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有机硅浸渍防水剂在上海中环线浦西段的应用
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上海惠邦特种涂料有限公司 陈嘉林 1 混凝土保护—道路桥梁建设的百年大计 1.1 上海中环线混凝土结构保护措施简介 上海市中环路贯穿浦西浦东，是介于内环和外环之间，全长72km，8车道宽，时速80 km的城市快速道路，是构成沪嘉高速—中环路—翔阴路隧道—五洲大道—沪崇高速交通大动脉的部分。图1.1为中环线航拍效果图。 设置在中环路两侧及往返行车方向的中间隔离带,几何尺寸为上底200mm,下底480mm，高800mm的不等边梯形，采用C40钢筋混凝土结构，保护层厚度为20～30mm。 驾车行驶在已经竣工三年多的上海中环线浦西段，细心的人会发现这里的防撞墙、隔离带混凝土结构的表面处理与以往的做法明显不同，本色混凝土经过了化学处理，变成了“不吸水”的结构。 图1.2-1.4为惠邦公司中环线施工过程以及施工后效果图。 1.2 全国首个大规模采用有机硅浸渍保护混凝土结构的市政项目 上海中环线浦西段防撞墙混凝土结构采用有机硅浸渍涂装保护体系，是上海市一位领导带队考察国外市政系统后受到启发，最先提议的。在这之前九十年代上海市政系统在市区出于道路景观的考虑，采用德国品牌的合成树脂高档水性涂料做了装饰涂装。延安路高架、南北高架、沪闵高架路、轻轨三号线等地段高架桥身桥柱都刷了黄色、灰色的涂料。总体上说这些涂料质量都很不错，除了市区难以避免的大气污染，黄色的高架桥身上随处可见一条条黑色“雨筋”大煞风景，较严重的涂料起皮、脱落、褪色的现象只在个别路段看到。涂料装饰把混凝土表面毛细孔有效封闭，同样也起到了结构保护的作用。 也许彩色涂料大气污染带来的遗憾让上海市政系统领导层下决心尝试其他的涂装保护系统。开工建设后不久，中环线建设指挥部在市领导提议下，酝酿采用国外“清水混凝土”的涂装保护做法。技术论证后发现，真正的“清水混凝土”是一种复合涂层做法，需要对结构做精细的修补，造价比较昂贵、工期也很长，这样精细的涂装不适合在中环路大面积采用。而造价经济、施工快捷的有机硅浸渍处理，不改变混凝土外观，也有“清水混凝土”类似的效果，最终被指挥部采纳。 中环线有机硅浸渍处理采用公开招投标办法，在2004年下半年开始，2005年元月3日开标，上海惠邦特种涂料有限公司的有机硅浸渍防水剂—捷邦125以技术标商务标综合得分第一名中标。 拿到中标通知书，立即进场。为赶在元月31日通车前完成，我们组织了近百施工人员日夜赶工，在不到20天的时间完成了汶水路9.8公里试验段施工任务。因捷邦125处理后的混凝土表面憎水效果十分明显，达到了预定目标，经指挥部会议决定，将施工范围扩大到中环线浦西段全线总计38公里全部防撞墙、隔离带混凝土内外侧，处理面积达36万平方米。浦西段主体工程在2005年、2006年即告完工，收尾工程直到今年还未结束。另由于中环线浦东段建设延后，今年刚全线开工。目前正在与浦东段的指挥部接洽，还有扩大战果，拿下中环线全线的机会。 能够中标中环线，有运气的成分，也在之前做了许多年的“功课”。惠邦公司较早地介入了上海市政系统混凝土耐久性保护的课题研究，2002年与上海市政工程研究院签约，合作完成了“路桥混凝土防碳化措施”的课题研究；2003年开始与同济大学材料工程学院签约参与了“盐渍土环境路桥混凝土结构抗硫酸盐涂层”的课题研究。