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浙江大学学士学位论文论文翻译1混凝土表面处理的性能防护研究P.A.M.Basheer1,BSc(Eng),MSc(Eng),PhDandA.E.Long2,PhD,DSc,FEng,FICE,FIStructE(1.SeniorLecturerinStructuresandMaterials,DepartmentofCivilEngineering,TheQueensUniversityofBelfast;(2.Director,TheSchooloftheBuiltEnvironment,TheQueensUniversityofBelfastTheQueensUniversityofBelfast)Proc.InstnCiv.EngrsStructs&Bldgs,1997,122,Aug.,339–346Paper11094Writtendiscussioncloses15October1997表面处理常被用来作为维护工程或修复系统中的一部分。这两种情况下，它们都对混凝土起到了表层防护作用，有效地阻止或减少了外界环境中腐蚀性物质的渗透。现已有多种材料可实现这个目的，但是他们本质有着较大的差异。甚至一些经验丰富的工程师在选择一种合适的表面处理方式上也面临着众多并困难。本篇文章尝试分析比较各种表面处理的性能防护之间的差异，使其容易被选择。本文从功能、分类和性能要求这些基本方面来讨论表面处理。前言多年来，钢筋混凝土被认为是免维护材料之一，并且许多建筑物经过了几十年依然有着较好的性能，没有出现明显的劣化现象。多种原料以不同的比例可以混合出许多符合特定需求的混凝土。理论上讲，钢筋与混凝土的结合是互补的，钢筋有着一定的拉伸和弯曲强度，混凝土为钢筋的钝化提供了碱性环境。但是近几年，混凝土制造过程中质量控制不够，导致一些建筑较早地出现了问题[1]。仅1990年全世界修复被腐蚀混凝土建筑的费用约六十亿英镑[2]。英国和美国相继报道，每年约40%的工程预算花费在建筑的修复工程上[3]。2.众所周知，混凝土建筑的腐蚀是由环境因素所造成的。混凝土表面阻止环境中有害物质渗透的能力决定其抗腐蚀性[4]-[7]。为了使混凝土具有较好的性能，混凝土表面具有阻止水渗透的能力，甚至具有阻止CO2和水中氯离子进入的能力[8][9]。许多物质对混凝土本身是无害的，但是当它们渗透到混凝土内部的钢筋时，也能产生腐蚀现象(图1)。通过增加混凝土的最初成本使混凝土具有更好的持续性是可能的，也是较为简单的。为了达到这些目标，原材料增加的费用较小，成本其主要分布在混凝土的制造过程，浇筑和养护上。这种浙江大学学士学位论文论文翻译2措施照成许多混凝土内部抵御外界环境影响能力的不足。混凝土表层通常表现为具有较高的渗透性。经验表明，在一些情况下，以上措施并不能保证混凝土具有较好的性能。因此，表面处理成为一种具有成本效益的措施[10][11]。它可以作为预防维护工程的一部分，即在混凝土恶化之前，阻碍腐蚀性化学物质进入混凝土内部[2][12]。此外，它可以作为具体维修体系的一部分，即使混凝土处于严重恶化的情况中，也可延长混凝土结构的寿命[13][14]。图1.腐蚀机理简易模型Fig.1.Simplifiedmodelrepresentingthemechanismofcorrosion3.钢筋混凝土结构，主要的问题是混凝土锈蚀[10][15]。本文探讨表面处理应限于哪些防腐蚀保护。以下是在文献综述的基础上提出来的几个表面处理的不同方面：(a)功能(b)分类(c)性能要求。表面处理的功能4.在混凝土钢筋锈蚀的情况下，我们可以从图2中很容易理解表面处理的机理。混凝土表层的渗透性是由混凝土的成分、制备和后续的处理方式决定的。而渗透性决定了碳化速率，氯离子的侵入速率，氧气的扩散速率和水的渗透率。所有这些物质都会影响混凝土腐蚀的起始时间和腐蚀速率。