專業(yè)研究成果：多拉浸瓷圭釉材料對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性帶來革命性的提升
項目概要
混凝土的腐蝕是一個很復(fù)雜的物理的、物理化學(xué)的過程。混凝土是一種多孔性的剛性材料，在各種因素影響下都易產(chǎn)生細微裂縫。二氧化碳、水、氯離子、酸雨等腐蝕因子都能夠輕易通過混凝土中的孔隙滲透進混凝土內(nèi)部，從而對其造成腐蝕，顯著降低混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。混凝土結(jié)構(gòu)在使用過程中受到許多因素影響，混凝土處于水和土中的硫酸鹽、鎂鹽等侵蝕結(jié)晶膨脹，寒冷環(huán)境的凍融循環(huán)造成混凝土剝蝕破壞，水流中砂石沖刷磨蝕混凝土，水體中生物附著在混凝土表面腐蝕，促使混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)各種不同程度損傷破壞。混凝土腐蝕的危害巨大，混凝土腐蝕導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部性能發(fā)生退化，明顯縮短使用壽命，降低混凝土結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性降低。
傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)表面防護類附加防腐蝕措施，主要包含表面涂層和表面浸漬（硅烷浸漬）兩大類，但分別存在以下難題：
1）表面涂層容易脫落
表面涂層與混凝土的附著主要依靠涂料與混凝土表面的粘接，涂層與混凝土之間無榫卯結(jié)構(gòu)結(jié)合，混凝土本身有透氣性，隨著時間的推移，涂料與混凝土間的附著力逐漸減小直至喪失，涂層隨之脫落，且修復(fù)后，表面涂層依然容易脫落，大幅增加維護費用。
2）表面浸漬防護效果有限
表面浸漬（硅烷浸漬）是采用硅烷偶聯(lián)劑滲透進混凝土內(nèi)部，在孔隙表面形成一層憎水結(jié)構(gòu)，阻隔水汽滲入，防護后的混凝土結(jié)構(gòu)表面裸露、孔隙開放，對混凝土結(jié)構(gòu)的防腐作用非常有限。另外，因其表觀上沒有改變，無法通過直觀發(fā)現(xiàn)是否滿足防護要求，也無法及時發(fā)現(xiàn)其局部失效問題。
近年來，一種新型混凝土表面防腐技術(shù)——多拉表面浸瓷技術(shù)，已應(yīng)用于混凝土防腐的多類項目中，其結(jié)合了表面涂層和表面浸漬兩種防腐技術(shù)的優(yōu)勢，一些特性成為解決上述傳統(tǒng)混凝土防腐蝕技術(shù)弊端的較好解決方案。以浸瓷圭釉材料為代表的表面浸瓷技術(shù)作為混凝土的附加防腐蝕措施，融合了現(xiàn)有混凝土防腐措施表面涂層和表面浸漬的優(yōu)勢，彌補了其使用壽命和防護性能不足的缺點，其應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)防腐耐久性提升帶來了很好收益。
研究的目的和意義
表面浸瓷融合了表面涂層和表面浸漬兩種混凝土結(jié)構(gòu)常用附加防腐蝕措施的優(yōu)點，但其產(chǎn)品材料成分及技術(shù)路線與單獨的表面涂層和表面浸漬技術(shù)亦有不同，現(xiàn)行《混凝土橋梁結(jié)構(gòu)表面涂層防腐技術(shù)條件》（JT/T695-2007）和《水運工程結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（JTS153-2015）中僅對表面涂層和表面浸漬(硅烷浸漬)兩種技術(shù)有專門的要求，為了便于對表面浸瓷技術(shù)研究，暫以同時滿足標(biāo)準(zhǔn)中對表面涂層和表面浸漬兩種技術(shù)的性能指標(biāo)進行要求，對相關(guān)指標(biāo)進行研究，同時研究浸瓷圭釉材料超越現(xiàn)行規(guī)范的指標(biāo)情況，供后續(xù)規(guī)范修編參考。