两项课题研究总计投入了数十万元，也得到了上海市科委科研基金的无偿拨款。因此，对于总长72公里的上海中环线保护涂装这样的大商机，惠邦公司属于“做好了准备”的人。不然在涂料行业跨国公司强手如林的上海市，这份幸运不会落在民营企业头上。 据了解这样大规模采用有机硅浸渍防水剂处理市政设施的混凝土结构表面，在全国还属首次，因而具有一定的示范试验意义。社会各界也比较关注，2006年，上海解放日报、上海电视台都分别做了报道。这种保护措施也被纳入了国家的应用技术规范。2006年交通部颁布了《道路混凝土结构防腐蚀技术规范》（JTG/TB07-01-2006）。标志着我国市政基础设施道路桥梁的混凝土结构保护问题，经过工程界专家们长期的呼吁、争取，现在已经上升成了一项国策。 1.3 路桥混凝土结构的腐蚀和防护 混凝土的腐蚀和防护是世界性的重大课题。《中国腐蚀调查报告》一书披露，我国的年腐蚀损失约为5000亿元，占GDP的6%，其中建筑（桥梁、公路和建筑物）腐蚀占40%。美国仅花在桥梁的腐蚀维修上的费用每年为750亿美元。英国每年因混凝土的腐蚀损害发生的维修费用也高达55亿英镑。近年来，随着建筑物的老化和环境污染的加重，钢筋混凝土结构的耐久性问题越来越受到业内外人士的关注。下面一些图片大多数是我们在实地拍摄的混凝土腐蚀状况照片。 在腐蚀环境和非腐蚀环境中，混凝土破坏的情况如下图1.5-1.10所示。 三峡大坝坝体表面严重的微生物腐蚀损害 这是混凝土的几种典型的腐蚀损害实景：循环冻融、除冰盐、盐渍土、海工环境及微生物腐蚀的实景。腐蚀环境导致路桥混凝土结构在设计使用年限的早期即出现了暴石露筋、强度降低、功能下降以致不得不提前进行维修和加固的情况，耗费大量建设资金，并且不可避免地中断和影响交通。环境腐蚀对道路桥梁混凝土结构长期安全形成了严重的威胁。 即使处在轻度腐蚀的一般环境下，液体水分的侵入对于混凝土/矿物建材也存在很大的危害。主要有以下方面： （1）吸水和失水的交替导致裂缝的风化损害； （2）泛碱和出现班驳的锈迹； （3）保温隔热性能的降低； （4）钢筋混凝土炭化过程的加剧； （5）酸雨进入结构造成混凝土中性化，破坏钢筋表面的钝化膜。 针对上述各类环境腐蚀问题，交通部行标《道路混凝土结构防腐蚀技术规范》（JTG/TB07-01-2006，以下简称《规范》），提出了一系列设计标准和防腐蚀措施。 《规范》根据我国环境对混凝土结构腐蚀的不同程度，划分为：一般环境、一般冻融环境、除冰盐环境、近海或海洋环境、盐渍土环境、大气污染环境等类别。腐蚀作用等级划分为：A、B、C、D、E、F六个等级。 《规范》提出的混凝土防腐蚀措施分为结构自防护措施和附加防腐蚀措施。结构自防护措施主要是采用抗御腐蚀介质能力较强的高性能混凝土；附加防腐蚀措施主要有：混凝土表面涂层、混凝土表面憎水处理、水泥基渗透结晶型防水剂、环氧涂层钢筋、钢筋阻锈剂、混凝土防腐面层、透水模板衬里、电化学保护等。《规范》适用范围：普通混凝土建造的公路、桥梁、隧道、涵洞、支挡构筑物等工程结构。 上海市地处沿海潮湿多雨的气候带，且大气污染比较严重，环境对混凝土结构存在一定程度的腐蚀。本世纪初上海市政工程研究院受委托对上海郊区的道路桥梁作了腐蚀损害情况的调查和测试。结果证明道路桥梁混凝土结构的耐久性不容乐观，十五年到二十年左右就出现了相当普遍的钢筋锈蚀、保护层剥落、强度降低、氯离子扩散深度浓度成倍超标等劣化状况。尽管不属于冻融、除冰盐、盐渍土等严重的腐蚀环境，混凝土保护问题不容小视，采取适当的保护措施十分必要。