徐傳軍

(連云港陽光海灣置業(yè)發(fā)展有限公司，江蘇連云港 222001)

1 港工結(jié)構(gòu)鋼筋腐蝕現(xiàn)狀

在美國，港工結(jié)構(gòu)最普遍的耐久性破壞形式是混凝土中的鋼筋腐蝕，每年總損失高達(dá)60億美元。在英國，根據(jù)運(yùn)輸部門1989年的報告:為解決海洋環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕與防護(hù)問題，每年花費(fèi)近20億英鎊。阿拉伯海灣地區(qū)由于高溫(20℃～50℃)高濕(60%～100%)，大氣中混凝土拌合物骨料和水中氯化物含量高，使得混凝土中鋼筋腐蝕特別嚴(yán)重，混凝土結(jié)構(gòu)的平均使用壽命僅約10年～15年。調(diào)查表明:鋼筋腐蝕是科威特及其他海灣國家混凝土結(jié)構(gòu)破壞的主要原因。我國交通部等有關(guān)單位分別于1963年，1965年，1980年，1996年，針對沿海港口工程混凝土結(jié)構(gòu)破壞狀況組織過四次調(diào)查，調(diào)查結(jié)果指出:80%以上都發(fā)生了嚴(yán)重或較嚴(yán)重的鋼筋腐蝕破壞，有的結(jié)構(gòu)僅5年～10年就出現(xiàn)了鋼筋腐蝕。南京水科院對1980年建成的寧波北侖港10萬t級礦石碼頭進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該碼頭使用不到10年，其上部結(jié)構(gòu)就發(fā)生了嚴(yán)重的鋼筋腐蝕。天津港客運(yùn)碼頭1979年建成，使用不到10年，就發(fā)現(xiàn)前承臺板有50%左右出現(xiàn)鋼筋腐蝕。天津新港從1958年～1985年共建25個碼頭泊位，岸線長達(dá)6 000 m，其結(jié)構(gòu)均為高樁承臺式，使用時間長的有30多年，短的只有5年～6年，在使用過程中不斷發(fā)現(xiàn)梁、板、樁等構(gòu)件有不同程度的損壞，影響碼頭的正常使用。1996年，交通部四航局科研所對1986年后建成的華南地區(qū)的C港和E港的20個泊位進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)E港大部分縱、橫鋼筋的腐蝕年限均不足10年和5年，在碼頭建成5年～6年后即發(fā)現(xiàn)大量腐蝕裂縫。青島理工大學(xué)2000年對青島海港工程的耐久性調(diào)查表明:氯離子滲入引發(fā)鋼筋腐蝕是導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)破壞的主要原因。連云港雜貨一、二碼頭1976年建成，1980年就發(fā)現(xiàn)腐蝕裂縫。2001年河海大學(xué)對連云港西大堤鋼筋混凝土護(hù)欄工程進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查，該工程雖運(yùn)行不足四年，但已出現(xiàn)嚴(yán)重鋼筋腐蝕、保護(hù)層開裂、混凝土剝落和鋼筋銹斷情況。江蘇省水科所對華東84座沿?；炷翐醭遍l進(jìn)行了調(diào)查，鋼筋腐蝕嚴(yán)重需要維修或大修的為71座，其中有些擋潮閘胸墻、啟閉機(jī)工作橋大梁鋼筋已經(jīng)銹斷。

2 港工結(jié)構(gòu)鋼筋腐蝕特點(diǎn)

1)由于港工混凝土結(jié)構(gòu)是處于流動水作用的條件下工作，特別是海水或海洋氣候環(huán)境，使得港工混凝土結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境要比其他建筑物(如工業(yè)與民用建筑物)更為復(fù)雜和嚴(yán)酷，鋼筋腐蝕問題更為突出。2)港工混凝土多為大體積混凝土，水化熱溫升導(dǎo)致溫度裂縫問題比較突出。這些裂縫為氯離子滲透提供快速通道，使得混凝土中鋼筋腐蝕速度加快，鋼筋腐蝕膨脹又促進(jìn)混凝土裂縫擴(kuò)展，最終導(dǎo)致混凝土剝落，鋼筋有效截面積減小。3)東南沿海港工混凝土結(jié)構(gòu)凍融作用不是混凝土破壞的主要原因。碳化進(jìn)展緩慢，相對濕度較高，不利于碳化。綜上所述，從國內(nèi)外對港口工程調(diào)查研究結(jié)果來看，混凝土中鋼筋腐蝕導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的過早破壞，是當(dāng)今影響港口工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的首要原因，鋼筋腐蝕已經(jīng)給國民經(jīng)濟(jì)帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失。這個局面要求我們盡快大力加強(qiáng)已有港口工程結(jié)構(gòu)鋼筋腐蝕維修技術(shù)的研究。

3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析與評價

目前，對腐蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)的方法主要有挖補(bǔ)法和補(bǔ)強(qiáng)加固法。挖補(bǔ)法即將受損的混凝土保護(hù)層清除，對新生面進(jìn)行必要的處理后，采用修補(bǔ)砂漿進(jìn)行修補(bǔ)。補(bǔ)強(qiáng)加固法一般是采用高性能合成材料或鋼筋等材料對構(gòu)件進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。

