海洋环境下单组分碱激发涂层防腐性能的研究
(1. 石家庄铁道大学材料科学与工程学院, 石家庄 050043
2. 石家庄铁道大学土木工程学院, 石家庄 050043)
摘要: 涂层防护是提升海洋工程结构耐久性最有效的手段之一。为了解决海洋环境中钢筋混凝土结构的腐蚀问题, 特别是在飞溅区, 本研究开发了一种新型的单组分碱活化防腐涂料。该涂料以粒状高炉渣、粉煤灰、偏高岭土、赤泥为前驱体, 配以固体碱活化剂。为克服传统碱活化材料脆性高、亲水性强、使用不便等缺点, 采用苯乙烯-丙烯酸乳液、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯醇纤维和海泡石对涂层进行协同改性。通过对疏水性、硬度、结合强度的测试, 选择最佳配比。随后, 通过模拟海洋环境的加速腐蚀试验评估了该涂层的防腐性能, 并将开发的涂层与环氧涂层、水泥基涂层和双组分碱活化涂层进行了比较。并采用扫描电镜和能谱分析腐蚀前后的组分变化。结果表明, 优化后的涂层具有优异的综合性能, 达到超疏水状态, 水接触角达到160°, 结合强度提高到2. 65MPa。在经历45个干湿循环后, 涂覆在混凝土及钢筋表面的单组分碱激发涂层均未出现明显的剥落和锈蚀, 形态完整, 且氯离子渗透深度仅为4. 2mm, 低于环氧树脂涂层 (5. 1mm) 和水泥基涂层 (6. 7mm) , 但高于双组分碱激发涂层 (3. 5mm) 。微观结构分析显示, 双组分碱激发涂层和单组分碱激发涂层界面致密、缺陷少, 表现出优异的抗氯离子侵入能力与耐干湿循环腐蚀性能。尽管后者的耐腐蚀性能在一定程度上低于前者, 但其施工简便、成本低、工期短, 应用潜力巨大。总的来说, 单组分碱激发涂层可为海洋工程防护的绿色和功能化提供新的技术路径, 具有良好的工程应用前景。
关键词: 海洋工程, 干湿循环, 单组分碱激发剂, 涂层, 改性, 防腐性
引用格式: 孙雅茹, 杨世界, 孔令旭, 等. 海洋环境下单组分碱激发涂层防腐性能的研究[J]. 工程材料与结构, 2026, 5(1): 5-15.
文章类型: 研究性论文
收稿日期: 2025-12-25
接收日期: 2025-12-30
出版日期: 2026-03-28
1 引言
在我国的海港码头中，高达80%以上的设施存在不同程度的钢筋锈蚀问题，其中部分钢筋混凝土结构在短短不到十年的服务期内就出现了严重的腐蚀现象[1]。据估算，我国全年由于各种腐蚀所造成的总经济损失达到惊人的2.1万亿元人民币，其中海洋环境腐蚀所带来的经济损失占比全球GDP的3.34%，即达7000亿元之多[2]。
目前，海洋工程结构的防护主要依赖于有机涂层与无机涂层两大类。尽管有机涂层施工简便、附着良好，但在紫外、湿热与盐雾等严苛环境下易老化、粉化，需频繁维护。无机涂层如无机石膏涂层和水泥基涂层，虽具有较好的耐候性与化学稳定性，但仍存在固化条件苛刻、脆性大、环境负荷高等局限[3]。因此，开发一种兼具优异耐久性、良好施工性与环境友好性的新型防护涂层，成为海洋工程材料领域的迫切需求。
碱激发材料作为一种新型绿色胶凝材料，以其低能耗、低排放、高耐化学腐蚀等优点受到广泛关注。Zhang等[4]在其研究中明确表明即使在海水等高度侵蚀性的环境中，地聚合物涂层(GPC)也比常用的有机聚合物涂层更耐用。María等[5]使用氢氧化钠和水玻璃为激发剂，前驱体为粉煤灰(FA)和偏高岭土(MK)组合而成的混合型碱激发砂浆(AAM)作为钢筋混凝土氯离子腐蚀防护涂层，发现与未涂覆涂层的混凝土相比，AAM的腐蚀率降低了90%左右。Zhang等[6]从凝结时间、渗透性、防腐性、黏结强度和体积稳定性等5个基本性能评价了地聚合物作为新型无机涂料用于海洋混凝土防护的可能性，认为其有良好的防腐性能。然而，传统碱激发材料常存在收缩大、脆性高、黏结性能不足等问题，限制了其在防护涂层中的应用[4-8]。近年来，通过掺入功能性外加剂对碱激发体系进行改性，成为提升其综合性能的重要途径。但目前多数研究集中于双组分体系，其现场施工复杂、贮存稳定性差[8-11]。而单组分碱激发涂层的研究仍较为缺乏，尤其是在针对海洋浪花飞溅区多重腐蚀耦合环境的系统性能评价方面尚显不足。
