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水工混凝土大坝表面防护涂层材料研究进展

文档作者：王媛怡陈亮汪在芹文档来源： 1 长江水利委员会长江科学院 2 三峡大学三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心		点击数：	更新时间： 2025年09月30日
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水工混凝土大坝表面防护涂层材料研究进展／王媛怡等 · 81 ·
水工混凝土大坝表面防护涂层材料研究进展
王媛怡 ，陈 亮 ，汪在芹
(1 长江水利委员会长江科学院，武汉430010；2 三峡大学三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，宜昌443002)
摘要 由于水利工程的特殊性，水工混凝土大坝长期处于含砂高速水流冲刷侵蚀、气温变化大、冻融频繁等恶
劣环境下，其耐久性直接影响着水利工程的安全性和服役寿命。在混凝土表面涂覆防护涂层可有效阻止有害介质渗
入混凝土毛细孔内部，从而达到提高混凝土耐久性的目的，被广泛应用于大坝表面的防护领域。简要综述了近年来
发展起来的浸渍型有机硅、氟碳、环氧树脂、丙烯酸酯、聚氨酯、聚脲和清水混凝土复合涂料体系等多种新型坝面防护
涂层材料的特点及最新研究成果，并总结了混凝土防护涂层材料的发展方向。
关键词 水利工程大坝表面耐久性防护技术涂层材料
中图分类号：TU57 文献标识码：A DOI：10．11896／j．issn．1005-023)(．2016．09．013
Research Progress of Dam Surface Coating M aterial for Concrete
in Hydraulic Engineering
W ANG Yuanyi ，CHEN Liang ，W ANG Zaiqin '
(1 Changjiang River Scientific Research Institute of Changiiang Water Resources Commission，Wuhan 430010；2 Collaborative
Innovation Center for Geo-hazards and Eco-Environment in Three Gorges Area，China Three Go rges University，Yichang 443002)
Abstract The durability severe challenged the safety and service life of hydraulic concrete dams since they
usually used in complex environments，such as sudden change in temperature，abrasion by high velocity flow with sand
and frequent freezing-thawing cycle．Use coating on the concrete surface to form a thin film could effectively prevent
water and other solution permeated into the capillary．This method is wildly applied tO the protection of dam surface to
enhance the durability of hydraulic concrete．The characteristics and latest research results of multiple dam surface
