混凝土表面保护材料的研究进展
邹涛1，2，李珍1，2，韩炜1，2，汪在芹1，2，邵晓妹1，2，魏涛1，2
（1. 长江科学院，湖北武汉430010；2. 水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心，湖北武汉430010）
摘要： 综述了混凝土表面保护材料的研究进展，针对存在的问题，提出混凝土表面保护材料研究的发展方向，为混凝土表面保护材料的研发提供理论和现实指导依据。
关键词： 混凝土；表面保护材料；综述
中图分类号： TU528.01 文献标志码： A 文章编号： 1002- 3550（2008）12- 0066- 03
0 引言
混凝土是水利工程建设中不可缺少的、用量最大的建筑材料，对整个工程的运行安全性起重要作用，是水利工程建设中的一项关键技术。
潘家铮院士在三峡工程质量检查专家组第十六次质量检查结束时的讲话中提出，“三峡工程是个千年工程”。要让三峡工程以及其他高坝水库工程能长期使用，除了用于建坝的各种原材料和拌和制成品经过长时期不发生体积稳定性事故外，重要的是混凝土不再发生破坏。混凝土的耐久性是其在使用过程中经受各种破坏因素的作用而能保持使用功能的能力。造成混凝土耐久性不佳的原因复杂多样，可分为物理作用、化学作用和机械作用。由物理作用导致的混凝土劣化包括由温度变化引起的裂缝、冻融循环、除冰盐对混凝土的剥蚀等；化学侵蚀主要包括混凝土内部材料引起的碱-骨料反应，外部侵蚀性离子引起的钢筋锈蚀（Cl-）、硫酸盐侵蚀（SO42-）、碳化（CO2）等；机械侵蚀包括冲击、磨损、冲蚀等。
混凝土的劣化总是从表面开始向内扩展，外部侵蚀性离子是导致混凝土结构物耐久性下降的主要原因之一。混凝土的外表面经常承受温度变化、水流冲刷、干湿交替、冻融循环等作用，从而不断风化、剥蚀、碳化，随时间的推移逐步加剧，最终危及工程安全。因此，为了防止因混凝土劣化影响工程的使用寿命，除科学合理的设计、优质的施工质量外，还需对大坝混凝土表面进行特殊保护。
本文综述了混凝土表面保护材料的研究进展，针对存在的问题，提出混凝土表面保护材料研究的发展方向，为混凝土表面保护材料的研发提供理论和现实指导依据。
1 混凝土表面保护材料的研究进展
1.1 改性沥青涂层材料
所谓改性沥青，按照我国JTJ 032《公路改性沥青路面施工技术规范》及JTJ 036—98《公路改性沥青路面施工技术规范》的定义，是指“掺加橡胶、树脂、高分子聚合物、磨细的橡胶粉或其他填料等外掺剂（改性剂），或采取对沥青轻度氧化加工等措施，使沥青或沥青混合料的性能得以改善而制成的沥青结合料”。
日本开发了一种桥梁混凝土保护材料[1]，在工程中实际应用5年，桥梁现状大为改善。该材料系橡胶、树脂改性的沥青系列涂层材料，优点是低温变形、耐冲击、黏着性优良、感温性小，在高温（60℃）下不流动。化学成分安定，耐水、耐酸碱优良。另外，熔融时黏度低，作业方便，施工后无需养护。缺点是橡胶、沥青的耐紫外线和耐老化能力有限，且沥青在加热时毒性较大。
因此，提高改性沥青材料的耐紫外线、耐老化能力和环保性将是该材料的发展趋势。
1.2 水泥基渗透结晶型防水材料