本文针对上述问题，以粉煤灰、矿渣和偏高岭土为主要硅铝源，赤泥与无水偏硅酸钠复配作为单组分激发剂，通过引入苯丙乳液(SAE)、硅烷偶联剂(SCA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚乙烯醇纤维(PVA)及海泡石(SEP)等多种功能组分，系统设计并制备了一系列改性单组分碱激发涂层。通过测试其水接触角、硬度、黏结强度、表干和实干时间等基本性能，筛选出最优配比(SC-1)，并进一步模拟浪花飞溅区干湿循环-海水耦合环境，系统评价其与环氧涂层(EC)、水泥基涂层(CC)及双组分碱激发涂层(DC-1)在防腐性能、氯离子渗透深度、微观结构演变等方面的差异。
2 材料和方法
2.1 原材料
F类粉煤灰(FA)、S95级高炉矿渣(GBFS)和偏高岭土(MK)为硅铝酸盐原料，其密度和比表面积分别为2100kg/m3和326m2/kg，2900kg/m3和388m2/kg以及2970kg/m3和407m2/kg。单组分碱激发剂由无水偏硅酸钠和赤泥(RM)复配。采用粒径0.3mm的铁尾矿细沙(TP)作为细骨料以防止涂层开裂。随后使用了聚二甲基硅氧烷(PDMS，黏度为2000Mpa·s)改善涂层结构的疏水性能，苯丙乳液(SAE，黏度为3000mpa·s)提高涂层与基材之间的黏结力，硅烷偶联剂(SCA，密度为1.05~1.09g/mL)作为有机-无机黏结的“桥梁”，聚乙烯醇纤维(PVA，长度为3mm)增强涂层结构韧性以及海泡石(SEP，长度为1.5mm)防止氯离子渗透。通过X射线荧光(XRF)、激光粒度分析仪与扫描电子显微镜(SEM)表征原料的理化性能，见表1和图1、图2。图1表明FA、GBFS、MK和RM的中值粒径分别为8.69μm、3.05μm、1.16μm和3.20μm。图2的SEM结果显示GBFS有较为粗糙的表面。
表1 原料的氧化物含量(wt%)
Table 1 Oxide content of raw materials(wt%)
|
材料 |
CaO |
SiO2 |
Al2O3 |
MgO |
Fe2O3 |
K2O |
Na2O |
SO3 |
TiO2 |
MnO |
|
偏高岭土 |
0.36 |
52.7 |
44.5 |
— |
0.54 |
0.22 |
0.22 |
0.22 |
1.07 |
— |
|
矿渣 |
36.4 |
35.00 |
15.30 |
8.85 |
0.29 |
0.36 |
0.35 |
2.38 |
0.52 |
— |
|
粉煤灰 |
3.15 |
55.50 |
30.70 |
0.74 |
4.66 |
1.52 |
0.59 |
1.51 |
1.19 |
— |
|
赤泥 |
37.00 |
31.30 |
11.70 |
3.39 |
8.72 |
0.98 |
1.21 |
2.17 |
2.70 |
— |
|
铁尾矿 |
3.46 |
71.6 |
6.62 |
5.15 |
10.63 |
3.27 |
0.78 |
0.27 |
0.19 |
0.22 |
图1 原料的粒径分布
Fig.1 Particle size distribution of raw materials
图2 原料的微观形貌
Fig.2 Microscopic morphology of raw materials
2.2 样品制备
由于GBFS脆性大，FA和MK的掺入可缓解其开裂问题。首先将GBFS、MK、FA、RM、无水偏硅酸钠、纤维以及铁尾矿干燥混合30 s，随后加入水和乳液搅拌形成涂层浆料。前期的工作已从凝结时间、工作性能以及抗压强度确定单组分碱激发剂中RM与无水偏硅酸钠最佳配比为3∶7，GBFS∶FA∶MK为8∶1∶1，水胶比为0.45，胶砂比为3.3。此外，采用市售商业型环氧树脂材料制备了环氧涂层(EC，漆固比为9∶1)、水泥材料制备了水泥基涂层(CC，水胶比为0.35)，以及水玻璃和NaOH溶液复配的双组分碱激发涂层(DC-1)作为对比涂层组。有关碱激发涂层结构设计的配合比见表2。
选用尺寸为100mm×100mm×3mm的低碳钢作为涂层黏结强度测试基材，在此之前，钢板用600、800和1200级砂纸打磨，再用丙酮和蒸馏水清洗处理。选用钢筋混凝土作为涂层防腐性能测试以及微观形貌测试的基材。对符合GB 175—2023的普通硅酸盐水泥，细骨料为河砂，石灰石为粗骨料，砂率为0.44，水胶比为0.47混合制备混凝土，其28d龄期的抗压强度为45MPa。将直径12mm的螺纹钢筋嵌入混凝土中，之后将涂层浆料涂覆其钢筋和混凝土表面，厚度约1000μm，并在温度为21±3℃和湿度为65±5%的环境中养护。
表2 碱激发涂层配合比(g)
