近年来,随着我国海洋工程经济建设的飞速发展,钢筋混凝土结构被广泛地应用在跨海大桥、海底隧道、码头等大型建筑。由于长期受到海洋气候环境的影响,钢筋混凝土结构过早失效,耐久性问题日渐突出,大大地降低了其使用寿命。对于钢筋混凝土结构而言,氯离子的渗透作用是导致涂层失去防护性能的主要因素,我国每年因腐蚀破坏而造成的费用就达2 000亿元以上[1]。混凝土涂层防护是对海工混凝土进行防护的有效方法,聚脲作为一种新型绿色高性能防护材料,在海工混凝土结构防护工作中发挥着至关重要的作用,已在海洋防护工程中得到了广泛应用。本文主要综述了聚脲涂层在海洋环境中的最新研究成果,并用实验证明了聚脲涂层优异的防护性能。
1 涂层混凝土的氯离子渗透性研究
对于表面涂覆防护涂层的混凝土和钢筋而言,氯离子的渗透作用是导致涂层失去防护性能,进而产生混凝土腐蚀和钢筋锈蚀的主要原因[2]。为了降低腐蚀造成的重大经济损失,国内外学者对海洋环境下钢筋混凝土结构的氯离子渗透性问题进行了深入的研究,并取得了显著的成果[3,4]。Otieno等[5]通过加速和自然海洋环境腐蚀实验,研究了裂缝混凝土由氯离子侵蚀而引起钢筋锈蚀的现象,结果表明随着裂缝宽度的增加腐蚀速率不断加快。陈正等[6]利用正交试验分析了多因素耦合作用下的混凝土抗氯离子渗透性,并建立了耦合作用下混凝土抗氯离子渗透性的模型。张菊辉等[7]对温湿度耦合作用下氯盐侵蚀钢筋混凝土桥面板的寿命进行了预测,结果表明较高的初始温度和相对湿度能够有效地延缓结构腐蚀的开始时间。Yang等[8]采用自然扩散法和快速氯离子渗透法对聚天冬氨酸盐涂层在海洋结构防护中的性能及氯离子渗透系数的变化进行了研究,并通过SEM对不同涂层厚度的混凝土进行了微观分析,研究结果表明:腐蚀6个月后的试样表面只出现了少量的微孔。黄微波等[9]通过干湿循环法和自然浸泡法研究了聚脲涂层对混凝土氯离子渗透性的影响,研究结果表明:聚脲涂层的氯离子含量随浸泡时间的增加变化很小,证明了聚脲涂层可以有效降低混凝土的氯离子渗透性。
以上现有研究结果表明,聚脲涂层具有优异的抗氯离子渗透性,能有效提高海工混凝土结构的耐久性。
2 聚脲涂层的防护性能研究
众多研究人员通过不同的研究方法对聚脲涂层的防护性能进行了研究,并得出了重要的实验结论。吕平等[12]通过拉伸试验和红外光谱测试对桥梁支座防护橡胶与喷涂聚脲耐介质腐蚀的性能进行了研究,结果表明:老化前后聚脲表面的化学键有小部分断裂,但涂层内部结构变化不大,涂层仍有较强的耐腐蚀性能。孙丛涛等[13]通过试验对混凝土涂层的抗渗透性能进行了研究,结果证明:聚脲的防水性能最为优越,在改善混凝土的抗氯离子渗透性能方面效果最为显著。 Lu等[14]对单一NaCl溶液浸泡、荷载和NaCl溶液浸泡共同作用下聚天门冬氨酸酯聚脲涂层混凝土的性能进行了研究,结果表明:在荷载和NaCl溶液浸泡共同作用下涂层混凝土中氯离子的含量明显高于单一NaCl溶液浸泡中氯离子的含量。康莉萍[15]采用氯离子电迁移快速试验对海洋钢筋混凝土结构表面涂层的防护性能进行了研究,结果表明:涂覆涂层的混凝土在抗氯离子渗透性能方面有了明显的改善。为对聚脲涂层的防护性能进行研究,在露天海水池中对聚脲涂层的防护性能进行了对比试验,结果如图1所示。
从图1可以看出,经过1 a的自然环境腐蚀试验,无涂层的铁桶在水位附近出现了严重的锈蚀[图1(a)],喷漆层的铁桶在水位附近也发生了严重的腐蚀,部分漆层已经掉落[图1(b)],而喷涂聚脲涂层的一面则完好无损,没有出现任何锈蚀现象。经过为期4 a的自然环境腐蚀试验后[图1(c)],涂漆层的一面出现了严重的腐蚀破坏现象,聚脲涂层仍完好无损。在混凝土铁管柱表面涂覆聚脲涂层与不涂覆涂层的混凝土铁管柱进行为期1 a的对比试验[图1(d)],发现无涂层混凝土铁管柱发生了严重的锈蚀,且外围的铁管出现了开裂,而聚脲涂层混凝土铁管柱由于雨水的侵蚀作用仅在上边缘无涂层处出现了轻微的锈蚀,且涂层和铁管仍紧密粘附在一起,涂层没有出现开裂、脱落等现象。
在露天海水池中对弯曲荷载作用下聚脲涂层的防护性能进行了对比试验,结果如图2所示,从左到右依次是聚脲涂层混凝土、无涂层混凝土和涂漆层混凝土。
从图2结果发现,聚脲涂层完好无损,没有出现任何腐蚀破坏的现象;无涂层混凝土表面出现了严重的裂缝且混凝土出现了轻微的剥落现象,随着裂缝宽度的增加,最终会导致混凝土结构发生破坏[16,17],而涂漆层混凝土表面出现了轻微的裂纹,部分漆层已经掉落。张晓丽[18]对海洋环境作用下混凝土涂层的防护性能进行了研究,采用宏观和微观相结合的方法研究了聚脲、环氧、氯化橡胶3种涂层的附着力、抗氯离子渗透性等性能,试验结果表明:聚脲具有良好的附着力,且在抗氯离子渗透性方面效果显著。黄微波等[19]通过干湿循环和自然浸泡扩散法研究了聚脲涂层对混凝土抗氯离子渗透性的影响以及氯离子扩散的变化规律,试验结果表明:聚脲涂层可以有效地降低混凝土的氯离子渗透性及扩散系数。李志高[20]采用宏观与微观相结合的方法,研究了多因素作用下新型聚脲材料对青岛海湾大桥的防护性能,研究结果表明:聚脲具有优异的耐腐蚀性能。何筱姗[21]借助电化学阻抗谱和红外扫描等方法在自然曝晒、紫外线人工加速老化及酸碱盐介质腐蚀条件下,对镀锌涂层、环氧涂层、高密度聚乙烯涂层和聚脲涂层对钢绞线和支座的防护性能进行了对比研究,结果表明:聚脲涂层的防护性能显著优于其他3种涂层。
