也是氯鹽破壞的特征之一［8］。

楊林等［9］通過RCM法（混凝土氯離子擴散離子快速測定法）和自然擴散法對聚脲的性能進行了驗證，試驗結(jié)果表明：混凝土表面刷涂聚脲涂層后，氯離子的滲透系數(shù)比沒有涂層的混凝土明顯降低，起到了阻隔氯離子的作用，對混凝土起到很好的防護作用。

黃微波等［10］通過試驗表明：在干濕循環(huán)條件下，氯離子的滲透系數(shù)逐漸增加，而噴涂聚脲涂層的氯離子含量隨浸泡時間變化很小。通過試驗數(shù)據(jù)分析，得出結(jié)論：聚脲涂層可降低氯離子的擴散系數(shù)，從而減弱了氯離子對試件的侵蝕程度，有效阻隔氯離子，起到防護作用。

2.2 抗凍性

混凝土由骨料、水泥等組成，這些材料自身的特性使混凝土成為一種多毛細(xì)孔體結(jié)構(gòu)。凍融會使混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的水分結(jié)冰并膨脹，膨脹會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力作用，長時間在應(yīng)力作用下會使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫，發(fā)生破壞?；炷两Y(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境下經(jīng)過凍融循環(huán)所產(chǎn)生的破壞比正常環(huán)境下要嚴(yán)重得多。隨著結(jié)凍、解凍的循環(huán)，可導(dǎo)致混凝土材料過早老化，隨著凍融損傷程度的增加，裂紋長度減小，但裂紋寬度增大，最后導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞［11-12］。

李志高、龐玉坤等［13-14］通過在混凝土表面分別噴涂聚脲涂層和環(huán)氧涂層發(fā)現(xiàn)：在凍融循環(huán)作用下，環(huán)氧涂層會逐漸破壞脫落，最后逐漸導(dǎo)致混凝土破壞。而噴涂聚脲的混凝土試塊在經(jīng)過600次凍融循環(huán)作用下，聚脲涂層沒有任何破壞，混凝土性能也沒有發(fā)生任何變化，仍完好無損。

李福海等［15］采用“快凍法”，對無涂層和噴涂聚脲涂層的混凝土在不同侵蝕溶液（蒸餾水、硫酸鈉及硫酸鈉與氯化鈉混合溶液）環(huán)境下，進行了凍融循環(huán)測試，結(jié)果表明：上述溶液對混凝土的侵蝕破壞作用依次加強；而對噴涂聚脲涂層的混凝土影響不大，即聚脲涂層對混凝土結(jié)構(gòu)的抗凍性具有很好的防護作用。

2.3 抗沖蝕磨損性

海水的沖蝕會對混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的沖擊力磨損，使混凝土結(jié)構(gòu)開裂，且沖蝕還會使表面保護層剝落，使海水中的腐蝕介質(zhì)更容易滲入混凝土內(nèi)部，從而加速了海洋環(huán)境下混凝土的破壞，因此研究涂層的防水性及耐磨損性對混凝土結(jié)構(gòu)的防護有重要意義。

聚脲彈性體的結(jié)構(gòu)以線性分子結(jié)構(gòu)為主，具有很好的彈性和柔韌性，以及較高的延伸率和耐沖擊性，對于長期處于水中的混凝土結(jié)構(gòu)能起到很好地保護作用［16］。鐘萍［17］利用沖蝕磨損試驗機研究了純聚脲涂層的抗沖蝕磨損性，試驗結(jié)果表明：純聚脲涂層比聚氨酯涂層具有更好的柔韌性、彈性及耐沖蝕性。

馬紅亮［18］經(jīng)過試驗表明：在高速水流沖刷磨損的環(huán)境下，噴涂有純聚脲涂層的混凝土試件的磨損率較小，只有C60高強混凝土的6.5%。對于相同的高強混凝土，噴涂有純聚脲涂層的試件的抗沖蝕磨損性遠(yuǎn)高于無涂層的試件。試驗結(jié)果表明：純聚脲本身的分子結(jié)構(gòu)能有效地減緩海水對混凝土的沖蝕破壞。

2.4 抗老化性

在自然曝曬下，混凝土結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)老化現(xiàn)象，發(fā)生粉化，使其強度降低，更容易出現(xiàn)裂縫。在海洋環(huán)境下，混凝土結(jié)構(gòu)更容易被腐蝕，因此研究涂層的抗老化性對混凝土結(jié)構(gòu)的防護有重要意義。