Table 2 Mix proportion of alkali-activated coating(g)
|
编号 |
GBFS |
FA |
MK |
RM |
Na2SiO3 |
NaOH |
SAE |
SCA |
PDMS |
PVA |
SEP |
|
SC-0 |
80 |
10 |
10 |
3 |
7 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
|
SC-3 |
80 |
10 |
10 |
3 |
7 |
— |
3 |
— |
— |
— |
— |
|
SC-4 |
80 |
10 |
10 |
3 |
7 |
— |
3 |
1 |
— |
— |
— |
|
SC-5 |
80 |
10 |
10 |
3 |
7 |
— |
3 |
1 |
1 |
— |
— |
|
SC-6 |
80 |
10 |
10 |
3 |
7 |
— |
3 |
1 |
1 |
0.5 |
— |
|
SC-7 |
80 |
10 |
10 |
3 |
7 |
— |
3 |
1 |
1 |
— |
5 |
|
SC-1 |
80 |
10 |
10 |
3 |
7 |
— |
3 |
1 |
1 |
0.5 |
5 |
|
DC-1 |
80 |
10 |
10 |
— |
(38.13) |
6.2 |
3 |
1 |
1 |
0.5 |
5 |
注:Na2SiO3 有水玻璃和无水偏硅酸钠两种，()中表示水玻璃，模数为3.25，NaOH溶液为10mol/L
2.3 涂层基本性能
参照《GB/T 30447—2013》测试单组分碱激发涂层水接触角，取接触角测试采用座滴法。为确保测试结果能完全代表乳胶膜的表观形态，样品应至少选取五个不同的点测试，取其平均值作为最终水接触角;参照国标(GB/T 6739—2022)使用铅笔硬度法测定单组分碱激发涂层硬度，等级从低到高分别为6B-6H;参照国标(GB/T 1728—2020)测定单组分碱激发涂层的表干时间和实干时间，表干时间以手指轻按涂层表面，无粘涂料的时间为指标，实干时间为滤纸在涂层表面能够自由落下的时间;参照国标(GB/T 5210—2019)采用拉开发测试单组分碱激发涂层与钢板之间的附着力，选取至少5个点位取平均值;以及国标(GB/T 1733-93)测定单组分碱激发涂层的耐水性，观察试样表面在浸泡指定时间后是否出现气泡、生锈侵蚀、颜色变化，通过以上涂层基本性能测试结果，筛选最佳改性组进行后续测试。
2.4 防腐性能
通过对涂层性能基本测试指标的结果分析，筛选出综合性能较优的单组分碱激发涂层设计配比。随后模拟海洋环境中的浪花飞溅区[11]，以评估单组分碱激发涂层与EC、CC以及DC-1耐腐蚀性差异。本试验以0.46mol/L的NaCl、0.05mol/L的MgCl2以及0.028mol/L的Na2SO4溶液配制盐溶液，以干湿循环试验模拟海洋环境中的浪花飞溅区。其具体操作:将涂层基材在盐溶液中浸泡36h后放置在60℃的烘箱中干燥12h，2d为一个循环，7d更换一次盐溶液以保证浓度。通过45个循环周期测试，评估了不同类型涂层的钢筋混凝土构件在模拟海洋浪溅区下的腐蚀形貌。并同步对其质量变化进行监测，每4个循环称量质量，测试精度为±0.01g，质量测试结果见公式(1)。
(1)
式中，Δm为混凝土试件的质量损失(%);m1和m2分别为暴露前后试件的质量。
2.5 微观结构分析
利于配备能谱分析仪(EDS)的扫描电子显微镜(SEM)，在加速电压20kV下，以不同的放大倍数，观察了涂层与基材之间的界面过渡区，以及各组涂层腐蚀前后的微观形貌。同时，采用EDS对界面进行线性扫描分析其涂层腐蚀深度，以表明涂层在模拟环境下的腐蚀性能。
3 结果与讨论
3.1 涂层基本性能分析
为筛选单组分碱激发涂层的最优配比，采用疏水性(水接触角)、硬度、黏结强度及干燥时间对各组样品进行对比(表3)。未改性SC-0水接触角<90°，表面亲水且阻水能力有限;加入SAE后(SC-3)接触角提升至95°，进一步加入SCA后(SC-4)增至98°，提升幅度较小。引入PDMS后(SC-5)接触角跃升至156°，表明PDMS是疏水性提升的主控因素;继续加入PVA与SEP后(SC-6~SC-1)接触角稳定在158°~160°，说明在PDMS形成低表面能基础上其增益有限。硬度方面，SC-0为5H，加入SAE/SCA后(SC-3、SC-4)提升至6H;掺PVA与SEP后(SC-6、SC-7、SC-1)提高至>6H，有利于提高涂层抗冲击与抗裂稳定性。黏结强度随改性组分逐步增加而持续提升:SC-0为1.69MPa，SC-3为2.23MPa，最终SC-1达2.65MPa，较SC-0提高0.96MPa(约56.8%)，表明SAE及协同改性显著增强界面结合并降低剥离风险。干燥性能方面，SC-0表干和实干时间分别为0.52h、1.41h，改性后各组表干时间≤1.0h、实干时间≤2h，施工固化效率保持良好。综合疏水性、硬度与黏结强度，SC-1表现最佳，故选其作为后续耐腐蚀试验样品。
