李 悅，辜中偉

（北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)教育部重點實驗室；工程抗震與結(jié)構(gòu)診治北京市重點實驗室，北京100124）

混凝土中的鋼筋銹蝕是造成混凝土結(jié)構(gòu)耐久性損傷的最重要因素之一［1－2］。在一般情況下，混凝土開裂以前，鋼筋銹蝕量較小。然而一旦混凝土保護層開裂，鋼筋銹蝕速度顯著加快［3－4］。鋼筋銹蝕影響混凝土結(jié)構(gòu)的服務(wù)年限，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：第一，鋼筋表明形成的銹蝕產(chǎn)物使附近的混凝土產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力導(dǎo)致混凝土開裂，裂縫的形成進一步降低了混凝土的強度，并且使鋼筋受到外界銹蝕環(huán)境的影響從而進一步擴展了裂縫［5］；第二，銹蝕產(chǎn)物的孔隙度比較大，強度比較低［6］，減弱了鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)性能從而影響了結(jié)構(gòu)的正常使用。隨著鋼筋銹蝕加劇，裂縫擴展使混凝土剝落，鋼筋外露，嚴(yán)重影響鋼筋混凝土的耐久性，甚至危害結(jié)構(gòu)的安全［7－8］。

因此，如果鋼筋混凝土銹蝕到已不能再滿足結(jié)構(gòu)的正常使用要求時，必須采用必要的防護和修復(fù)技術(shù)。目前的研究多集中于鋼筋混凝土中鋼筋的阻銹技術(shù)和阻銹劑［9－10］的研發(fā)，也有少數(shù)針對破損混凝土的修復(fù)技術(shù)的研究，如表面修補法、灌漿法、填充密封法、加固補強法、自修復(fù)法等［11－12］。上述修補方法，雖然都能很好地恢復(fù)甚至于提高鋼筋混凝土構(gòu)件的承載能力，但是存在韌性普遍降低、耐久性未改善等問題。因此，如何選擇最佳修補方法提高混凝土結(jié)構(gòu)開裂后的耐久性至關(guān)重要。此試驗針對同一類型破損構(gòu)件采用6種不同的修補方法進行了修補加固，并采用線性極化法［13－15］評估了修補后構(gòu)件的鋼筋銹蝕性能，比較上述6種修補方法的有效性。

1 試驗原材料與方法

1.1 原材料

1.1.1 制備鋼筋混凝土梁的材料 膠凝材料采用P.O 32.5普通硅酸鹽水泥，3d和28d抗壓強度分別為15.2MPa和36.5MPa，密度3.1g／cm3；細集料采用河砂，表觀密度2 650kg／m3，細度模數(shù)為2.8；粗集料采用5～20mm連續(xù)級配碎石，表觀密度2 700kg／m3；減水劑采用萘系固體高效減水劑，減水率為20%，摻量為水泥質(zhì)量的0.6%。

1.1.2 混凝土梁破損試驗后采用如下材料進行修補

1）P·O 42.5普通硅酸鹽水泥：3d和28d抗壓強度分別為20.3MPa和48.4MPa，密度3.1g／cm3；細集料采用中國ISO標(biāo)準(zhǔn)砂，符合GB／T 17671－1999標(biāo)準(zhǔn)，最大粒徑為5mm。

2）C40豆石集料普通混凝土：豆石粒徑范圍為5～10mm，新拌混凝土坍落度為10cm，28d抗壓強度為45.5MPa。

3）低黏度型環(huán)氧樹脂灌漿材料：A、B雙組分商品灌漿材料，A組分是以環(huán)氧樹脂為主的體系，B組分為固化體系，漿體密度1.0，初始黏度26MPa·s可操作時間35min，抗壓強度55MPa，干粘結(jié)強度3.5MPa。

4）環(huán)氧砂漿，成分為低黏度型環(huán)氧樹脂灌漿材料與標(biāo)準(zhǔn)砂，3d抗壓強度和抗折強度分別為36MPa和38.5MPa。

5）水泥基修補砂漿：主要成分為高鋁水泥、砂、膠粉等，初凝和終凝時間分別為41min和52min，7d抗壓和抗折強度分別為58.9MPa和9.9MPa，1d基面粘結(jié)強度1.99MPa。