由于腐蚀，拉应力不断提高，最终超出了混凝土断裂强度的极限，导致裂缝的形成。一系列的裂缝聚集在一起形成了可以使腐蚀性物质更容易渗入的通道，继而进一步加速了腐蚀的进程。5.表面处理的作用是阻止或延缓混凝土中钢筋的锈蚀，通过防护层来阻隔以下物质：(a)氯离子的侵蚀(b)液态水的渗透(c)空气中气体的扩散，如CO2，O2等。制备防护层可以通过不透水表面涂层实现阻隔这些物质的目的。然而，这也导致混凝土内部的水分不能够通过蒸发离开混凝土表面(呼吸)，从而影响涂层的粘附情况。此外，除非混凝土结构或被修复的混凝土是刚制造不久的，否则混凝土内部也许已经存在一定浓浙江大学学士学位论文论文翻译3度足以引起腐蚀的氯离子。因此可以这么认为，当水可以通过水蒸气逃离(即混凝土可以呼吸)并且液态水被阻隔时，混凝土就可以在一定的相对湿度下与外界环境建立平衡，并保持充分的干燥，从而防止腐蚀或延缓腐蚀的进程。基于氯离子一般是通过溶液扩散到混凝土内部的，表面处理恰恰是阻隔了液相中的水通道，也就抑制了氯离子的渗透。6.由于水是多种腐蚀机制的前提，除去混凝土内部的水分是任何表面处理成功与否的一个重要准则[16]。但是任何能使水蒸气透过的表面处理都不能阻碍气体的渗透。扩散的气体如氧气和二氧化碳会渗透到混凝土内部，并随着水分含量的减少，提升自身的比例。这也就是说，碳化率会随着混凝土的干燥度变大而增加，除非表面处理有抑制气体扩散的作用。图3总结了上述表面处理的理想特性。图2.腐蚀对混凝土渗透性能的依赖关系Fig.2.Dependenceofcorrosiononthepermeationpropertiesofconcrete图3.表面处理的理想特性Fig.3.Desirablepropertiesofsurfacetreatments7.由于表面处理的功能、作用和方法的不同，适合于某种条件下的材料可能不适合于浙江大学学士学位论文论文翻译4另一种环境。它们可以根据基本形式，修复方法，化学成分和防护作用被分类[17]。表面处理的基本要求在CIRIA技术说明130[17]和ACI委员会报告515[18]进行了说明。表面处理的分类8.三十年来，有多种材料被用作表面处理；如图4所示[19]-[22]，CIRIA技术说明130根据它们的防护机理把其分为浸渍剂,阻塞剂、密封剂，涂料和打底涂料。渗透型表面处理剂的分子尺寸和表面张力决定了它们穿透混凝土底面进入表面毛细孔的能力大小。分类示意图特点浸渍剂低粘度液体(低于1泊)可渗透几毫米与混凝土基底反应线孔典型例子硅烷，硅氧烷和硅阻塞剂低粘度可渗透2-3毫米与混凝土基底反应块状孔典型例子硅酸盐，氟化硅，环氧树脂和丙烯酸树脂密封剂粘度1-10泊部分渗透部分形成表面薄膜(最后为25mm)典型例子环氧树脂，聚甲烷，丙烯酸树脂和亚麻油涂料粘性流体(10泊)形成薄膜(1-25mm)薄膜本身提供防护作用典型例子环氧树脂，丙烯酸树脂，乙烯基，氯化橡胶，沥青等浙江大学学士学位论文论文翻译5打底涂料厚涂层提供物理屏障典型例子添加各种聚合物的水泥砂浆图4.表面处理的分类Fig.4.Classificationofsurfacetreatments渗透型表面处理的防护机制9.分子尺寸和表面张力的重要性。分子尺寸的重要性在图5中已被证明。此图对比了不同防护剂之间的分子尺寸，显示出了硅烷的具有最小的分子尺寸。因此，硅烷可能有着最大的渗透深度。硅烷的渗透深度是10-20Ao(Ao=10-10m)23，同时硅氧烷的渗透深度25-75Ao。混凝土中的毛细孔径约为100-10000Ao[16]，理论上硅烷和硅氧烷都可以渗透进入混凝土，但是丙烯酸树脂和环氧树脂易在混凝土表面形成表面膜。图5.分子尺寸的比较Fig.5.Comparisonofmolecularsizes10.液体的表面张力被用来作为评测表面处理后疏水能力的一个基准。由毛细现象(图6)可知，低的表面张力对应于较高的接触角。当接触角较低时，液体在较大区域内会出现较高的表面张力，导致毛细孔吸收现象的产生。