表3 涂层基本性能测试结果
Table 3 Basic performance test results of coatings
|
编号 |
水接触角 |
硬度等级(H) |
黏结强度(MPa) |
表干时间(h) |
实干时间(h) |
|
SC-0 |
<90° |
5 |
1.69 |
0.52 |
1.41 |
|
SC-3 |
95° |
6 |
2.23 |
≤1.0 |
≤2 |
|
SC-4 |
98° |
6 |
2.35 |
≤1.0 |
≤2 |
|
SC-5 |
156° |
6 |
2.42 |
≤1.0 |
≤2 |
|
SC-6 |
158° |
>6 |
2.51 |
≤1.0 |
≤2 |
|
SC-7 |
158° |
>6 |
2.58 |
≤1.0 |
≤2 |
|
SC-1 |
160° |
>6 |
2.65 |
≤1.0 |
≤2 |
3.2 涂层在干湿循环-海水下腐蚀形貌
图3显示了涂层防护钢筋混凝土在暴露于“浪溅区”45个周期下的腐蚀形貌。从底部的钢筋基材看，EC涂层防护下的样品呈现明显的锈蚀产物，单组分碱激发涂层和双组分碱激发涂层锈蚀量较少。并且未改性的SC-0涂层表面较SC-1表面的锈蚀痕迹更为显著。这表明了SC-1具有良好的抗氯化物渗透性能。此外，从混凝土基材的涂层表面也发现相同的变化规律。其中CC和SC-0在模拟浪溅区的环境下出现不同程度的剥落，而DC-1和SC-1涂层粘附良好，基本无剥落现象发生。并且经表观形貌判断，SC-1的防腐性能要优于DC-1。为进一步证明单组分碱激发SC-1具备出色的防腐性能，对不同组分涂层在模拟浪溅区下的质量损失率进行计算，以具体评估SC-1的防腐性能。
3.3 质量损失
图4所示以混凝土为基材的涂层在干湿循环-海水耦合过程中的质量变化率曲线，该试验通过每隔四个循环周期对各组试样进行一次测量，并与初始质量对比以揭示各涂层体系在浪溅区防护性能上的差异。因经历45个循环后腐蚀程度严重，故选用32个干湿循环周期进行测试。其中涂覆EC涂层的混凝土样品有明显的质量上升趋势，最终在第32个周期时质量增长率达到2.25%。这可能是由于氯离子穿透了环氧涂层到达混凝土底部的钢筋表面，在反复的干湿交替过程中，氯离子与氧气、二氧化碳共同作用形成了强腐蚀性的介质，破坏了钢筋原有的钝化膜。由于锈蚀反应生成了大量的锈蚀产物，导致试件总体质量逐渐上升，反映了该涂层材料对于长期抗氯离子渗透和防腐效果的局限性[12,13]。相比之下，CC与SC-0的质量变化曲线呈现出典型的“先增后减”特征，表明涂层发生了严重的剥落。具体而言，CC样品在第8个循环即达到质量增长峰值，为1.26%，随后迅速下降;SC-0样品略有延迟，在第12个循环达到峰值(约1.25%)。这表明初期水分与盐分侵入导致质量短暂增加，但随着盐结晶膨胀压力超过涂层与基材的黏结力，涂层开始大面积开裂脱落。至最终测试结束时，CC与SC-0组的质量损失率分别跌至-1.35% 和-1.42%，说明未改性的无机涂层脆性大，无法适应干湿循环产生的内应力。
图3 不同类型涂层的钢筋混凝土在腐蚀前后的表观形貌
Fig.3 Apparent morphology of reinforced concrete with different types of coatings before and after corrosion
此外，经过改性的单组分碱激发涂层(SC-1)表现出了显著优于SC-0的稳定性。得益于PDMS提供的疏水效应及PVA纤维的增韧作用，SC-1有效地延缓了腐蚀介质的侵蚀和涂层的开裂。数据显示，SC-1的质量增长阶段持续到了第20个循环达到峰值(1.23%)，相比SC-0组延长了8个周期的防护时间。经24个循环之后，SC-1组的质量显著下滑，这说明即使涂层经过改性，仍存在部分剥落或失效的可能。相反，DC-1组的质量变化曲线变化较为平缓，说明其完整性得到了较好的保持，有更好的耐久性和防腐效能。不同的涂层体系在应对干湿循环-海水耦合造成的腐蚀时有着不同的显著表现。尽管单组分碱激发涂层此时的防腐能力还略微存在一定不足，但从施工工艺、成本以及工期来看，SC-1较DC-1的应用潜力更大。