水泥基渗透结晶型防水材料（CCCW）是以硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥、石英砂等为基材，掺入活性化学物质组成的一种典型的刚性防水材料[2]。该材料是1942年德国化学家劳伦斯·杰逊（Lauritz Jensen）在解决水泥船渗漏水的实践中发明的，英文名为：Cementitious Capi1lary Crystal1ine Waterproofing Materials，简称CCCW。二次世界大战后，欧美和日本经济的快速增长，使这一材料的工程应用领域不断扩大。产品也从早期的德国的VANDEX（稳挡水）品牌（现转售到瑞士）延伸发展出加拿大的XYPEX（赛帕斯）、加拿大的KRYSTOL、新加坡的FORMDEX（防挡水）、美国的PENETRON（膨内传）、法国的DIPSEC、澳大利亚的CRYSTAL、日本的PANDEX 等数十个品牌，均有不同程度的改进，形成了系列产品[3]。
该材料以水泥、石英砂等为基材，因此与混凝土的黏结力强，而且比较环保。但由于该材料为刚性材料，因此当混凝土基体出现任何的裂缝、错动都会导致防水层的破坏，而且涂层易受物理损伤，引起防水效果的丧失。另外，CCCW在高性能混凝土上应用时其防水效果不甚明显。
因此，赋予水泥基渗透结晶型防水材料一定的柔韧性和提高其在高性能混凝土中的渗透性将是该材料的发展方向。
1.3 丙乳砂浆及改性丙乳砂浆
丙乳全称为丙烯酸酯共聚乳液，是一种高分子聚合物的水分散体。加入水泥砂浆后为丙乳砂浆，该砂浆具有优异的黏结、抗裂、抗冻、防渗、防腐、抗氯离子渗透、耐磨、耐老化等性能，适用于水利、港口工程、公路、桥梁、冶金、化工、工业与民用建筑等钢结构和钢筋混凝土结构的防渗、防腐护面和修补工程；丙乳砂浆还能耐烯酸、尿素、苯等化学介质腐蚀。
巴斯夫公司开发的丙烯酸胶乳（如Acronal S702，AcronalS400）或羧基丁笨胶乳（如Styrofan SD622S）改性砂浆[4]具有优异的低温柔性，可在低到-20 ℃条件下有效遮蔽混凝土的毛发型裂缝。它还具有优异的防水性能，因而被广泛应用在桥梁保护及修补、建筑体保护及修补以及各类防水应用上。该材料具有优良的耐候性、耐紫外线降解及常温自干，并且对基层有很强的附着性能，但是其耐高温性差，容易高温回黏，导致耐沾污性下降。因此，提高丙烯酸树脂的耐高温能力将是该材料的发展趋势。
1.4 硅烷浸渍剂
渗透型有机硅成功用于保护混凝土在国外已有数十年的历史。用于保护钢筋混凝土，它可防止水分及氯离子的渗透，从而对于防止混凝土的腐蚀与破坏起到关键的作用。这种浸渍剂一般都由硅烷或硅氧烷组成。德国瓦克化学有限公司成功开发了一种新型的硅烷乳膏状产品，这种材料施工简单，活性组分损失小[5]。
有机硅对紫外线辐射、热、腐蚀性化学物质以及微生物等环境因素具有良好的抵抗力，但在常温下硅氧烷缩聚反应速度缓慢，抗渗性能较差。
因此，提高常温下硅氧烷缩聚反应速度和抗渗性能将是硅烷浸渍剂的发展方向。
1.5 硅丙乳液
有机硅树脂中Si-O 键能（450 kJ/mo1）远大于C-O 键能（345 kJ/mo1）和C-C键能（351 kJ/mo1）。具有优良的耐热性、耐候性、保光性和抗紫外光等性能；有机硅树脂表面能低，不易积尘，具有抗沾污性，缺点是常温下硅氧烷缩聚反应速度缓慢。丙烯酸树脂也有良好的耐候性和保光性，并且具有常温自干的特点，但是由于其本身的热塑性所限，线形分子上又缺少交联点，难以形成三维网状交联涂膜，因此，其耐高温性差，易高温回黏，低温时又缺乏弹性，涂膜发脆。用有机硅对丙烯酸树脂进行改性，可以使其兼有两者的优点[6]。
但是当乳液聚合体系中有机硅单体含量较大时，产生大量凝聚物、以致聚合反应无法进行，使有机硅的引入量较低，乳液贮存稳定性差。这是硅丙乳液聚合的难点。如何有效抑制硅氧烷在反应、贮存过程及涂料储存过程中的水解、缩聚，是制备硅丙乳液的关键[7]。
1.6 聚脲弹性体材料
喷涂聚脲弹性体（spray polyurea elastomer，以下简称SPUA）技术是国外近10 年来继高固体分涂料、水性涂料、辐射固化涂料、粉末涂料等低（无）污染涂装技术之后为适应环保需求而研制、开发的一种新型无溶剂、无污染的绿色施工技术[8]。与传统环保型涂装技术相比（见表1），SPUA技术具有以下优点：