6）界面劑：其主要成分為醋酸乙烯 乙烯，14d剪切粘貼強度1.76MPa。

7）水泥基滲透結(jié)晶型防水材料為自行研究，主要成分為高效減水劑、早強劑、活性陰離子、催化劑、水泥和石英砂等，外觀為灰色粉末，密度為2 000～2 100kg／m3。

8）混凝土保護劑選用了有機硅憎水劑。

9）鋅絲選用優(yōu)質(zhì)的0＃純度99.995%，直徑1.0mm。

1.2 試驗方法

普通混凝土的力學(xué)性能檢測參照GB／T 50081－2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法》，混凝土坍落度測試參照GB／T 50080－2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》。

鋼筋銹蝕試驗采用美國阿美特克公司PAR2273儀器對混凝土中的鋼筋銹蝕進行測量，儀器基于線性極化原理。電化學(xué)測試為三電極體系，以飽和甘汞電極為參比電極，Pt電極為輔助電極，儀器掃描速率為1mv／s，掃描電位范圍從－20mv到＋20mv。用相應(yīng)的PowerSuite軟件進行數(shù)據(jù)處理和分析。鋼筋測試連接時，將工作電極連上鋼筋一段，輔助電極連接Pt電極，參比電極連接飽和甘汞電極。

預(yù)制混凝土梁的抗折試驗參照GB／T 50152－2012《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》。試驗采用分級加載。為獲得精確數(shù)據(jù)，在接近開裂荷載、破壞荷載的計算值時，適當(dāng)加密分級。梁開裂前加載的荷載增量為5kN，開裂后加載的荷載增量為10kN。加載設(shè)備采用量程2 000kN的微機控制液壓萬能試驗機，可以很好地保證加荷速度及荷載的穩(wěn)定性。

1.3 混凝土配合比及梁的構(gòu)造

鋼筋混凝土梁所用的素混凝土設(shè)計強度等級為C40，配合比及試驗結(jié)果如表1所示。

表1 素混凝土配合比（kg／m3）及試驗結(jié)果

制作6根鋼筋混凝土構(gòu)件，參數(shù)如下：梁長L＝1 700mm，b×h＝100mm×170mm；配筋采用 HRB335，上部2φ8，下部2φ12；箍筋采用 HPB235，左右各φ8＠200，配筋加載圖見圖1。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 混凝土梁的物理力學(xué)性能

圖1 混凝土配筋及加載示意圖

圖2 梁破損狀態(tài)

根據(jù)梁的配筋形式及鋼筋實測抗拉強度fy＝398MPa，由GB 50010－2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》正截面受彎承載力（公式1）計算得到彎曲荷載為42.3kN；由最大撓度計算公式（2）得到理論最大撓度（表2），其中公式（2）的P值為實測彎曲荷載。然后對預(yù)制鋼筋混凝土梁進行正截面受彎承載力試驗，直至構(gòu)件達到承載能力極限狀態(tài)，失去承壓能力。試驗結(jié)果見表2，梁破損狀態(tài)見圖2。

表2 預(yù)制鋼筋混凝土梁荷載及撓度的計算及試驗結(jié)果

由表2可知，混凝土梁的實際承載力超過計算值，實測撓度小于計算值，均滿足規(guī)范要求。

2.2 破損混凝土梁的修補方案

鋼筋混凝土經(jīng)過受彎承載力試驗后受壓區(qū)混凝土出現(xiàn)部分破碎，受拉區(qū)混凝土出現(xiàn)大小不一的裂縫。因此，首先鑿去破損混凝土并露出鋼筋。當(dāng)裂縫寬度大于0.5mm時，在裂縫表面開槽，然后用高壓水清理混凝土表面，去除混凝土表面的碎片、粉塵（見圖3）。6根梁的具體修補方案見表3。

圖3 梁開槽后的形貌

圖4 L4梁的修補圖

2.3 腐蝕試驗及結(jié)果分析

腐蝕試驗測試采用了線性極化法中的動電位極化方式，測試原理是根據(jù) Stern－Geary方程：Icorr＝B／Rp，B 為 Stern－Geary常數(shù)；Rp為測試的極化電阻，其單位是105Ω·cm2；Icorr為腐蝕電流密度，其單位是μА·cm－2［16］。當(dāng)Rp大于5.2×105Ω·cm2時，認為鋼筋處于鈍化狀態(tài)［17］。