而从腐蚀环境等级和经济性的综合考虑，上海地区采用有机硅浸渍防水处理混凝土结构较有可行性。 2 有机硅浸渍防水的机理和特性 2.1 浸渍防水—一种不改变基材外观的防水处理 这里提到的浸渍，不是一般意义上的“把物体浸没到液体之中”的含义。而是指将一种低粘度的化学剂涂布到吸水率高的矿物建材/混凝土基面上，渗透到一定的深度，由于这种化学剂固化后并未在混凝土表面形成致密的涂层，而是渗透浸渍到混凝土毛细孔内部，形成了水不能浸润的保护层，通过憎水实现防水。这种保护方法不改变基材外观的独到之处，引起了人们的关注。当然不改变基材外观的化学处理方法，不只是有机硅一类。 2.2 两类不同机理的无色防水剂 最近好几个大型混凝土保护项目的招投标中出现了两类无色、不改变基材外观的防水剂，一类是有机硅浸渍防水剂，另一类是渗透结晶防水剂。这两种材料，都列入了交通部的《道路混凝土结构防腐蚀技术规范》“附加防腐蚀措施”中，但只对有机硅类提出一些技术指标，渗透结晶防水剂一笔带过。这里根据本人浅显的认识，试做一番比较。 此外关于有机硅浸渍防水剂与渗透结晶防水剂的性能特点，通过各方面性能客观地比较，各有千秋，不存在绝对的优劣高下，只有具体对象的适用性考量。合适的就是最好的。 2.3 有机硅浸渍防水的机理拓展了防水材料的应用范围 有机硅浸渍防水剂由于具备不改变被处理基材外观的特点，且适用于各类无机矿物建材，极大地拓展了防水材料的应用范围，使许多需要进行防水处理，但同时色彩、光泽等观感效果不能改变的矿物建材有了新的选择，比如古建筑的保护，就要求修旧如旧，再比如很多天然大理石、花岗岩、不上釉的烧结砖、文化石、石膏板等都有它特别的装饰作用，建筑师绝不会接受采用油漆涂料解决这类材料的吸水问题。 不改变混凝土外观本色，其实也符合建筑美学原理。赤橙黄绿青蓝紫，色彩斑斓是一种青春、活泼、激情的美；混凝土、砖、石材的本色，古朴自然、素面朝天，也有很多人喜欢；尤其是大型市政设施、道路桥梁，混凝土本色显示出一种沉稳、凝重、大气的美感。当然，涂装、保护的系统选择更多考虑还在实用效果方面。 道路桥梁混凝土结构的涂装、保护系统，必须适应大流量交通不中断的特点。不易选用高沾污难清洗的涂装保护系统，也不易选用在设计使用年限的早期就可能老化、起皮、褪色需要反复维修重涂的合成树脂涂料系统，这是市政设施与一般工业民用建筑有很大差异的地方，也是发达国家在道路桥梁混凝土设施的表面处理上大量采用有机硅浸渍防水剂，或采用“清水混凝土”体系的原因。 有机硅浸渍防水剂在混凝土表面无色无光，有效的避免了雨后或者在夜间车灯照射下，产生影响驾驶员视线的反光，提高了道路行驶安全系数。 2.4 适合于路桥混凝土结构保护的有机硅浸渍防水剂 并非所有有机硅浸渍防水剂都适合路桥混凝土结构的耐久性保护。选择时要考虑满足几个条件：一是路桥混凝土级配较高，比较致密。非小粒径、强渗透功能的有机硅根本进不去。二是路桥混凝土结构都在毫无遮挡的野外，防水剂必须具备抗御狂风暴雨击打的能力。三是道路桥梁设计使用年限大部分都是八十年一百年，重涂维修不便防水剂本身必须有超强的耐老化性能。规范推荐的有机硅为辛基硅烷和丁基硅烷，就是考虑了路桥混凝土所处环境和防护要求的特点。 捷邦D-125主要成分为异辛基硅烷和硅氧烷。根据混凝土/矿物建材不同基材特点，根据混凝土不同级配以及渗透深度的要求，复配成为系列产品，可以满足规范的要求。用于路桥混凝土防护的主要是三个产品，型号为D-125C D-125D D-125G。