近年來一些防腐蝕新材料、新技術(shù)尚未納入標(biāo)準(zhǔn)，為了解決上述現(xiàn)有防腐技術(shù)的問題，積極開發(fā)、應(yīng)用新材料、新技術(shù)、新工法，創(chuàng)建品質(zhì)工程、百年工程，延長結(jié)構(gòu)使用壽命，降低運營期維修維護頻率，做到全壽命周期技術(shù)經(jīng)濟最優(yōu)化，有必要對混凝土附加防腐蝕措施進行深入研究。
國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)
目前混凝土結(jié)構(gòu)的表面防腐措施主要有傳統(tǒng)的表面涂層和表面浸漬兩大類，以及一種新型的混凝土結(jié)構(gòu)表面防腐技術(shù)——表面浸瓷。
表面涂層就是在混凝土表面涂裝樹脂涂膜保護層，通常是環(huán)氧樹脂、丙烯酸聚氨酯、氟碳樹脂、氯化橡膠等的差異化組合涂層。表面涂層類措施，優(yōu)點是成膜的涂層能完全密封混凝土表面，缺點是涂層與混凝土僅僅是表面粘結(jié)，無法形成卯榫結(jié)構(gòu)粘結(jié)，且混凝土有透氣性，在使用中很快會出現(xiàn)粘結(jié)失效空鼓，緊接著就是破損斑駁，失去防護效果，斑駁影響美觀，且很難修復(fù)，且修復(fù)后無法保障不再脫落。
表面浸漬就是在混凝土表面噴灑硅烷或硅酸鹽溶液，滲入混凝土內(nèi)部形成一道憎水的保護層。硅烷浸漬是滲入混凝土在孔隙表面形成一層憎水結(jié)構(gòu)，硅酸鹽浸漬是滲入混凝土在孔隙內(nèi)反應(yīng)結(jié)晶對孔隙有些填充作用。表面浸漬類措施，不能從根本上完全密封混凝土表面，對混凝土表面剝蝕等病害的預(yù)防作用非常有限，不能滿足混凝土的防腐蝕要求。
表面浸瓷是浸瓷圭釉材料滲入混凝土結(jié)構(gòu)的毛細孔和微裂紋中2-4mm深度，自身交聯(lián)固化與混凝土形成堅固的榫卯結(jié)構(gòu)，同時圭釉液體從混凝土孔隙內(nèi)滿溢后在表面形成瓷釉涂層，完全封閉混凝土表層，永久封閉。浸瓷涂層具備優(yōu)良的力學(xué)性能、化學(xué)性能、混凝土防腐耐久性能，對混凝土結(jié)構(gòu)達成全壽命周期防護，有效地提升混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。
表面浸瓷屬于第三類混凝土結(jié)構(gòu)表面防腐技術(shù)。融合了現(xiàn)有的表面涂層和表面浸漬防腐技術(shù)的優(yōu)勢，彌補了其使用壽命和防護性能不足的缺點，能夠更有效地提升混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。
圖1 三種混凝土防腐措施作用機理示意圖
圖2 三種混凝土防腐措施的表面狀況
研究內(nèi)容說明
1、研究內(nèi)容
主要研究內(nèi)容，多拉浸瓷圭釉材料作為混凝土的防腐蝕強化措施，如何融合現(xiàn)有混凝土防腐措施表面涂層和表面浸漬的優(yōu)勢，彌補了其使用壽命和防護性能不足的缺點，能夠有效地提升混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性要求。
2、關(guān)鍵技術(shù)
關(guān)鍵技術(shù)問題，作為混凝土防腐蝕措施的多拉浸瓷圭釉材料必須滿足滲入混凝土深度2mm以上，能夠自身交聯(lián)固化成固體，同時能夠從混凝土孔隙內(nèi)滿溢后在表面形成涂層，滲入混凝土內(nèi)部的液體材料和表面形成涂層的液體材料是同一材料，確保是同質(zhì)材料交聯(lián)為一體，并且形成的表面涂層必須具備優(yōu)良的化學(xué)性能、力學(xué)性能、混凝土防腐耐久性能，滿足各類環(huán)境工況的混凝土結(jié)構(gòu)防腐要求。
3、創(chuàng)新點
多拉浸瓷圭釉材料是一種獨特的納米硅液體材料，雙組份，在室溫條件下反應(yīng)固化。液體材料滲入混凝土結(jié)構(gòu)的毛細孔和微裂紋中2-4mm，深入內(nèi)部固化扎根，滿溢后在表面成瓷，交聯(lián)固化與混凝土結(jié)合為一體，達到持久防護的效果。