protective coatings are reviewed，such as silicone，fluorocarbon，epoxy resin，acrylate，polyurethane，polyurea and
bare concrete compound coating system．Besides，the direction of concrete protective coating development is also sum—
marized．
Key words hydraulic engineering，dam surface，durability，protection technology，coating material
0 引言
在我国西部如青海、新疆、西宁、宁夏等资源丰富的地
区，许多国家重点水利工程都在规划和兴建中。混凝土是目
前用量最大的筑坝材料之一，混凝土的耐久性直接关系到水
利工程大坝的安全性和服役寿命。特别是在西部高海拔地
区，由于高寒、昼夜温差大、日照紫外强烈等独特的气候环
境，混凝土的劣化问题更为严峻，必须进行有效的防护与处
理。
混凝土材料界面有很多孔隙，外界的有害离子通过这些
孔隙进入材料内部的孔道，对混凝土产生侵蚀作用导致钢筋
锈蚀、混凝土结构膨胀、开裂和剥落等问题，不仅严重影响美
观，且大大降低混凝土的服役寿命。因此，为了防止或延缓
外界因素对混凝土的侵蚀，提升混凝土的耐久性，除科学合
理的混凝土原料配方设计外，在工程建设初期对水工建筑物
混凝土表面涂覆表面防护材料也可使水工建筑物免受外来
侵蚀或减轻危害，而对于已建工程的劣化问题更应该进行及
时有效的修补。
本文简要综述了近年来发展起来的浸渍型有机硅防护
材料、氟碳树脂防护涂层、环氧树脂类防护材料、丙烯酸酯类
防护材料、聚氨酯类防护涂层、聚脲防护涂层和清水混凝土
防护复合涂料体系等多种新型坝面防护涂层的特点及最新
研究成果，并展望了水工混凝土大坝表面防护涂层材料的发
展方向。
1 水工混凝土坝面防护涂层
1．1 浸渍型有机硅防护材料
有机硅材料分子中甲基的排列使其具有优异的憎水性，
*水利部公益性必威体育官方网站
专项(201301023)；国家自然科学基金面上项目(51579019)；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资
金项目(CKSFg014052／CL)；长江科学院技术开发和成果转化推广项目(CKZS2015003／CL)；中央级公益性科研院所基本科研业务
费专项资金项目(CKSF2016001／CL)；中国水利学会青年人才资助项目
王媛怡：女，1988年生，博士，研究方向为水工新材料的研发与应用Tel：027—82820429 E-mail：wangyuanyi@mail．crsri．cn
· 82 · 材料导报A：综述篇 2016年5月(A)第3O卷第5期
涂膜吸水性小，因此广泛应用于建筑材料的防水处理。其
中，浸渍型硅烷防护涂料的主要成分为低分子量硅烷，以烷
基三乙氧基硅烷最为常用，是有机硅防水剂中应用最广的一
类。浸渍型有机硅涂料对混凝土的防水、耐候、耐腐蚀性能
均有不同程度的提高，同时具有透气性、保色性、无污染等性
能。
浸渍型有机硅涂料在结构上通常分为两部分，一部分是
以烷烃链为骨架的疏水基团，另一部分是以三烷氧基硅烷为
主的成膜结合基团。与传统疏水涂层不同，浸渍型有机硅首
先渗透到混凝土内部发生水解脱醇反应形成交联有机硅树
脂，并通过羟基与混凝土的无机硅酸盐牢固连接。由于浸渍
型有机硅涂料相对分子质量较小，渗透性较强，不会封闭基
材的毛细管孔隙，允许混凝土中的水分自由蒸发，保持了混
凝土的透气性因而不易起泡。同时，有机硅材料的非极性基