將修復(fù)好的梁置于室溫20±3℃的環(huán)境下灑水養(yǎng)護60d后，將其浸泡在質(zhì)量濃度為5%硫酸鎂溶液中，浸泡1d后進行第1次線性極化測試試驗，測試指標(biāo)包括極化電阻和電流密度，其結(jié)果作為基準(zhǔn)點，此后每隔30d測定一次。各修補梁中鋼筋的極化電阻隨腐蝕時間變化趨勢見圖5。

圖5 各梁中鋼筋的極化電阻隨腐蝕時間變化圖

從圖5可以得出：

1）L1～L6初始鋼筋的極化電阻相差不大，且均大于5.2×105Ω·cm2，表明鋼筋開始處于鈍化狀態(tài)。浸泡30d時，L1的極化電阻降幅最大，L2次之。盡管L1和L2是目前混凝土裂縫修補常用的方法，但其修補材料本身抗侵蝕性或修補材料與基體界面的粘結(jié)效果差，而且寬度d≤0.15mm的裂縫僅采用水灰比為0.36的水泥漿進行表面封閉，導(dǎo)致整體抗硫酸鹽侵蝕性差，腐蝕性溶液迅速進入混凝土內(nèi)部，造成鋼筋快速腐蝕。L4的極化電阻降低幅度最小，其余梁的極化電阻降幅介于L2和L4之間。

2）在浸泡周期30～150d時，L1的極化電阻一直最小，L2的極化電阻略大于L1且降低幅度最大；L4仍然在各組中保持最大，且隨腐蝕時間變化最為平緩。說明L4的修復(fù)措施對于提高構(gòu)件的抗鋼筋銹蝕效果最為明顯。

3）在浸泡150d時，L1、L2的極化電阻僅為0.44及2×105Ω·cm2，遠低于5.2×105Ω·cm2，說明此時L1及L2銹蝕嚴(yán)重。L6和L3的極化電阻分別為5.2及5.36×105Ω·cm2，已經(jīng)接近銹蝕。L4的極化電阻最大為8.16×105Ω·cm2，鋼筋仍處于鈍化狀態(tài)。上述結(jié)果說明L4具有優(yōu)異抗銹蝕的原因，除了修補材料本身及其與基體界面良好的抗腐蝕性之外，鋅網(wǎng)套的犧牲陽極保護法起了重要作用。構(gòu)件表面涂刷水泥基滲透結(jié)晶材料的L5梁和有機硅憎水劑的L6梁在混凝土表面形成了保護層，阻止了硫酸鎂溶液滲入混凝土內(nèi)部造成鋼筋銹蝕，然而由于保護層會緩慢受到外界環(huán)境的影響而破損，其阻止溶液滲透的效果會慢慢減弱，鋼筋仍將發(fā)生緩慢銹蝕。

3 防腐蝕機理及分析

3.1 混凝土的硫酸鹽侵蝕機理

硫酸鹽浸泡150d以后，取L1表面下層2cm左右的混凝土顆粒進行SEM觀察（圖6）。可以看出，混凝土微觀結(jié)構(gòu)相對致密的，但存在一些較小孔洞，且可以清晰看出AFt晶體。將圖6中的A區(qū)放大后，可以看出，大部分的C－S－H凝膠基本上是致密且連續(xù)，但部分C－S－H凝膠變得松散，而且可以觀察到石膏晶體（圖7）。對圖7中X點進行X－射線能譜分析（EDS），發(fā)現(xiàn)Mg和S元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達到了4.3%和3%，說明環(huán)境中的MgSO4已經(jīng)侵入混凝土基體中。

圖6 150d混凝土5 000×SEM圖

圖7 150d混凝土10 000×SEM圖

水泥的水化產(chǎn)物由C－S－H凝膠、Ca（OH）2、鈣礬石（AFt）和AFm等構(gòu)成。環(huán)境中的硫酸根離子侵入到混凝土中會與其水化產(chǎn)物反應(yīng)生成石膏、Mg（OH）2和硅膠等產(chǎn)物。其反應(yīng)的化學(xué)方程式如下：

