Техническое введение: Силановые антикоррозионные материалы и технологии для бетонных поверхностей
2026-05-25
I. Разрушение и долговечность бетонных конструкций
Разрушение бетона неизбежно. Под воздействием внешних факторов (климат, влажность, высокие и низкие температуры, химическая среда, ветровая эрозия, износ и т. д.) бетонные конструкции со временем претерпевают ряд физико-химических изменений, приводящих к постепенному снижению различных свойств бетона.
Повышение долговечности бетона — это системный проект, который можно условно разделить на профилактические меры, принимаемые на этапах проектирования и строительства, и меры по восстановлению долговечности, принимаемые в процессе эксплуатации. Первые включают улучшение минерального состава цементного клинкера, использование добавок, правильное и рациональное проектирование пропорций смеси, повышение плотности и улучшение водонепроницаемости. Вторые в основном включают методы ремонта и защиты поверхности от коррозии.
II. Преимущества и недостатки антикоррозионных материалов для бетонных поверхностей
Основная функция защитных покрытий для бетонных поверхностей заключается в предотвращении проникновения кислорода, воды и солей из воздуха в бетон, что замедляет ухудшение его характеристик и коррозию арматурной стали. Поскольку бетонные конструкции широко используются в балках, плитах, колоннах, полах, внутренних и наружных стенах, резервуарах для хранения, подземных трубопроводах и других областях, существует большое разнообразие защитных покрытий для бетонных поверхностей .
В соответствии с различными классификационными стандартами, антикоррозионные материалы для бетонных поверхностей можно разделить на следующие основные категории:
(1) В зависимости от химического состава используемые клеи можно разделить на три категории: органические, неорганические и смешанные. К неорганическим клеям относятся различные силикатные цементы, к органическим — в основном различные полимерные материалы, включая синтетические смолы и синтетические каучуки, такие как эпоксидные смолы, акрилаты и кремнийорганические соединения. Смешанные клеи в основном представляют собой смеси полимеров и силикатных цементов, например, эпоксидный раствор, акриловый эмульсионный раствор и т. д.
(2) В зависимости от способа действия их можно разделить на: пленкообразующие покрытия, гидрофобные пропиточные материалы, материалы для обработки поверхности, блокирующие поры, и многофункциональные материалы для обработки поверхности.
Пленочные покрытия используют пленку, образующуюся в результате нанесения покрытия, для предотвращения проникновения коррозионных сред в бетон. Антикоррозионный эффект этого метода нанесения покрытия тесно связан со свойствами образующейся пленки, а качество пленки напрямую влияет на долговечность бетона. Пленочные защитные покрытия для бетона можно разделить на традиционные полимерные покрытия, наномодифицированные полимерные покрытия и полимерно-модифицированные покрытия на цементной основе. Наиболее распространенными полимерными защитными покрытиями являются эпоксидные смолы, акриловые смолы и полиуретаны .
Полимерно-модифицированные цементные покрытия являются распространенными материалами для защиты бетонных поверхностей. Эти материалы в основном состоят из полимеров, цементных материалов и высокочистых заполнителей и обладают высокой прочностью, эластичностью, адгезией и стойкостью к химической коррозии . Геополимеры также являются высокоэффективным материалом для защиты бетонных поверхностей. После девяти лет полевых экспериментов, проведенных Департаментом транспорта Нью-Джерси в Род-Айленде, результаты показали, что геополимеры обладают превосходными защитными свойствами.
Гидрофобные пропиточные материалы проникают через пористую структуру бетона и увеличивают угол смачивания. Когда угол смачивания превышает 90°, поверхность бетона становится супергидрофобной. Бетонная поверхность, обработанная пропиткой, предотвращает проникновение воды и водных растворов вредных ионов в бетон и образование трещин, одновременно позволяя водяному пару свободно проникать в бетон.
Силаны, силоксаны или их смеси являются широко используемыми гидрофобными пропиточными агентами. Структуры силанов и силоксанов показаны на рисунке 1 .
Рисунок 1. Молекулярные структуры силанов и силоксанов.
Проницаемость силанов и силоксанов зависит от их небольшой молекулярной структуры . Молекулярный диаметр силанов составляет приблизительно 1,0 × 10⁻⁶ - 1,5 × 10⁻⁶ нм, а силоксанов — приблизительно 1,5 × 10⁻⁶ - 7,5 × 10⁻⁶ нм . И силаны, и силоксаны содержат алкильные и алкоксигруппы . Алкильные группы могут снижать поверхностное натяжение бетона и повышать его гидрофобные свойства . После гидролиза алкоксигруппы образуют силанолы , которые могут связываться с -OH- соединениями в бетоне посредством водородных связей или конденсироваться в силикаты в щелочной среде бетона , образуя более прочные химические связи . Небольшая молекулярная структура силансодержащих материалов определяет их превосходную проницаемость, с глубиной проникновения 3-20 мм на поверхность бетонных оснований. На глубину проникновения влияют количество покрытия, прочность основания, водоцементное соотношение бетона, влажность бетона и тип силана . Принцип сцепления силанов с бетоном показан на рисунке 2 .
