摘要：本文简要地描述了钢筋混凝土病变的机理，讨论了应用在桥体混凝土结构表面保护中的产品体系的类型和特点。
关键词：混凝土，桥梁，耐久性，涂装
引言
混凝土病害是一个复杂的问题，与混凝土原来的质量和工作环境有很大关系。水泥胶浆的多孔性，它的化学与物理特性，低张力强度和脆性等是混凝土病害的关键因素。混凝土原料的质量、设计的不完善和浇筑及养护过程中出现的问题也是病害产生的重要原因。为了方便陈述，我们将混凝土的病害分成以下几大类：
钢筋锈蚀；
碱骨料反应；
冻融循环；
当混凝土结构处在极端的工作环境中时，其微观结构特征对混凝土病害而言是至关重要的，著名混凝土专家Mehta先生对微观结构与混凝土耐久性之间的关系有如下论述：“从长远角度看，混凝土的可穿透性或可渗水性是唯一与耐久性直接相关的特性。有大量的事实证明，如果混凝土结构完全不可穿透或完全不渗水，则那些病害，包括钢筋锈蚀、碱骨料反应和冻融破坏根本就不会发生。”
1混凝土涂装保护
对于提高混凝土的结构的渗透和扩散能力我们固然可以从混凝土的配合比优化来着手提高混凝土的密实度，但是另外一种行之有效同时又被业界广泛认可的方法就是通过涂装来提高混凝土结构的耐久性。但是由于种种原因，目前国内使用的混凝土桥梁的涂装保护产品主要从钢结构的涂装产品引伸过来的。适合混凝土桥梁结构特点的涂装体系还很少。那么适合混凝土桥梁涂装产品体系的特点要求主要有哪些？
1）涂装体系要与混凝土结构的适应性即兼容性良好;
2）抗返碱性好和基底的粘接强度要高；
3）能够适应桥梁混凝土结构的动荷载要求；
4）要具备单向可呼吸性能，不能造成结构内有害水蒸气毛细压力的积累；
5）具备一定的装饰功能，具有一定的光泽度和平滑性，还有较好质感和手感，也可以增加层次感和立体感。
6）具备保护功能：保护桥梁混凝土结构不受日晒、风吹、雨淋、冻融循环和各种有害化学介质以及微生物的侵蚀。
2涂装材料的技术要求
以下指标对涂装保护材料是关键性指标：
耐久性；
水汽透过性；
抗水和盐的渗透性；
抗二氧化碳渗透性；
桥联裂缝的能力。
以上这些指标并不是按重要性大小的顺序排列的，对这些指标的要求和重要程度与涂装材料功能和使用目的有密切的关系。例如，如果涂装的目的是防止水和二氧化碳的渗透从而起到保护混凝土作用，则水汽透过性，抗二氧化碳渗透性和桥联裂缝的能力是最重要的指标。
1）耐久性
所谓耐久性，这里指的是涂装材料或密封剂涂刷后，可以在多长时间内对混凝土结构起到有效的保护，即涂装材料或密封剂的使用寿命究竟有多长。耐久性与材料的种类、被保护的混凝土结构所处的工作环境以及涂装材料与被保护基层间的物理化学性能的相互作用有关。
材料本身的耐久性和其抵御化学侵蚀的能力（如抗紫外线能力，耐摩擦能力和弹性等）一般是可以精确地确定的。但是，为什麽有时候这类保护还会失效呢？除了材料选择有误、表面清理不彻底等明显的原因外，导致保护涂层过早失效的原因往往是由于涂装材料的物化性能与被保护的混凝土结构不兼容造成的。
2）水气透过性
使结构中的水汽穿过涂层的能力称为水汽透过性。所有的涂装材料都会降低混凝土的水汽透过性，但问题是“所要求的最小的呼吸性到底应该是多少？或者说涂装材料将潮气封闭在混凝土结构中的最大程度是多少？在回答这个问题之前，我们应该认识到水汽透过性是在平衡状态下测得的，因此，其结果只能用来进行不同材料间的比较。同时，也应该注意到一个材料的呼吸性能对高密实度混凝土非常合适，但对结构疏松多孔的结构可能就不合适。另外，如果没有水或不存在温度和湿度梯度来驱动潮气从结构内散发出来，则涂层的“可呼吸性”也就不那么重要了。
除了某些“屏障”系统外，混凝土和钢筋混凝土的保护材料都需要有最大的“可呼吸性能”，以保证水分能从混凝土中蒸发出来，同时又能防止外界的水和盐向结构内渗透。涂层还应具有一定的柔韧性以便封闭结构上已经存在或将来可能产生的裂缝。
3）抗水和盐的渗透性