（1）不含催化剂，快速固化，可在任意曲面、斜面及垂直面上喷涂成型，不产生流挂现象，5 s凝胶，1min即可达到步行强度；
（2）对水分、湿气不敏感，施工时不受环境温度、湿度的影响；
（3）100%固含量，不含任何挥发性有机化合物（VOC），对环境友好；
（4）一次施工的厚度范围可以从数百微米到数厘米，克服了以往多次施工的弊病；
（5）优异的理化性能，如拉伸强度、伸长率、柔韧性、耐磨性、耐老化、防腐蚀等；
（6）具有良好的热稳定性，可在120 ℃下长期使用，可承受150℃的短时热冲击；
（7）可以像普通涂料一样，加入各种颜料、染料，制成不同颜色的制品；
（8）配合比体系任意可凋，手感从软橡皮（邵尔A30）到硬弹性体（邵尔D65）；
（9）原形再现性好，涂层连续、致密、无接缝、无针孔，美观实用；
（10）使用成套设备，施工方便，效率极高；一次施工即可达到设计厚度要求，克服了以往多层施工的弊病。
由此可见，SPUA 技术是一种新型“万能”（国外称之为versatile）涂装技术，它集塑料、橡胶、涂料、玻璃钢多种功能于一身，全面突破了传统环保型涂装技术的局限，很适合作为混凝土的表面涂层材料。
但是传统聚脲以伯胺为原料，反应速度太快，必须使用专用喷涂设备，而专用喷涂设备价格昂贵，这在一定程度上限制了聚脲材料在工程上的应用。
1.7 聚天冬氨酸酯聚脲材料
聚天冬氨酸酯聚脲材料是近几年来在聚脲工业领域出现的一种高耐久性、慢反应、高性能材料[9]。它彻底改变了传统聚脲以伯胺为原料，反应速度太快、附着力差的缺点。当它与同是脂肪族异氰酸酯的三聚体反应时，能够得到耐候性非常好的脂肪族聚脲材料。
聚天冬氨酸酯聚脲材料已在美国宾夕法尼亚高速公路天桥、SanMateo-Hayward大桥和WideWorld of sportsDisneyWorld棒球体育馆等工程应用，并获得了很好的保护效果[10-11]。由于聚天冬氨酸酯聚脲材料出现时间不长，在国内几乎没有工程实例。
因此，聚天冬氨酸酯聚脲材料在国内推广和国产化将是该材料的发展趋势。
2 展望
综上所述，混凝土表面保护材料的研究与应用，不仅具有理论的创新性，更具有重要的实际应用价值。了解混凝土表面保护材料的研究进展，为研发新型混凝土表面保护材料提供了理论和现实指导依据。
参考文献：
[1] 石川一美，川口裕司，田村道正。使混凝土和钢桥长寿的涂抹材料[J].城市道桥与防洪，2007（5）：57-59.
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[3] 唐婵娟，吴笑梅，樊粤明。水泥基渗透结晶型防水材料的研究[J].广东建材，2007（11）：48-52.
[4] 王春久。混凝土的修补与保护技术[J].中国建筑防水，1997（5）：24-26.
[5] 吴平，GEICH H.硅烷膏体浸渍剂在保护混凝土中的实际应用[J].混凝土，2003（10）：62-65.
[6] 刘敬芹，张力，朱志博，等。建筑涂料用硅丙乳液的研究进展[J].涂料工业，2002（3）：21-25.
[7] 丁俐，唐美红，樊钧。有机硅——— 一种新型的混凝土保护材料[J].化学建材，2002（5）：31-32.
[8] 黄微波，等。喷涂聚脲弹性体技术概况[J].上海涂料，2006，44（1）：29-31.
[9] 黄微波，刘培礼，胡松霞，等。喷涂聚脲技术领域的新进展-聚天门冬氨酸酯聚脲[J].中国涂料，2005，20（8）：36-38.
科技纵横