浸瓷圭釉材料融合了現(xiàn)有的表面涂層和表面浸漬兩種海港混凝土常用附加防腐蝕措施的優(yōu)點，彌補了其使用壽命和防護性能不足的缺點，能夠有效地提升混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性要求。
研究實施方案
依據(jù)《水運工程結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(JTS153),《水工混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評定規(guī)范》（SL775）、《混凝土橋梁結(jié)構(gòu)表面涂層防腐技術(shù)條件》（JT/T695）等混凝土耐久性設(shè)計規(guī)范要求，按照技術(shù)方案進行試驗和測試，表面浸瓷防腐措施同時滿足規(guī)范中表面涂層和表面浸漬的耐久性技術(shù)指標(biāo)要求，重要性能指標(biāo)優(yōu)于規(guī)范的技術(shù)指標(biāo)。具體實施方案如下：
研究試驗防法，根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)實際所處的環(huán)境工況，明確需要關(guān)注和解決的問題，確定所需試驗的項目，依據(jù)國標(biāo)《水運工程結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（JTS153-2015）、《》的檢測方法檢測各項指標(biāo)，同時滿足或優(yōu)于現(xiàn)有的表面涂層和表面浸漬兩種混凝土防腐措施的技術(shù)指標(biāo)以及其它領(lǐng)域有參考價值的技術(shù)指標(biāo)。部分試驗項目和檢測方法標(biāo)準(zhǔn)如下：
1、表面浸瓷、表面涂層、表面浸漬的性能對比研究
根據(jù)海港碼頭混凝土結(jié)構(gòu)實際所處的環(huán)境工況，明確需要關(guān)注和解決的問題，確定所需試驗的項目，依據(jù)國標(biāo)《水運工程結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(JTS153)和《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082)試驗方法檢測各項指標(biāo)，滿足或優(yōu)于國家現(xiàn)有的混凝土防腐措施表面涂層和表面浸漬技術(shù)指標(biāo)。試驗項目和檢測方法標(biāo)準(zhǔn)如下：
1）浸瓷圭釉材料密封的混凝土試塊的吸水率、滲透深度、氯化物吸收量降低效果，檢測方法JTS 153-2015附錄H。
2）浸瓷圭釉涂層的耐氣候老化性，檢測方法GB/T1865-2009。
3）浸瓷圭釉涂層的耐沖擊性，檢測方法GB/T1732-2020。
4）浸瓷圭釉材料密封的混凝土試塊的抗氯離子滲透性能，檢測方法GB/T50082-2009、JTS 153-2015附錄F.2。
5）浸瓷圭釉涂層與混凝土的附著強度，檢測方法GB/T5210-2006、JTS153-2015附錄F.3。
6）浸瓷圭釉涂層的耐堿性、外觀質(zhì)量，檢驗方法JTS 153-2015附錄F.1、F.4。
2、浸瓷圭釉材料的混凝土防腐性能研究
混凝土防腐措施用于其它領(lǐng)域有參考價值的技術(shù)指標(biāo)，依據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評定規(guī)范》(SL775)、《混凝土橋梁結(jié)構(gòu)表面涂層防腐技術(shù)條件》(JT/T695)規(guī)范，部分試驗項目和檢測方法標(biāo)準(zhǔn)如下：
1）浸瓷圭釉材料密封的混凝土試塊的背水面抗?jié)B性能，檢測方法GB/T50082-2009。
2）浸瓷圭釉材料密封的混凝土試塊的碳化試驗性能，檢測方法GB/T50082-2009。