团向表面迁移，在混凝土表面和毛细孔内壁形成均匀致密的
憎水结构网络，使混凝土表面形成保护层，从而有效阻止水
份和其他有害离子向混凝土空隙内渗透，提高混凝土结构物
的耐腐蚀性和耐候性。以辛基三乙氧基硅烷为例，其防护原
理作用如图1所示。
混凝土厂
c 一s J)bcC 2H 5， 蒜0}I⋯H： O —tJ堕一c 、 l
图1 辛基三乙氧基硅烷防护原理
Fig．1 Protection principle of triethoxyoctylsilane
大量工程应用实例表明，有机硅浸渍处理可以显著降低
混凝土的吸水率和氯离子的渗透性，研究人员对此进行了更
深入的讨论。汪琪等_1 通过对不同龄期混凝土的氯离子迁
移系数进行追踪，研究了涂覆异丁基三乙氧基硅烷后混凝土
氯离子渗透性的变化。研究结果表明，在14～28 d龄期内对
混凝土进行表面硅烷浸渍处理，混凝土氯离子扩散系数减少
约35 。段德峰等_2 采用干湿交替加速腐蚀法，探讨了在硫
酸盐环境下硅烷浸渍混凝土的孔隙率、抗氯离子渗透等性能
的劣化演变规律。上述研究结果均指出，喷涂层数为两层和
三层的有机硅浸渍混凝土具有更优异的抗氯离子渗透性能。
由于有机硅渗透深度可达5～10 mm，即便是磨蚀3～4 Into
后剩余的混凝土表面仍旧被有机硅浸渍剂覆盖，低吸水率和
氯离子渗透率依然保持。同时，混凝土在经过有机硅浸渍处
理后，浸渍处的抗压强度有一定程度的提升，这从侧面证明
经过有机硅浸渍处理技术能提高混凝土的抗磨蚀性能，有待
更深入的研究。除此之外，田有为等[3 详细讨论了硅烷浸渍
材料的防护机理、分类及在其混凝土防护中的作用，并结合
施工工艺对硅烷浸渍材料与传统成膜涂层进行了性能对比。
结果指出，相比于表面成膜涂料，硅烷浸渍材料在实际应用
中可以保持混凝土表面的自然外观，同时对较小尺度的局部
缺陷也有防水效果，也不易受到刮擦而脱落，能够大幅增强
混凝土建筑物的耐候性。然而，对于低吸水率的有机硅浸渍
混凝土是否能提高抗冻性还具有一定的争议性，有研究人员
认为有机硅浸渍混凝土中可供冻融破坏释放的空间减少，混
凝土的抗冻性能无法得到改善，相关研究仍需加强。另外，
一般有机硅浸渍剂为液态产品，具有较好的流动性和一定的
挥发性，直接用于混凝土表面易导致活性有效成分流失。因
此，肖春霞等_4 制备了一种专用于混凝土结构表面的硅烷膏
体防水浸渍剂，该膏状浸渍剂具有良好的防水效果，并能长
期稳定储存。
在实际工程应用方面，张红贵等_5 和王航等_6 分别依托
深圳港妈湾港区新建码头工程和东北某机场扩建机坪道面
工程为研究对象，研究了硅烷浸渍处理技术在海港工程和高
寒地区的推广应用情况，并讨论了混凝土配合比、施工工艺
以及环境因素对硅烷浸渍渗透深度、氯离子渗透率以及抗冻
融次数等综合混凝土防护效果的影响。针对混凝土有机硅
浸渍处理防护技术的应用现状，严生贵等 指出该技术还存
在碳化加深、对裂缝的防护效果不理想以及有效防护年限尚
不清楚等问题，今后应进一步加深硅烷浸渍和涂料涂层复合
涂装的机理及应用研究，以期使浸渍型有机硅防护涂层的应
用向更广泛的方向发展。
1．2 氟碳树脂防护涂层
氟碳树脂是指以含氟烯烃或其他侧链含碳氟键(C-F)的
单体为基本单元，进行均聚或共聚而得的含有大量碳氟键的
聚合物，常用的含氟烯烃有四氟乙烯(TFE)、六氟丙烯
(HFP)、三氟乙烯(CTFE)、偏二氟乙烯(VDF)以及氟乙烯
(VF)等。以氟碳树脂为原料制成的涂料被称为氟碳树脂涂
料，按照成膜方式氟碳树脂涂料可分为热塑性、热固性和氟
弹性体三大类，按照用途不同氟碳树脂涂料也可分为防腐涂
料、防粘涂料和装饰涂料等。由于碳氟键键能高达485 kJ／
mol，远高于c_H键、c_o键和C-C键等的键能，同时氟原子
电负性极大(4．O)且碳氟键键长较小(139 pm)，使碳链上的
氟原子相互紧密排列并将碳链包裹其中，对C-C键起着屏蔽