图4 不同涂层类型的钢筋混凝土在腐蚀前后的质量变化
Fig.4 Mass changes of reinforced concrete with different types of coatings before and after corrosion
3.4 腐蚀深度
为了评估各组涂层在海洋环境下的防腐性能，采用EDS进行线性扫描分析，如图5所示。将涂有不同涂料的钢筋混凝土样品置于干湿循环试验中加速老化处理后，取样和烘干处理。通过EDS线性扫描技术，测量氯(Cl)元素在混凝土内部的分布情况。当Cl元素含量从表面逐渐向内减弱至接近零时，所对应的深度即定义为氯离子穿透涂层进入混凝土内部的腐蚀深度。各组涂层按照抑制氯离子渗透导致的腐蚀深度由小到大排序如下:DC-1<SC-1<EC<SC-0<CC。DC-1涂层表现出最佳的防腐性能，氯离子穿透深度仅为3.5mm，这表明了其阻止氯离子扩散至混凝土内部有着效果显著。其次是SC-1的氯离子穿透深度为4.2mm。相反，CC涂层在抗氯化物侵蚀方面效果不佳，CC涂层的穿透深度最大，达6.7mm。虽然SC-1涂层的腐蚀深度是DC-1的1.2倍，但与EC涂层相比，其腐蚀深度减少了约1mm，这意味着经过改性的单组分碱激发涂层在防腐性能上已超越了一般应用广泛的有机环氧涂层。这一结论对于指导和优化海洋环境下混凝土结构保护层的选择具有重要意义，特别是对于需要长期服役于海洋工程结构来说，选用合适的涂层材料可以显著延长其使用寿命和降低维护成本。
图5 不同涂层类型的钢筋混凝土在腐蚀环境下的氯离子扩散深度
Fig.5 Chloride ion diffusion depth of reinforced concrete with different coating types in corrosive environments
3.5 微观形貌
针对模拟浪溅区环境下钢筋-涂层-混凝土的界面过渡区(ITZ)及其涂层经干湿循环-海水耦合下腐蚀后的微观结构变化进行了观察，如图6所示。在经历反复干湿交替作用的模拟海水条件下，EC涂层钢筋与混凝土之间的黏结性显著降低。尽管其本身致密，但SEM照片显示其与混凝土基材之间出现了明显的界面剥离现象，周围呈现较多孔隙，这些孔隙直接导致了基础材料本身的结构破坏，形成了宽阔的缝隙[14]。这种界面缺陷解释了3.4节中观察到的较深氯离子渗透(5.1mm)。出现了明显的分离现象。CC涂层和SC-0涂层与基体表面存在明显的界面和孔隙，通过放大1000倍的SEM图显示内部已有裂纹形成。这种多孔且开裂的微观结构无法有效阻挡氯离子的侵入，导致CC组出现了最大的腐蚀深度(6.7mm)。值得注意的是，改性后的SC-1涂层呈现出与其前体SC-0截然不同的微观形貌。这得益于SAE的黏结增强与PVA纤维的桥接作用，SC-1的内部结构更为致密，微裂纹显著减少，界面结合紧密。这种致密的微观屏障有效切断了氯离子的扩散路径，将其渗透深度限制在4.2mm(明显优于EC和CC)。而SC-1和DC-1涂层经腐蚀后依然保持着较好的结合状态，尤其是DC-1涂层表现出最优的界面结合，表面呈现平整光滑的状态。尽管SC-1的微观致密程度略微低于DC-1，但相比于未改性组和传统涂层已呈现较好的性能表现，这进一步证实了单组分碱激发涂层通过改性优化微观孔隙结构，从而提升宏观防腐性能的有效性。
图6 不同涂层类型的钢筋混凝土在腐蚀环境下的微观形貌
Fig.6 Microscopic morphology of reinforced concrete with different coating types under corrosive environments
4 结论
本研究模拟了海洋建筑结构腐蚀最严重的浪花飞溅区，对改性后最优的单组分碱激发涂层样品进行耐腐蚀测试。并对比了环氧涂层、水泥涂层以及双组分碱激发涂层之间的抗氯化物侵蚀性能。此外，还利用微观测试评价了不同涂层作用于基材的界面形貌，结论主要如下:
(1)SAE、PDMS及PVA纤维的协同改性显著解决了单组分碱激发涂层脆性大、亲水性强的问题。最优组SC-1的水接触角提升至160°，黏结强度增至2.65MPa。