从表1可以看出,SPUA涂层混凝土与无涂层混凝土的裂缝宽度随着弯曲荷载比的增大而增大。当
表1 SPUA涂层混凝土与无涂层混凝土在不同弯曲荷载比下的裂缝宽度Table 1 Crack width of SPUA coated concrete and uncoated concrete under different bending load ratios |
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注:“-”表示未测出裂缝的宽度,宽度表示自出现裂缝开始到加载结束后同一条裂缝的结果。 |
弯曲荷载比为0.1时,无涂层1#、 3#和SPUA涂层均没有出现裂缝,当弯曲荷载比为0.2时,SPUA 1#混凝土没有产生裂缝,SPUA 2#和3#出现裂缝,且裂缝平均宽度为0.060 mm,而无涂层混凝土均出现裂缝,且裂缝宽度增大到0.123,是SPUA涂层混凝土裂缝的2倍多;当弯曲荷载比分别增加到0.2和0.5时,无涂层混凝土的裂缝宽度均比SPUA涂层混凝土大。由此可见,当弯曲荷载比为0.1时,SPUA涂层对混凝土裂缝的发展能起到一定的抑制作用,且能有效对裂缝进行封闭,抑制裂缝的扩展,从而提高混凝土的耐久性。
由图3可以看出,无涂层混凝土在中间支座位置和加载点处出现较多裂纹,与SPUA涂层混凝土的裂缝相比,无涂层混凝土的裂缝较多,而且分布范围较广。
3 工程应用
聚脲涂层具有非常优异的耐腐蚀性能,在海洋环境腐蚀下能够长久、有效地保护混凝土和钢基材等,且在诸多实际工程中得到了广泛的应用。
表2 聚脲涂层在10%NaCl溶液中浸泡后的实验结果Table 2 Experimental results of polyurea coating after immersion in 10%NaCl solution |
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从表2可以看出,聚脲涂层在25 ℃浸泡和60 ℃浸泡90 d后仍保持较高的拉伸强度,从浸泡第60 d到第90 d,强度几乎没有下降。
表3 自然曝晒老化前后涂层的性能变化Table 3 Performance changes of coatings before and after natural exposure |
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表4 紫外线人工加速老化前后涂层的性能变化Table 4 Performance changes of coatings before and after UV accelerated aging test |
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由表3可知,自然曝晒老化600 d后,涂层拉伸强度和断裂伸长率变化很小;而表面光泽严重降低,涂层表面失光并未对涂层的耐腐蚀性能和服役寿命造成影响。
由表4数据可知,在紫外线人工加速老化15 000 h过程中,涂层的拉伸强度和断裂伸长率均未出现较大的波动,老化前后涂层的力学性能相差无几,但其光泽发生了明显的变化,在紫外线人工加速老化5 000 h时,涂层基本完全丧失光泽,加速老化10 000 h时,已经无法测得涂层的光泽。
本课题组对纯聚脲重防腐涂层在青岛海湾大桥服役1 a后进行现场检测,没有发现涂层表面出现脱落、开裂、粉化、起泡等破坏现象,只是涂层颜色发生了变化,出现一定程度的“黄变”现象,这些检测结果与自然曝晒和紫外线人工加速老化实验结果相吻合,进一步证明了纯聚脲涂层的优异耐腐蚀性能。
4 结 语
海工混凝土结构由于长期处在恶劣的海洋环境中,其耐久性和使用寿命受到了严重的影响。而防护涂层是对海工混凝土进行保护的最直接有效的方法,聚脲涂层以其优异的耐腐蚀性能,在海工混凝土结构防护方面发挥着至关重要的作用,可以长期承受海洋大气环境作用的影响,但同时也要注意以下两点:
(1)在选择保护涂层对海工混凝土结构进行防护时,应考虑结构所处的实际环境,这对提高混凝土结构的耐久性具有十分重要的作用。
(2)在对钢筋表面涂覆防护涂层时,要注意调控防护涂层的厚度,合理的厚度有利于提高涂层对钢筋的防护效果,进一步延长钢筋混凝土的服役寿命。