III. Типы и оценка силансодержащих антикоррозионных материалов для бетона
С точки зрения состава , силансодержащие материалы в основном включают : пропилтриэтоксисилан, изобутилтриэтоксисилан, пентилтриэтоксисилан, октилтриэтоксисилан, додецилтриэтоксисилан и др. В зависимости от государства, их можно разделить на бесцветные прозрачные жидкости, белые эмульсии и белые пасты [ ] . Начиная с первого промышленного стандарта по силанам в Китае, JTJ 275-2000 «Технические условия по защите от коррозии бетонных конструкций в портовом строительстве», четко указывается, что следует использовать изобутилтриэтоксисилан, последующие стандарты [ , , ] цитировали (в упрощенном виде: это) утверждение из JTJ 275-2000 . Поэтому в течение долгого времени изобутилтриэтоксисилан был наиболее широко используемым в стране силансодержащим пропиточным агентом. Однако использование изобутилтриэтоксисилана (сокращенно: его) сокращается с каждым годом, главным образом по двум причинам: с одной стороны, процесс производства изобутилтриэтоксисилана сложен, а цена высока; с другой стороны, в практических применениях было установлено, что октилтриэтоксисилан и другие типы силанов могут обеспечивать аналогичные защитные эффекты, при этом при использовании октилтриэтоксисилана происходит меньшее испарение. После эмульгирования он превращается в силановую пасту, что приводит к меньшим потерям при нанесении на внутренние и верхние поверхности [ , ] . В документе JTT991-2015 [ ] указаны характеристики силановых пастообразных материалов.
Оценка защитного эффекта силансодержащих материалов на бетоне включает в себя, главным образом, следующие параметры : глубину проникновения , скорость водопоглощения , содержание хлорид-ионов , устойчивость к циклам замораживания-оттаивания , устойчивость к сульфатной коррозии и устойчивость к кислотным дождям. Кроме того, метод оценки защищенного силаном бетона на месте обычно использует трубку Кастона для измерения среднего коэффициента проницаемости бетона в течение 2 часов, и на основе этих данных оценивается водопоглощение бетона.
IV. Тенденции развития антикоррозионных материалов для бетона на основе силана
Силановые соединения — это бесцветные и прозрачные низкомолекулярные вещества, проникающие вглубь бетона. Благодаря гидрофобным взаимодействиям они снижают водопоглощение бетона и уменьшают скорость миграции воды и вредных веществ, тем самым повышая прочность бетона.
Силаны обладают значительными преимуществами при использовании в качестве антикоррозионных материалов для бетона. Однако, когда бетонные поверхности требуют покрытия (обычно для эстетических целей или предотвращения пятен и плесени), необходимы пленкообразующие материалы. Бетон обычно содержит определенное количество влаги, которая испаряется в водяной пар при высоких температурах. Если слой покрытия бетона не пропускает воздух, этот водяной пар может серьезно повредить покрытие. Поэтому воздухопроницаемость является важным свойством для покрытий бетонных поверхностей.
Путем сочетания силана и фторуглерода можно получить бетонные силансодержащие антикоррозионные материалы, обладающие как хорошим антикоррозионным эффектом, так и хорошей воздухопроницаемостью [17 ] .
На рисунке 3(а) показаны результаты испытаний на водопоглощение. Из рисунка видно, что полиакрилатные покрытия, силиконово-акриловые покрытия и фторуглеродные покрытия эффективно снижают степень водопоглощения бетона. Фторуглеродно-модифицированные силановые покрытия снижают степень водопоглощения бетона на 90%, удовлетворяя требованию коэффициента водопоглощения <7,5%. На рисунке 3(б) показаны результаты испытаний на воздухопроницаемость. Из рисунка видно, что воздухопроницаемость бетона практически не изменяется после нанесения силановых покрытий, в то время как после нанесения акриловых эфиров воздухопроницаемость бетона снижается более чем на 80%.
Как видно из рисунка, покрытия без силана, как правило, обладают низкой устойчивостью к эрозии хлорид-ионами, в то время как модифицированные силаном фторуглеродные покрытия имеют устойчивость к хлорид-ионам, близкую к устойчивости чистых силансодержащих материалов.
Для бетонных конструкций, требующих устойчивости к пятнам и плесени, силановые антикоррозионные материалы должны обладать определенной степенью легкости очистки. Распространенные легкоочищаемые покрытия можно разделить на супергидрофильные и супергидрофобные. В настоящее время наиболее часто используются покрытия с высоким содержанием фтора и полисилоксановые покрытия.
Ⅴ.в заключение
Защита бетонных поверхностей от коррозии — экономичный и эффективный способ повышения их долговечности. В настоящее время наиболее эффективным средством защиты от коррозии является силановая технология . Основные проблемы, с которыми сталкивается силановая технология защиты от коррозии, заключаются в следующем: (1) Смешанный состав. Взяв в качестве примера жидкий силан, следует отметить, что из-за его бесцветности и прозрачности на рынке часто используются жидкое стекло и силановые связующие агенты вместо силановых пропиточных агентов. Хотя жидкое стекло и силановые связующие агенты могут обеспечить временный гидрофобный эффект поверхности, они не могут предотвратить повреждения от замерзания-оттаивания и эрозию бетона хлорид-ионами. Распространенная проблема силановых пастообразных материалов заключается в том, что содержание силана не достигает 80%. (2) Отсутствие соответствующих стандартов для силановых материалов, модифицированных фторуглеродами. Проектировщики часто используют расплывчатые термины, такие как «силан, модифицированный цветом», при проектировании. Это приводит к низкой практической применимости в процессе инженерной реализации.
Хуан Чжэнцян давно занимается разработкой и применением технологии защиты от коррозии с использованием силанов, обладая прочной теоретической базой и богатым практическим опытом в подготовке, инженерном применении и оценке эффективности силансодержащих материалов. В настоящее время он является обладателем пяти патентов на изобретения, относящиеся к различным силансодержащим материалам.