(2)在干湿循环-海水耦合作用下，SC-1克服了普通无机涂层(CC、SC-0)易剥落及有机涂层(EC)易锈胀的缺陷，表现出优异的结构稳定性。其质量损失峰值延后至第20周期时，氯离子渗透深度仅为4.2mm，显著低于环氧涂层(5.1mm)及水泥基涂层(6.7mm)，展现出卓越的阻锈能力。
(3)SC-1与DC-1涂层经长期腐蚀后仍保持致密的微观结构与完整的界面结合，与EC、SC-0及CC涂层相比，未出现大量孔隙或微裂纹。尽管SC-1的极限耐腐蚀性能略低于DC-1，但考虑到单组分体系在施工便捷性、储存稳定性及成本控制方面的显著优势，SC-1在海洋工程防护领域具有更广阔的工程应用潜力。
利益冲突: 作者声明没有利益冲突。
[②] *通讯作者 Corresponding author:孔丽娟，klj@stdu.edu.cn
收稿日期:2025-12-25; 录用日期:2025-12-30; 发表日期:2026-03-28
基金项目:本研究得到了河北省自然科学基金(资助号E2025210180)的资助。
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Study on the Anti-Corrosion Performance of a Single-Component Alkali-Activated Coating in Marine Environments
(1. School of Materials Science and Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China
2. School of Civil Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China)
Abstract: Coating protection is one of the most effective approaches to enhance the durability of marine engineering structures. To address the corrosion of reinforced concrete structures in marine environments, particularly in the splash zone, this study developed a novel single-component alkali-activated anti-corrosion coating. The coating was formulated using granulated blast furnace slag, fly ash, metakaolin, and red mud as precursors, along with a solid alkali activator. To overcome the drawbacks of traditional alkali-activated materials—such as high brittleness, strong hydrophilicity, and inconvenient application—the coating was synergistically modified with styrene-acrylic emulsion, polydimethylsiloxane, polyvinyl alcohol fibers, and sepiolite. The optimal formulation was determined through testing of hydrophobicity, hardness, and bond strength. Subsequently, the anti-corrosion performance of the coating was assessed through accelerated corrosion tests simulating marine environments, and the developed coating was further compared with epoxy