3）浸瓷圭釉材料密封的混凝土試塊的抗氯離子滲透性，檢測方法GB/T50082-2009。
4）浸瓷圭釉材料密封的混凝土試塊的抗凍性能，檢測方法GB/T50082-2009。
5）浸瓷圭釉材料密封的混凝土試塊的抗硫酸鹽侵蝕性能，檢測方法GB/T50082-2009。
6）浸瓷圭釉涂層的水接觸角，檢測方法GB/T30693-2014。
浸瓷圭釉材料的技術(shù)數(shù)據(jù)匯總
多拉浸瓷圭釉材料作為混凝土防腐蝕措施滿足滲入混凝土深度2mm以上，能夠在室溫條件下自身交聯(lián)固化，與混凝土形成堅固的榫卯結(jié)構(gòu)，同時圭釉液體從混凝土孔隙內(nèi)滿溢后在表面形成瓷釉涂層，完全封閉混凝土表層，永久封閉。浸瓷涂層具備優(yōu)良的力學(xué)性能、化學(xué)性能、混凝土防腐耐久性能，這些性能對解決現(xiàn)實的混凝土病害具有重要價值。表面浸瓷防腐措施解決了混凝土結(jié)構(gòu)碳化、氯離子侵蝕造成的鋼筋銹蝕，海洋環(huán)境、化學(xué)腐蝕環(huán)境、除冰鹽環(huán)境、鹽結(jié)晶環(huán)境、凍融環(huán)境造成的混凝土腐蝕劣化破壞，以及水流泥砂作用力對混凝土的不斷磨蝕、海生物污垢的附著對混凝土結(jié)構(gòu)防腐的破壞。試驗涉及到的技術(shù)指標(biāo)如下：
1）涂層附著強度：≥5.0MPa；
2）涂層耐沖擊性：≥50kg.cm；
3）涂層鉛筆硬度：≥2H；
4）涂層耐磨損性：≤0.030g；
5）涂層水接觸角：≥1050；
6）涂層耐老化性：≥3000h，不起泡、不剝落、無粉化；
7）涂層耐水性：3000h，無異常；
8）涂層耐鹽水性：3000h，無異常（5%NaCl）；
9）涂層耐堿性：240h，無異常（10%NaOH）；
10）涂層耐酸性：240h，無異常（30%H2SO4）；
11）滲透深度：≥2mm（高性能砼）/3mm（普通砼）；
12）吸水率：≤0.01mm/min1/2；
13）氯化物吸收量降低效果：≥90%；
14）抗氯離子滲透性：≤5.0x10-3mg/cm2d；
15）耐堿性：合格（飽和Ca(OH)2溶液，30d，無起泡、龜裂、剝落）；
16）碳化深度比：≤10%；
17）抗氯離子滲透性（DRCM法）：≤8.0x10-12m2/s；
18）抗硫酸鹽侵蝕≥KS120。
19）抗凍性：≥300次；
20）抗?jié)B性：≥1.5MPa（背水面）；
經(jīng)濟、社會、環(huán)境效益分析
1、經(jīng)濟效益分析
采用浸瓷圭釉技術(shù)對混凝土結(jié)構(gòu)防腐，與傳統(tǒng)防腐技術(shù)相比，浸瓷圭釉防腐涂層壽命更長、防護效果更好。經(jīng)初步測算，浸瓷圭釉涂層可有效減少附著的海生物類型及數(shù)量，減少混凝土結(jié)構(gòu)維護頻次、降低維護成本，增加混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命，經(jīng)濟效應(yīng)顯著。
2、社會效益分析
多拉浸瓷圭釉防腐技術(shù)推廣應(yīng)用，將為混凝土結(jié)構(gòu)防腐設(shè)計提供一種新的思路，在各類混凝土結(jié)構(gòu)，長大橋梁、海港碼頭、鐵路橋隧、水利工程、路橋隧道、管道水池、設(shè)施基礎(chǔ)的防腐方面均有很好的借鑒和推廣應(yīng)用價值，同時在后續(xù)混凝土構(gòu)筑物的運營中，大大減少了結(jié)構(gòu)的維護工作。
3、環(huán)境效益分析
采用多拉表面浸瓷防腐措施，減少混凝土結(jié)構(gòu)在使用中表面黏附污垢、海生物附著清除帶來的環(huán)境污染，降低了日常維護成本，實現(xiàn)更好的節(jié)能，同時，項目建設(shè)符合國家環(huán)境保護法律、法規(guī)和環(huán)境功能規(guī)劃的要求，符合當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)發(fā)展導(dǎo)向，對周圍自然環(huán)境、生態(tài)環(huán)境和社會環(huán)境等無影響。
