专业研究成果：多拉浸瓷圭釉材料对混凝土结构耐久性带来革命性的提升
项目概要
混凝土的腐蚀是一个很复杂的物理的、物理化学的过程。混凝土是一种多孔性的刚性材料，在各种因素影响下都易产生细微裂缝。二氧化碳、水、氯离子、酸雨等腐蚀因子都能够轻易通过混凝土中的孔隙渗透进混凝土内部，从而对其造成腐蚀，显著降低混凝土结构的使用寿命。混凝土结构在使用过程中受到许多因素影响，混凝土处于水和土中的硫酸盐、镁盐等侵蚀结晶膨胀，寒冷环境的冻融循环造成混凝土剥蚀破坏，水流中砂石冲刷磨蚀混凝土，水体中生物附着在混凝土表面腐蚀，促使混凝土结构出现各种不同程度损伤破坏。混凝土腐蚀的危害巨大，混凝土腐蚀导致结构内部性能发生退化，明显缩短使用寿命，降低混凝土结构安全系数，导致结构的安全性、耐久性降低。
传统的混凝土结构表面防护类附加防腐蚀措施，主要包含表面涂层和表面浸渍（硅烷浸渍）两大类，但分别存在以下难题：
1）表面涂层容易脱落
表面涂层与混凝土的附着主要依靠涂料与混凝土表面的粘接，涂层与混凝土之间无榫卯结构结合，混凝土本身有透气性，随着时间的推移，涂料与混凝土间的附着力逐渐减小直至丧失，涂层随之脱落，且修复后，表面涂层依然容易脱落，大幅增加维护费用。
2）表面浸渍防护效果有限
表面浸渍（硅烷浸渍）是采用硅烷偶联剂渗透进混凝土内部，在孔隙表面形成一层憎水结构，阻隔水汽渗入，防护后的混凝土结构表面裸露、孔隙开放，对混凝土结构的防腐作用非常有限。另外，因其表观上没有改变，无法通过直观发现是否满足防护要求，也无法及时发现其局部失效问题。
近年来，一种新型混凝土表面防腐技术——多拉表面浸瓷技术，已应用于混凝土防腐的多类项目中，其结合了表面涂层和表面浸渍两种防腐技术的优势，一些特性成为解决上述传统混凝土防腐蚀技术弊端的较好解决方案。以浸瓷圭釉材料为代表的表面浸瓷技术作为混凝土的附加防腐蚀措施，融合了现有混凝土防腐措施表面涂层和表面浸渍的优势，弥补了其使用寿命和防护性能不足的缺点，其应用于混凝土结构防腐耐久性提升带来了很好收益。
研究的目的和意义
表面浸瓷融合了表面涂层和表面浸渍两种混凝土结构常用附加防腐蚀措施的优点，但其产品材料成分及技术路线与单独的表面涂层和表面浸渍技术亦有不同，现行《混凝土桥梁结构表面涂层防腐技术条件》（JT/T695-2007）和《水运工程结构耐久性设计标准》（JTS153-2015）中仅对表面涂层和表面浸渍(硅烷浸渍)两种技术有专门的要求，为了便于对表面浸瓷技术研究，暂以同时满足标准中对表面涂层和表面浸渍两种技术的性能指标进行要求，对相关指标进行研究，同时研究浸瓷圭釉材料超越现行规范的指标情况，供后续规范修编参考。
近年来一些防腐蚀新材料、新技术尚未纳入标准，为了解决上述现有防腐技术的问题，积极开发、应用新材料、新技术、新工法，创建品质工程、百年工程，延长结构使用寿命，降低运营期维修维护频率，做到全寿命周期技术经济最优化，有必要对混凝土附加防腐蚀措施进行深入研究。
国内外现有技术
目前混凝土结构的表面防腐措施主要有传统的表面涂层和表面浸渍两大类，以及一种新型的混凝土结构表面防腐技术——表面浸瓷。
表面涂层就是在混凝土表面涂装树脂涂膜保护层，通常是环氧树脂、丙烯酸聚氨酯、氟碳树脂、氯化橡胶等的差异化组合涂层。表面涂层类措施，优点是成膜的涂层能完全密封混凝土表面，缺点是涂层与混凝土仅仅是表面粘结，无法形成卯榫结构粘结，且混凝土有透气性，在使用中很快会出现粘结失效空鼓，紧接着就是破损斑驳，失去防护效果，斑驳影响美观，且很难修复，且修复后无法保障不再脱落。
表面浸渍就是在混凝土表面喷洒硅烷或硅酸盐溶液，渗入混凝土内部形成一道憎水的保护层。硅烷浸渍是渗入混凝土在孔隙表面形成一层憎水结构，硅酸盐浸渍是渗入混凝土在孔隙内反应结晶对孔隙有些填充作用。表面浸渍类措施，不能从根本上完全密封混凝土表面，对混凝土表面剥蚀等病害的预防作用非常有限，不能满足混凝土的防腐蚀要求。