保护作用，因此氟碳树脂涂料具有极低的表面能及优异的耐
热性、耐候性和耐腐蚀性_8]。随着人们对环保的重视和相关
法律法规的日趋严格，绿色环保和可持续发展成为当今世界
的主题，氟碳树脂涂料也向着低VOC、水性化及复合化的方
向发展，水性氟碳树脂防护涂料体系的研发及应用倍受关
注，并成功应用于大坝、桥梁等大型水利工程。
裂缝是t昆凝土劣化的重要形式之一，并在载荷和环境等
因素作用下不断扩展，此时混凝土表面防护涂层对裂缝的追
随性能往往由于老化作用而大打折扣。田惠文等_9 分别选
取4种来自葡萄牙(环氧类)、美国(聚氨酯类)、中国(聚氨酯
类)和日本(氟碳类)的混凝土防腐涂料对混凝土进行涂刷，
并置于日照加速老化试验机1000 h后通过比对涂料表面的
色差来评估涂料的失效程度，同时对比了4种涂料对混凝土
裂缝的追随性能。研究结果表明，氟碳涂料的耐老化性能优
于环氧类和聚氨酯类，在1000 h老化试验后依旧保持较好的
柔韧性，对裂缝的追随性可达到0．6 mm，说明氟碳涂料在混
凝土开裂后仍具有防护性。针对水利工程混凝土大坝的防
护需求，萧以德等u 也从混凝土抗碳化、氯离子渗透率、抗冲
磨、钢筋电化学性能、耐紫外老化等多个角度，对比了浸渍
型、涂膜型以及浸渍+涂膜复合型等3种不同防护方式体系
水工混凝土大坝表面防护涂层材料研究进展／王媛怡等 · 83 ·
对混凝土的综合防护性能。在所处实验环境下，单纯浸渍型
涂层在防碳化和耐老化性能方面不如涂膜型涂层，使其在户
外环境应用时的防护寿命受限，而浸渍+涂膜复合型氟碳防
护涂层对水工建筑物的综合防护能力和防护寿命是最为理
想的。这一观点受到越来越多的关注和认同，水性氟碳涂料
体系成为近来混凝土防护材料研究的新热点。
郑炎_1 开发出一种由水性硅丙乳液底漆和水性氟碳面
漆组成水性氟碳涂料体系，该体系在氙灯老化1000 h后仍表
现出良好的防护性能，同时对酸雨腐蚀环境和循环变温环境
具有较好的耐候性。他们还对这种防护涂层的修复技术及
其性能进行了研究，研究结果认为当涂层破损程度超过30
时应立即进行修复，在一定环境下重涂涂层的性能可以基本
得到恢复。吴士军等l】幻也设计出一套用于混凝土防护的氟
碳涂层复合体系，该材料以环氧树脂交联固化后的聚合物网
络作为底漆，增加了涂层的附着力；中间漆材料聚氨酯涂层，
在增大附着力的同时还降低了混凝土的吸水率；最后以氟碳
涂料作为面漆，为体系提升了整体的耐腐蚀性和耐候性，理
论上具有广阔的应用前景。然而，生产氟碳树脂涂料所需的
全氟单体价格昂贵，且目前国内能成熟掌握氟树脂的生产工
艺并能快速跟进市场需要改进产品原料的供应商并不太多，
产量也无法保证，这些原因均在一定程度上阻碍了氟碳树脂
防护涂料在混凝土防护领域的推广使用。因此，接下来氟碳
防护涂料的研究重点需转变为设计开发高性价比的水性氟
碳涂层体系。
1．3 环氧树脂类防护材料
环氧树脂是指分子中含有两个或两个以上活泼的环氧
基团高分子预聚物，因其固化方便且固化后产物具有优良的
物理力学性能和耐化学腐蚀性能，并对金属和非金属材料的
表面均具有优异的粘接力，在国民经济的各个领域中得到广
泛的应用ll 。环氧树脂类涂料的主要成分包括环氧树脂、固
化剂、颜料及其他助剂等，对混凝土表面有良好的附着力，是
一种较好的补强、固结用混凝土裂缝修补及防护材料E“]。
环氧类涂料大致可分为水性环氧树脂和溶剂型环氧树
脂，由于溶剂型环氧树脂涂料有易燃、易爆、有毒、污染环境
等缺点，与目前涂料发展的环保趋势不符_1 。与溶剂型环氧
树脂涂料相比，水性环氧树脂有机挥发物含量少、绿色环保、
成本较低，但也存在某些性能缺陷，如脆性大、内应力大、冲
击强度低等，尤其是引入亲水性基团或链段后，在低温高湿
环境下难以固化_1 ]以及耐紫外老化能力较差_1 ，在防腐性
能要求高的场合应用受到限制，可以采用与其他树脂改性或