混凝土受冻融循环作用破坏的根本原因是水结冰产生约9%的体积膨胀。如果混凝土中的孔完全充满水，这么大的膨胀足以使混凝土开裂破坏。理论上"当混凝土的饱水度小于91%时，混凝土就不会受冻破坏。混凝土受冻时，粗孔中的水先结冰，在水结冰膨胀的推动下，孔中未结冰的水将向周围迁移，形成静水压力，这是冻融破坏的动力。当静水压力超过混凝土强度能承受的程度时，就会损害混凝土。混凝土的饱水度愈高，结冰速度愈快，混凝土的静水压力和破坏力就会愈大。实际上，由于水的分布不均匀，以及在静水压力作用下未结冰水并不能自由、快速地向周围迁移，所以混凝土冻融破坏的临界饱水度一般远小于91%。但冻和融反复进行，则使混凝土承受疲劳作用而不断加重破坏。所以混凝土的抗冻性还和冻融循环次数有关。
盐的渗透除了带来我们熟知的氯离子侵蚀之外，盐溶液与冻融的协同作用比单纯冻融严酷得多。一般把盐冻破坏看作是冻融破坏的一种特殊形式，即最严酷的冻融破坏。但是我们知道盐溶液能降低冰点，应该可减轻冻害，为什么盐冻反而加剧冻害呢？当混凝土浸水时，主要靠毛细管孔张力吸水，当混凝土中含盐溶液时，除毛细孔张力外，还存在盐浓度差产生的渗透压。因此在毛细张力和渗透压共同作用下，吸水率和吸水速率都大大增加。使混凝土内部的饱水度也明显提高。此外，孔中盐溶液在干湿和冷热循环作用下，盐会过饱和而结晶，产生盐结晶压。除静水压外，还存在盐溶液的渗透压和结晶压，因此盐冻产生的破坏显著加剧。所以保护混凝土结构使用的产品体系要能够起到防水以及防盐侵蚀的功效。
4）抗二氧化碳的渗透
欧洲对涂层抗二氧化碳的渗透有明确的指标要求，他们用Rb值来衡量抗二氧化碳的渗透性能。这个值表示涂层的抗二氧化碳的渗透能力相当于多厚的空气层的抗二氧化碳的渗透能力。例如Rb=100m，意思是涂层抗二氧化碳的渗透能力相当于100米厚的空气层抗二氧化碳渗透的能力。欧洲对涂层抗二氧化碳渗透能力的最小要求是Rb=50m。涂层抗二氧化碳渗透的能力越强，就越可以减缓结构的碳化速度，从而减缓钢筋的锈蚀速度。
5）桥联裂缝的能力
混凝土是脆性材料，收缩、温度变化和钢筋锈蚀等都会产生裂缝，而这些裂缝又会加速水、盐、二氧化碳和其它化学腐蚀性物质对混凝土结构的腐蚀速度，因此，涂层桥联可移动裂缝的能力是十分重要的。涂层低温柔韧性更加重要，因为在低温条件下，裂缝变宽而涂层的弹性减弱。另外，涂层封闭“即将来到的”裂缝的能力也十分重要，所谓“即将来到的”裂缝是指混凝土结构涂装后产生的裂缝。
3涂装材料的应用技术
天津滨海新区由于地处沿海，混凝土结构劣化速度很快。在海滨大道北段特大桥建设中，除混凝土本身的要求，也着重考虑了混凝土得外涂防腐，工程主要应用了北京邻邦施而固新材料股份有限公司的水泥基桥梁涂装保护体系，其作为一个成熟完整的体系已经在各种类型的桥梁混凝土结构保护上应用超过10年，目前已经进入第三代。
该体系由三个部分构成。分别为：混凝土防锈封闭底漆、水泥基防水防腐保护涂料中间层、高弹防中性化面层。
图1混凝土桥梁防腐体系
各个层次的特点和主要作用阐述如下：
底涂材料采用UGD-3610混凝土防锈封闭底漆。
UGD-3610混凝土防锈封闭底漆是一种水性乳白色液体,是高效环保的混凝土界面封闭产品，无甲醛，无氨味，可作为混凝土结构封闭剂，对水泥砂浆和混凝土基层进行封闭、防水、隔碱，并通过渗透固化，加强基层的致密性，提高面层材料和基底的粘接力和使用寿命。乳液中含有迁移型锈蚀抑制成分，其中的固相和气相锈蚀抑制成分通过迁移吸附到结构钢筋表面，形成钝化膜或吸附膜，从而达到阻止或减缓钢筋锈蚀的目的。适用于混凝土、砂浆表面的基底处理，有着极佳的抗碱性，优异的封闭性，并提高附着力。