表面浸瓷是浸瓷圭釉材料渗入混凝土结构的毛细孔和微裂纹中2-4mm深度，自身交联固化与混凝土形成坚固的榫卯结构，同时圭釉液体从混凝土孔隙内满溢后在表面形成瓷釉涂层，完全封闭混凝土表层，永久封闭。浸瓷涂层具备优良的力学性能、化学性能、混凝土防腐耐久性能，对混凝土结构达成全寿命周期防护，有效地提升混凝土结构的耐久性。
表面浸瓷属于第三类混凝土结构表面防腐技术。融合了现有的表面涂层和表面浸渍防腐技术的优势，弥补了其使用寿命和防护性能不足的缺点，能够更有效地提升混凝土结构的耐久性。
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表面涂层 |
表面浸渍 |
多拉表面浸瓷 |
图1 三种混凝土防腐措施作用机理示意图
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表面涂层 |
表面浸渍 |
多拉表面浸瓷 |
图2 三种混凝土防腐措施的表面状况
研究内容说明
1、研究内容
主要研究内容，多拉浸瓷圭釉材料作为混凝土的防腐蚀强化措施，如何融合现有混凝土防腐措施表面涂层和表面浸渍的优势，弥补了其使用寿命和防护性能不足的缺点，能够有效地提升混凝土结构的耐久性要求。
2、关键技术
关键技术问题，作为混凝土防腐蚀措施的多拉浸瓷圭釉材料必须满足渗入混凝土深度2mm以上，能够自身交联固化成固体，同时能够从混凝土孔隙内满溢后在表面形成涂层，渗入混凝土内部的液体材料和表面形成涂层的液体材料是同一材料，确保是同质材料交联为一体，并且形成的表面涂层必须具备优良的化学性能、力学性能、混凝土防腐耐久性能，满足各类环境工况的混凝土结构防腐要求。
3、创新点
多拉浸瓷圭釉材料是一种独特的纳米硅液体材料，双组份，在室温条件下反应固化。液体材料渗入混凝土结构的毛细孔和微裂纹中2-4mm，深入内部固化扎根，满溢后在表面成瓷，交联固化与混凝土结合为一体，达到持久防护的效果。
浸瓷圭釉材料融合了现有的表面涂层和表面浸渍两种海港混凝土常用附加防腐蚀措施的优点，弥补了其使用寿命和防护性能不足的缺点，能够有效地提升混凝土结构的耐久性要求。
研究实施方案
依据《水运工程结构耐久性设计标准》(JTS153),《水工混凝土结构耐久性评定规范》（SL775）、《混凝土桥梁结构表面涂层防腐技术条件》（JT/T695）等混凝土耐久性设计规范要求，按照技术方案进行试验和测试，表面浸瓷防腐措施同时满足规范中表面涂层和表面浸渍的耐久性技术指标要求，重要性能指标优于规范的技术指标。具体实施方案如下：
研究试验防法，根据混凝土结构实际所处的环境工况，明确需要关注和解决的问题，确定所需试验的项目，依据国标《水运工程结构耐久性设计标准》（JTS153-2015）、《》的检测方法检测各项指标，同时满足或优于现有的表面涂层和表面浸渍两种混凝土防腐措施的技术指标以及其它领域有参考价值的技术指标。部分试验项目和检测方法标准如下：
1、表面浸瓷、表面涂层、表面浸渍的性能对比研究
根据海港码头混凝土结构实际所处的环境工况，明确需要关注和解决的问题，确定所需试验的项目，依据国标《水运工程结构耐久性设计标准》(JTS153)和《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082)试验方法检测各项指标，满足或优于国家现有的混凝土防腐措施表面涂层和表面浸渍技术指标。试验项目和检测方法标准如下：
1）浸瓷圭釉材料密封的混凝土试块的吸水率、渗透深度、氯化物吸收量降低效果，检测方法JTS 153-2015附录H。
2）浸瓷圭釉涂层的耐气候老化性，检测方法GB/T1865-2009。
3）浸瓷圭釉涂层的耐冲击性，检测方法GB/T1732-2020。
4）浸瓷圭釉材料密封的混凝土试块的抗氯离子渗透性能，检测方法GB/T50082-2009、JTS 153-2015附录F.2。