因此只有较低的表面张力才能使憎水剂有着较好的疏水性能。图6表明硅基材料有着最好的疏水性。浙江大学学士学位论文论文翻译6图6.不同材料的表面张力Fig.6.Surfacetensionofdifferentmaterials11.硅基疏水材料的防护机理。硅基材料的疏水性主要取决于其结构。所有的硅基防护剂包含一个有机基团和一个硅基团[25]。有机基团与水之间的排斥性形成了表面处理所要需的疏水性能。有机基团与硅基团的比例直接影响到硅基材料的疏水性的强弱[24]。硅基防护剂在混凝土表面的作用过程中，有机基团最终形成了疏水性的硅树脂(聚氧硅烷)，消除了混凝土底面毛细孔被浸湿的现象(较低的表面张力)。而无机部分(硅基团)形成硅基树脂链，起到了材料的构建和联接作用(图7)[24]-[28]。正如McGettigan[24]和Arkles[28]所详细描述的，在结构形成中起关键作用的是硅材料。硅复合物、硅烷和硅氧烷经常被用来作为混凝土防护剂的原料。图7.硅树脂与基底的键合Fig.7.Siliconresinbondedtosubstrate12.硅烷只有一个硅原子(图8(a))而硅氧烷有着少量硅原子组成的短链(图8(b))。硅烷和硅氧烷的有机基团可以是甲基(CH3-)，丙基(C3H7-)，丁基(C4H9-)或者是辛基(C8H17-)。这些烷基基团决定了表面张力的大小，从而直接影响到材料的防水性能。结果表明小分子量的甲基和乙基不具有较高的疏水性，而较高分子量的丁基和辛基组有着较高的疏水性。随着烷基分子量的增大，材料的渗透性逐渐减弱。但是，如图9所示，随着烷基分子量的增大，抗碱性能增强。这也就意味直链的硅氧烷和甲基烷氧基硅烷的抗碱性能最弱。由于硅氧烷的存在，硅官能团也许会形成最多可包含四个硅原子的低聚硅氧烷，也可形成至少包含四个硅原子的聚合物。浙江大学学士学位论文论文翻译7图8.硅烷(a)和硅氧烷(b)结构(n=1,2……5).R和R'的改变将获得不同的表面处理特性Fig.8.Structureof(a)silaneand(b)siloxane(n=1,2,.....5).RandR'willbevariedbythemanufacturerstogetdifferentpropertiesforthesurfacetreatments图9.烷基大小对耐碱性的影响24Fig.9.Influenceofsizeofalkylgrouponalkaliresistance2413.硅烷和硅氧烷反应时和反应后情况如下所示：(a)疏水性物质的溶液由于毛细引力在毛孔处发生浸渍。(防护剂通常具有较低的表面张力，因此具有一定的渗透深度。)(b)憎水剂挥发(取决于它的表面蒸汽压)后，在毛细孔内留下了部分活性物质。(c)活性物质通过水解和缩合形成了聚硅氧烷树脂，继而与硅酸盐结构的羟基发生反应。最终，硅树脂与基底之间形成联结。渗透深度与试剂的分子量有关，还取决于衬底的孔隙率(尤其在混凝土表面),水分含量，PH值和硅含量。14.如果基底没有水分和足够低碱度，硅烷不可能发生反应。鉴于硅氧烷的制造情况，由于硅烷的存在，聚硅氧烷是在原位上形成[27]。只有上述两种情况都符合的情况下，聚硅氧烷才会和硅酸盐基材中的羟基发生化学键合。15.为形成连续的聚硅氧烷树脂分子链，我们需要足够多的硅烷和硅氧烷。如果材料被浙江大学学士学位论文论文翻译8均匀地涂在表面，基于基底的孔隙率，活性物质的含量可达7%-12%。憎水剂挥发后，为了确保存在足够多的活性物质，我们通常使用较高浓度的防护剂。异丁基-三乙氧基硅烷含量为40%的乙醇溶液现已被广泛应用与北美和德国。英国运输部甚至建议使用未被稀释的异丁基-三乙氧基硅烷溶液[29]。但是其实异丁基三乙氧基硅烷的蒸汽压较低，硅氧烷的蒸发速率较慢，我们通常使用浓度较低的溶液。16.据McGettigan所说[16]，作为硅烷和硅氧烷表面防护剂载体的溶剂，有着三种功能：(a)形成稳定的溶液(b)保证活性物质在衬底表面的均匀扩散(c)使活性物质渗入基底。乙醇是