黃微波等［19］通過試驗表明：聚脲涂層在自然曝曬及紫外線人工加速老化后，力學(xué)性能變化不大，仍具有良好的防護效果。將聚脲涂層放入模擬海洋環(huán)境中進行曝曬及周期性地噴淋，試驗結(jié)果表明：涂層沒有任何起泡、脫落、開裂等現(xiàn)象。

李全德等［20］通過人工加速老化試驗，采用宏觀及微觀手段，研究了聚脲涂層在加速老化環(huán)境下，不同時間段涂層的光澤度，以及表面、斷面等微觀性能變化，結(jié)果表明：在經(jīng)過一系列的變化后，聚脲涂層仍保持較好的防護性能。

呂平等［21］通過戶外曝曬老化試驗和鹽霧加速老化試驗，分析了聚脲涂層的耐海洋環(huán)境老化性，結(jié)果表明：在海洋大氣環(huán)境和戶外鹽霧環(huán)境下，聚脲涂層的光澤度、斷裂伸長率及拉伸強度等性能均無太大變化，聚脲涂層具有優(yōu)異的抗老化性。

3 應(yīng)用實例

2011年7月，噴涂聚脲作為防護涂層，成功用于青島海灣大橋主橋墩的承臺上，并取得了顯著的防護效果。作為海上工程，承臺長期處于海洋環(huán)境下，并且承受漲潮及海浪對承臺的沖擊力，這些會加速裂縫的增大，對承臺破壞比較嚴(yán)重。聚脲涂層作為一種新型高彈性、高強度的涂層，在很大程度上減緩了海洋環(huán)境對承臺的沖擊及磨損，阻止腐蝕介質(zhì)的侵蝕。經(jīng)過幾年運行后，現(xiàn)場對涂層進行檢測，聚脲涂層表面未見任何開裂破壞現(xiàn)象，僅表面色澤產(chǎn)生一定程度的變暗，光澤度下降［22-24］。

港珠澳跨海大橋作為珠三角環(huán)線高速的重要組成部分，所用沉管為混凝土沉管，因長期浸泡在海水中，受沖擊荷載、腐蝕介質(zhì)和海水壓力等多種不利因素的影響，沉管表面需要有一定厚度的保護涂層。因聚脲優(yōu)異的性能與便利的施工技術(shù)，被成功應(yīng)用在大橋沉管隧道的施工縫處。經(jīng)過不同時間段的驗證，聚脲涂層未出現(xiàn)任何破壞現(xiàn)象，對混凝土結(jié)構(gòu)起到很好的保護作用［25-26］。

海洋王國主題公園是珠海首個海洋類度假區(qū)項目，不滲透是滿足該項目要求的首要條件，考慮到海洋動物因素，對施工的環(huán)保性及所用材料的耐磨性也有很高要求。張伶俐等［27］介紹了噴涂聚脲技術(shù)在該海洋館中的應(yīng)用，聚脲涂層很好地解決了抗?jié)B、防水、耐磨、混凝土修補及與聚脲的粘合問題［27］。

綜上所述，混凝土表面涂層是混凝土防腐最有效、最經(jīng)濟的防護措施，純聚脲涂層在混凝土防護及抗老化等方面具有優(yōu)異的性能，可以長期承受海洋環(huán)境耦合作用的影響。隨著聚脲技術(shù)的發(fā)展，聚脲涂層對海洋環(huán)境下的混凝土防護起到重要的保障作用。

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Research Progress of Concrete Pure Polyurea Protection In Marine Environment

Sun Honggang，Lv Ping，Ju Tao，Li Yanlong
（Research Institute of Functional Materials，Qingdao Technological University，Qingdao Shandong，266033，China）

The importance of concrete protection in marine environment was briefly described. The influence of marine environment on concrete structure corrosion and the performance advantage of concrete pure polyurea protection in marine environment were analyzed. The application examples of concrete pure polyurea protection were listed，which indicated its remarkable protecting effect.

pure polyurea；marine concrete；protection

TQ 630.7

A

1009-1696（2017）01-0033-04

2016-08-03

孫宏剛，男，青島理工大學(xué)土木工程系碩士在讀。