由于C－S－H凝膠會被硫酸鎂分解，使混凝土強度和粘接性降低，進而導(dǎo)致混凝土極易開裂影響了混凝土的耐久性［18］。上述原因造成采用普通混凝土作為修補材料的抗硫酸鹽侵蝕效果不良。

3.2 環(huán)氧砂漿、水泥基滲透結(jié)晶材料、有機硅防水涂料及陽極保護的作用機理

L2采用環(huán)氧砂漿修補破損部位，由于環(huán)氧砂漿的熱膨脹系數(shù)一般為25～30×10－6／℃，約為混凝土的2.5～3倍。環(huán)氧砂漿在凝固階段會大量放熱，冷卻后產(chǎn)生溫度收縮，同時環(huán)氧砂漿固化后自身體積也會產(chǎn)生固化收縮。上述原因的共同作用導(dǎo)致修補部位特別是環(huán)氧砂漿與混凝土的結(jié)合界面容易產(chǎn)生收縮裂紋，導(dǎo)致侵蝕介質(zhì)滲入構(gòu)件中降低其耐久性。

水泥基滲透結(jié)晶材料以水泥、石英粉等為主要基材，并含有多種活性化學(xué)物質(zhì)，與水反應(yīng)后形成具有防滲透功能的無機型防水層。有機硅防水涂料是以硅橡膠乳及其納米復(fù)合乳液為主要基料，摻入無機填料及各種助劑而制成的水性環(huán)保型防水涂料。兩者都能在混凝土表面形成防水層，具有抗裂、抗?jié)B、防水等功效。但隨著侵蝕溶液的持續(xù)作用，或受外力磕碰等因素的影響，容易造成防水層脫落及破壞，影響了混凝土的耐久性。

陽極保護系統(tǒng)是一種犧牲性保護系統(tǒng)。因為鋅比鐵更為活潑且易于腐蝕，這樣就能保護混凝土中的鋼筋不發(fā)生銹蝕，保證混凝土結(jié)構(gòu)不發(fā)生銹脹開裂，保持了結(jié)構(gòu)的完整性。

4 極化電阻和銹蝕電流密度進行了相關(guān)性分析

試驗同時檢測了各修補混凝土梁在不同浸泡時間下的鋼筋銹蝕電流密度。對各構(gòu)件的極化電阻和銹蝕電流密度進行了相關(guān)性分析，擬合結(jié)果見圖8及下式。

圖8 極化電阻和電流密度的關(guān)系

式中：Rp為極化電阻（105Ω·cm2），Icorr為電流密度（μA·cm－2），公式相關(guān)系數(shù)R2＝0.925。

可以看出，極化電阻和銹蝕電流密度之間存在著明顯的對數(shù)關(guān)系，隨著極化電阻的增加，腐蝕電流會迅速降低。

5 結(jié) 論

采用了6種修補材料及其配套方法對已經(jīng)受彎損傷的鋼筋混凝土梁進行了修補，采用線性極化法評價了上述修補混凝土構(gòu)件在5%硫酸鎂溶液浸泡下鋼筋在不同齡期的銹蝕情況，結(jié)果表明：

1）采用梁L4的修補材料及方法，可使構(gòu)件的極化電阻最大且隨腐蝕時間變化最為平緩，對于提高構(gòu)件鋼筋的抗硫酸鹽侵蝕效果最為明顯。

2）采用梁L1和L2的修補材料及方法，會造成鋼筋隨腐蝕時間的延長極化電阻顯著降低，抗硫酸鹽侵蝕效果不好。

3）在構(gòu)件修補之后涂抹水泥基滲透結(jié)晶材料或有機硅憎水劑能夠在構(gòu)件表面形成保護層，在一定時間內(nèi)有效地防止腐蝕溶液的滲入，但長期效果不明顯。

4）極化電阻和銹蝕電流密度之間存在對數(shù)關(guān)系，通過數(shù)據(jù)擬合得到了極化電阻和電流密度之間的關(guān)系式。

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