我们知道，桥梁混凝土结构的泛碱现象是由于混凝土所用水泥、砂、石子、砖和外加剂等原料中的可溶性物质成分，被水溶解后，随着混凝土、砂浆和砌体的水分蒸发而析出，并与空气中的CO2等作用生成的一种附着在混凝土结构表面的白色沉积物。经参考有关化验分析，其主要成分为Ca(OH)2，CaCO2、CaSO4、Na2SO4、Na2CO3、K2CO3等。了解到返碱的机理后进行产品的性能设计就有了针对性。我们采用以水为载体的特种聚合物乳液达到抗泛碱的效果，涂刷后，一部分封闭底漆快速渗透到基底内部，堵塞毛细孔洞，防止基底内水分继续向外部扩散，同时有效解决基底潮湿或表面多孔结构吸水过多等引起的各种面层水泥基保护产品局部水灰比失衡导致的颜色不均匀，以及其他构件色素外渗导致的面涂材料透底发花、泛黄变色等病害。另一部分底漆则留在混凝土表面作为界面剂，这样当上层的水泥基保护产品固化后，新老基底就能形成牢固的整体，从而在抗返碱的基础上改善了水泥基保护产品与基底的粘接性能。
中间层使用US-1510水泥基混凝土桥梁防水防腐保护涂料，桥梁混凝土结构常受到氯盐污染，尤其是沿海的混凝土结构。氯离子有很强的渗透扩散能力，渗入到结构钢筋表面，会破坏钢筋钝化膜而引起锈蚀，锈蚀反应具有膨胀性，可导致混凝土保护层开裂剥落。氯离子渗入引起钢筋锈蚀的破坏速度快，发生非常普遍，往往成为桥梁寿命的决定因素（原来的北京西直门立交桥的重建就是一个氯离子侵蚀造成桥梁破坏的著名的例子）。氯盐渗透到混凝土中，提高了氢氧化钙的溶解度，增加了对混凝土的“溶解”侵蚀，同时促进混凝土的冻融破坏，有时还产生结晶腐蚀。但是，氯盐最主要的破坏作用还是对钢筋的腐蚀。当氯离子（Cl-）到达钢筋表面并超过一定量（临界值）时，原处于钝化状态的钢筋，就会活化、腐蚀。锈蚀产物的发展与体积膨胀（4～6倍），使混凝土保护层发生顺钢筋开裂、脱落，构件或结构承载力下降或丧失。使用化冰盐不仅会引起钢筋锈蚀，还会对混凝土表面产生冷冲击，即在冰层融化的同时会吸收能量，导致冰层下面的混凝土温度急剧降低，引起混凝土表面起皮、点蚀和剥落。因此，氯离子侵蚀已成为影响钢筋混凝土结构物耐久性的一个大敌。水泥基混凝土桥梁防水防腐保护涂料优异的防水性能使得氯离子无法通过渗透来发生作用，很好的解决了抗氯离子的问题。
另外，我们知道无机材料覆盖层如水泥砂浆、石膏等。可以延缓碳化作用对结构的破坏，其延缓混凝土碳化的机理是覆盖层中本身含有可碳化物质，能消耗掉一部分扩散进入的CO2，使CO2接触混凝土表面的时间得以延迟。同时CO2穿过覆盖层后浓度降低，使混凝土表面的CO2浓度低于大气环境中的CO2浓度。且覆盖层干燥硬化后在基层上形成连续坚韧的保护膜层，能封闭混凝土表面部分开口孔道，进一步阻止CO2的渗透。从而延缓混凝土的碳化速度。
水泥基混凝土桥梁防水防腐保护涂料可在涂刷表面形成光滑、耐久、不易积聚灰尘的涂层，可以给被涂刷的混凝土结构提供另外一个碱基保护层，防止由混凝土碳化反应而导致预埋钢筋的锈蚀。
面层使用UGD-3710LOG混凝土防中性化高弹保护涂料，将二氧化碳隔离在结构之外。LOG以纯丙烯酸乳液为载体，抗紫外线辐射能力强，具有良好的色彩保持性能。其中特有的橡胶树脂，使其具有良好的柔韧性，可以弥合结构表面头发丝状的裂缝。产品经过化学交联处理，具有良好的回弹能力，使其可以长期经受气候变化或外界其他因素而导致的结构本身膨胀、收缩与振动，不会造成涂层本身开裂，也不会影响涂层的各项物理性能。经化学交联处理的单组分水基弹性涂料具有很好的低温柔韧性和抵抗永久形变能力，这一特性对于封闭移动裂缝非常重要，因为这类材料的永久形变随着屈张循环而增加，逐渐导致材料老化、变脆和开裂。经化学交联处理的弹性丙烯酸涂装材料具有良好的形变恢复能力，因此可以为基层的可移动裂缝提供更好和更加可靠的保护与封闭效果。这些功效使得LOG涂层具有良好的抗有害气体，如二氧化碳、盐雾等的渗透性能，防止混凝土结构中性化反应的发生。
4结论
在整个桥梁混凝土结构表面使用涂装保护材料有很多意义，可以减少混凝土中电解液的含量，减少被修补区域（阴极）和未修补区域（阳极）间的电位差，从而降低锈蚀速度。事实证明，影响桥梁混凝土结构的水主要来源于降雨，因此对钢筋混凝土桥梁进行防水封闭是降低钢筋锈蚀速度的基本手段。另外，涂装保护材料还可以减少二氧化碳的渗透，减缓混凝土碳化反应的进程。