产品适用的混凝土级配和主要的技术参数如下： 3 D-125在中环线上应用效果评估 捷邦125产品应用于中环线将近4年，经风吹日晒、寒暑交替，有机硅浸渍防水处理的效果是否能保持？不但用户中环线指挥部有这样的疑惑，我公司工程师、技术人员心里也没有底。请专家做一个权威的评估成了双方共同的愿望，根据指挥部要求，同济大学专家小组立项进行了评估。 国内有JTJ 275—2000《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》的特殊防腐蚀措施和JTG-T B07-01-2006《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》的混凝土表面憎水处理章节中关于混凝土用硅烷浸渍处理的现场评价都要求采用钻心取样，然后测定钻心试样的硅烷渗透深度或吸水情况。德国交通部混凝土表面保护技术规范ZTV—SIB90规定了一种现场非钻心取样的评价方法，按照该方法，采用一种被称为Karsten量瓶的工具测量混凝土吸水量随时间的变化，最后可以计算所需要的技术参数。国内有研究表明，采用这种方法计算出的平均渗透系数可有效反映硅烷的防水效果。由于本次中环线防撞墙防水处效果评估要求不采用破坏性的测试方法，因此，选择Karsten量瓶法来测定防撞墙混凝土的表面吸水情况。所采用的相关标准如表3.1，得到如下结论： （1）按吸水高度计算的吸水率，未处理对比试样为0.170 mm/min1/2；经过捷邦125处理试样为0.0071~0.0099 mm/min1/2。（备注：按照JTJ/T275-2000《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》的试验方法吸水率值<0.01 mm/min1/2时合格。本试验方法与该标准的不同在于：a非钻芯取样而是现场测试；b浸水高度不是1~2mm而是100mm左右）。 （2）经过捷邦125处理试样48h吸水量比为未处理对比试样的4.48~5.80%。 （3）对比试样的吸水系数为1.39 kg/m2h0.5，按照EN 1062-3判断，属于透水级别；但按照DIN 4108判断，仍然属于疏水级别，说明对比混凝土级配比较高，本身就比较致密，具有相当好的防水性能。经过捷邦125处理试样平均吸水系数为0.055~0.0771 kg/m2h0.5，按照EN 1062-3判断，属于疏水级别；按DIN 4108判断，属于阻水级别；从两个标准判断，经过捷邦125处理，都比对比混凝土达到了更高一级的防水级别。这也说明，捷邦125在处理比较致密的混凝土基材方面仍然能取得较好的改善效果。 （4）按照单位时间单位面积的吸水量计算的平均渗透系数，对比试样为4.68×10-8 m/s，经过捷邦125处理试样为（2.10~2.72）×10-9 m/s，比对比试样低一个数量级，只有对比试样的4.49~5.62%。 综上所述，经过捷邦125处理试样的平均吸水性能指标比对比试样低一个数量级，仅仅约为对比试样的5%左右。尽管对比试样本身的吸水性已经比较低，捷邦125处理仍然能够获得显著的改善效果，并且经过约3年半时间，防水性能保持良好。 经过将近4年的时间，D-125产品处理过的混凝土表面擦去灰尘依然有明显的憎水效果（如图3.1所示），而且中环线浦西段38公里处理过的防撞墙随机抽样都可以见到如此的效果，足以佐证专家的评估结 |
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