加入粒子复合的方法来改善[17,18]。
环氧树脂灌浆材料在我国水利工程应用比较广泛，常用
作水工建筑物的抗冲蚀材料、混凝土裂缝修补材料以及混凝
土防水材料等 。邱建华等[2 用刚性固化剂T31和柔性固
化剂聚酰胺651对环氧树脂进行复配，利用正交方法对固化
剂、稀释剂、促进剂及增韧剂4种添加剂的掺量进行设计，优
化平衡了环氧树脂灌浆材料的黏度和力学性能，满足了混凝
土裂缝修补材料的需求。范兆荣等口 以腰果酚、甲醛和TE—
TA为原料合成了一种新型环氧固化剂，并以此为基础开发
了一种可在低温潮湿环境下固化的环氧灌浆材料，使环氧灌
浆材料有了更广阔的应用范围。针对目前市面上使用的环
氧灌浆修补材料的性能缺陷，龙勇_2 使用耐热性好、分子链
柔顺的有机硅树脂对其进行改性，有效提升了环氧灌浆材料
的力学性能、耐热性和耐老化性。在今后的研究中，应重点
关注环氧树脂的耐久性和水下施工性口 。
1．4 丙烯酸酯类防护材料
丙烯酸酯类涂料是以丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯单体为
基料，通过加聚反应或与其他单体共聚而得，具有良好的耐
腐蚀性、耐候性、保光性和常温白干的特点，主要分为热塑性
和热固性两大类[2 。其中，将丙烯酸酯的水分散体称为纯丙
乳液，加入水泥砂浆后成为丙乳砂浆。该砂浆具有优异的防
水抗渗和耐老化，适用于钢筋混凝土结构的防渗、防腐护面
和修补，并在峡口水库_2 、庙子头水电站l2。 等众多水工建筑
物加固工程中得到成功应用_2 。
然而，丙烯酸酯涂料也存在着耐高温性差、高温易回粘、
低温涂膜发脆等缺陷。为了更好地推广丙烯酸酯涂料的应
用，丙烯酸树脂的改性逐渐成为近年来的研究热点，其中有
机硅树脂是目前研究最多的改性材料之一。有机硅树脂表
面能较低，不易积尘，具有耐沾污性，但常温下硅氧烷缩聚反
应速度缓慢，不易成膜。如有机硅改性丙烯酸树脂(硅丙)乳
液既具有有机硅树脂的耐热性、耐候性、抗沾污性和耐紫外
光等性能，又具有丙烯酸树脂的优良柔韧性、高附着性等性
能，作为混凝土表面涂层材料能提高其防渗性能和抗生物污
染性能_2 。但由于有机硅表面能和力学性能均较低，故其与
丙烯酸树脂改性复合制得的硅丙乳液与混凝土的粘接强度
和自身力学性能均有所下降。除有机硅外，有机氟[3o3、环氧
树脂l3 、聚氨酯l3 ]以及纳米复合材料_3胡等对丙烯酸涂料的
改性也有相关研究报道，改性后的丙烯酸酯类涂料多具有较
好的力学性能、附着力、保光保色性、抗污自洁性以及耐候性
等。科研工作者还需对丙烯酸酯综合改性继续深入研究，使
丙烯酸酯类涂料向着水性、高性能、低成本、环保的方向发
展 。
1．5 聚氨酯类防护涂层
聚氨酯涂料即聚氨基甲酸酯涂料，是由多异氰酸酯和多
元醇组分通过逐步聚合反应而成。聚氨酯常作为成膜物质
来合成防护涂料，应用于装饰和防腐领域口 。聚氨酯涂料具
有较好的耐磨性和抗冲击性，涂层柔软并有弹性，可用于很
薄的涂层；聚氨酯涂料的另一大优点是具有较低的热导率和
吸水率，同时与混凝土有良好的粘接性，已作为大坝混凝土
保温保湿材料应用于多项水利工程，为大坝混凝土的劣化防
护措施提供了新的途径口 。
然而，聚氨酯涂料中含有不饱和芳烃基团，多数聚氨酯
涂层都存在耐候性方面的不足，尤其抗紫外老化性差，遇水、
热、碱易水解[373。将含氟基团引入到聚氨酯当中，可弥补聚
氨酯在耐候性方面的不足，获得兼具耐候性、耐磨蚀性、耐化
学药品性和力学性能等优点的含氟聚氨酯材料，可用作于一
些气蚀现象严重的水下过流部件的防护涂层[3 。随着技术
的不断进步和相关产品的不断丰富，高性能、低氟含量且兼

水工混凝土大坝表面防护涂层材料研究进展／王媛怡等 · 85 ·
Chinese)
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