coatings, cement-based coatings, and two-component alkali-activated coatings. Scanning electron microscopy and energy-dispersive spectroscopy was employed to analyze compositional changes before and after corrosion. The results indicate that the optimized coating exhibits excellent comprehensive performance, achieving a superhydrophobic state with a water contact angle of up to 160° and a bond strength of 2. 65MPa. After 45 dry-wet cycles, the single-component alkali-activated coating applied to both concrete and reinforcing steel surfaces showed no significant peeling or corrosion, maintaining its integrity. The chloride ion penetration depth was only 4. 2mm, which is lower than that of epoxy coatings (5. 1mm) and cement-based coatings (6. 7mm) , but higher than that of two-component alkali-activated coatings (3. 5 mm) . Microstructural analyses reveal that both single-component and two-component alkali-activated coatings possess dense interfaces with few defects, resulting in superior resistance to chloride ingress and dry-wet cyclic corrosion. Although the corrosion resistance of the single-component coating is somewhat lower than that of the two-component coating, its advantages in terms of simple application, low cost, and short construction period highlight its significant application potential. Overall, the single-component alkali-activated coating provides a new technical pathway for the green and functional protection of marine engineering and demonstrates considerable prospects for engineering applications.
Keywords: Marine engineering, dry-wet cycle, single-component alkali activator, coating, modification, anticorrosion performance
Citation: SUN Yaru, YANG Shijie, KONG Lingxu, et al. Study on the anti-corrosion performance of a single- component alkali-activated coating in marine environments[J]. Engineering Materials and Structures 2026, 5(1): 5-15.