5）浸瓷圭釉涂层与混凝土的附着强度，检测方法GB/T5210-2006、JTS153-2015附录F.3。
6）浸瓷圭釉涂层的耐碱性、外观质量，检验方法JTS 153-2015附录F.1、F.4。
2、浸瓷圭釉材料的混凝土防腐性能研究
混凝土防腐措施用于其它领域有参考价值的技术指标，依据《水工混凝土结构耐久性评定规范》(SL775)、《混凝土桥梁结构表面涂层防腐技术条件》(JT/T695)规范，部分试验项目和检测方法标准如下：
1）浸瓷圭釉材料密封的混凝土试块的背水面抗渗性能，检测方法GB/T50082-2009。
2）浸瓷圭釉材料密封的混凝土试块的碳化试验性能，检测方法GB/T50082-2009。
3）浸瓷圭釉材料密封的混凝土试块的抗氯离子渗透性，检测方法GB/T50082-2009。
4）浸瓷圭釉材料密封的混凝土试块的抗冻性能，检测方法GB/T50082-2009。
5）浸瓷圭釉材料密封的混凝土试块的抗硫酸盐侵蚀性能，检测方法GB/T50082-2009。
6）浸瓷圭釉涂层的水接触角，检测方法GB/T30693-2014。
浸瓷圭釉材料的技术数据汇总
多拉浸瓷圭釉材料作为混凝土防腐蚀措施满足渗入混凝土深度2mm以上，能够在室温条件下自身交联固化，与混凝土形成坚固的榫卯结构，同时圭釉液体从混凝土孔隙内满溢后在表面形成瓷釉涂层，完全封闭混凝土表层，永久封闭。浸瓷涂层具备优良的力学性能、化学性能、混凝土防腐耐久性能，这些性能对解决现实的混凝土病害具有重要价值。表面浸瓷防腐措施解决了混凝土结构碳化、氯离子侵蚀造成的钢筋锈蚀，海洋环境、化学腐蚀环境、除冰盐环境、盐结晶环境、冻融环境造成的混凝土腐蚀劣化破坏，以及水流泥砂作用力对混凝土的不断磨蚀、海生物污垢的附着对混凝土结构防腐的破坏。试验涉及到的技术指标如下：
涂层附着强度：≥5.0MPa；
涂层耐冲击性：≥50kg.cm；
涂层铅笔硬度：≥2H；
涂层耐磨损性：≤0.030g；
涂层水接触角：≥1050；
涂层耐老化性：≥3000h，不起泡、不剥落、无粉化；
涂层耐水性：3000h，无异常；
涂层耐盐水性：3000h，无异常（5%NaCl）；
涂层耐碱性：240h，无异常（10%NaOH）；
10）涂层耐酸性：240h，无异常（30%H2SO4）；
11）渗透深度：≥2mm（高性能砼）/3mm（普通砼）；
12）吸水率：≤0.01mm/min1/2；
13）氯化物吸收量降低效果：≥90%；
14）抗氯离子渗透性：≤5.0x10-3mg/cm2d；
15）耐碱性：合格（饱和Ca(OH)2溶液，30d，无起泡、龟裂、剥落）；
16）碳化深度比：≤10%；
17）抗氯离子渗透性（DRCM法）：≤8.0x10-12m2/s；
18）抗硫酸盐侵蚀≥KS120。
19）抗冻性：≥300次；
20）抗渗性：≥1.5MPa（背水面）；
经济、社会、环境效益分析
1、经济效益分析
采用浸瓷圭釉技术对混凝土结构防腐，与传统防腐技术相比，浸瓷圭釉防腐涂层寿命更长、防护效果更好。经初步测算，浸瓷圭釉涂层可有效减少附着的海生物类型及数量，减少混凝土结构维护频次、降低维护成本，增加混凝土结构使用寿命，经济效应显著。
2、社会效益分析
多拉浸瓷圭釉防腐技术推广应用，将为混凝土结构防腐设计提供一种新的思路，在各类混凝土结构，长大桥梁、海港码头、铁路桥隧、水利工程、路桥隧道、管道水池、设施基础的防腐方面均有很好的借鉴和推广应用价值，同时在后续混凝土构筑物的运营中，大大减少了结构的维护工作。
3、环境效益分析
采用多拉表面浸瓷防腐措施，减少混凝土结构在使用中表面黏附污垢、海生物附着清除带来的环境污染，降低了日常维护成本，实现更好的节能，同时，项目建设符合国家环境保护法律、法规和环境功能规划的要求，符合当地产业发展导向，对周围自然环境、生态环境和社会环境等无影响。