O.Rio等［1］分別對受壓區(qū)和受拉區(qū)鋼筋腐蝕，并同時考慮配筋率、鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能以及箍筋的損失，對修復(fù)后構(gòu)件彎曲性能的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)受拉區(qū)鋼筋配筋率對梁的延性影響很大，箍筋的損失對構(gòu)件修復(fù)后的使用極限荷載影響不大。S.U.Al-Dulaijan等［2］對除銹方式、修補(bǔ)材料以及腐蝕率對腐蝕鋼筋混凝土梁修補(bǔ)后二次腐蝕和抗彎強(qiáng)度的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明:不同的除銹方式對梁的抗彎承載力沒有顯著的影響，不同的修復(fù)砂漿對梁的抗彎強(qiáng)度也影響不大，而聚合物砂漿和拋丸除銹則能更好地抑制繼續(xù)腐蝕速度。P.R.Vassie［3］研究了鋼筋表面處理方式對修復(fù)后腐蝕的影響，對鋼筋表面局部腐蝕、全面腐蝕以及坑銹三種情況，分別用鋼絲刷除銹、電動刷除銹、拋丸除銹。結(jié)果表明，鋼絲刷除銹、電動刷除銹對鋼筋腐蝕沒有效果，拋丸對坑銹的處理有良好的效果。修復(fù)后構(gòu)件鋼筋表面的清潔程度對其耐久性影響很大。影響腐蝕鋼筋混凝土梁修復(fù)效果的因素很多，包括:鋼筋腐蝕率、配筋率、修復(fù)材料、銹的類型以及鋼筋的除銹方式。但總體來說，挖補(bǔ)修復(fù)是可行的。而Farid Moradi-Marani等［4］在研究碼頭鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕和修復(fù)時，發(fā)現(xiàn)修復(fù)區(qū)的鋼筋未發(fā)生腐蝕，而修復(fù)區(qū)和未修復(fù)區(qū)邊界的鋼筋發(fā)生了腐蝕和收縮裂縫，修復(fù)區(qū)和未修復(fù)區(qū)具有明顯的不相容性。南京水利科學(xué)院的洪定海教授［5］在總結(jié)國外挖補(bǔ)法用于腐蝕鋼筋混凝土構(gòu)件修復(fù)試驗(yàn)以及工程應(yīng)用時提到了同樣的問題，指出進(jìn)行局部修補(bǔ)不能阻止鋼筋繼續(xù)腐蝕，必須將受氯鹽污染的混凝土全部去除。而中國礦業(yè)大學(xué)的姬永升等［6］對腐蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)局部修復(fù)的電化學(xué)不相容性研究表明，修補(bǔ)區(qū)和原混凝土區(qū)的電位差是引起電化學(xué)不相容的根本原因，而采用環(huán)氧樹脂膠泥則可以切斷離子通道，是消除結(jié)構(gòu)局部修復(fù)引起的電化學(xué)不相容的有效辦法。由此可知，如果修復(fù)材料的密實(shí)性足夠好，挖補(bǔ)修復(fù)是可行的。

在腐蝕鋼筋混凝土梁加固方面，A.H.Al-Saidy等［7］通過試驗(yàn)研究了不同腐蝕率下鋼筋混凝土梁用CFRP材料加固后的彎曲性能。結(jié)果表明，加固梁的承載力有了很大提高，是否修復(fù)保護(hù)層或使用U型CFRP對加固腐蝕鋼筋混凝土梁正截面承載力以及延性的影響很大，但文中并未對加固后耐久性問題進(jìn)行研究。Sobhy Masoud［8］對CFRP加固后構(gòu)件的耐久性問題進(jìn)行了研究，得出了CFRP加固后梁鋼筋腐蝕速度比未加固梁腐蝕速度小的結(jié)論，說明CFRP能夠在一定程度上減小鋼筋腐蝕速度。Rania Al-Hammoud［9］則研究了腐蝕鋼筋混凝土梁用CFRP材料加固后的疲勞性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，在錨固區(qū)用U型加固方法使梁的承載力大大提高。胡若鄰［10］通過試驗(yàn)研究了不同層數(shù)的CFRP加固腐蝕鋼筋混凝土梁的效果，發(fā)現(xiàn)在發(fā)生較嚴(yán)重腐蝕時，多層CFRP的加固效果要優(yōu)于單層CFRP的加固效果。但文中沒有研究相應(yīng)腐蝕率下最經(jīng)濟(jì)層數(shù)。

Alfarabi Sharifa等［11］在研究卸載和不卸載對軸心荷載下腐蝕鋼筋混凝土柱修復(fù)效果時，發(fā)現(xiàn)卸載后修復(fù)的鋼筋混凝土柱在重新承受荷載時，修復(fù)區(qū)和原混凝土區(qū)的荷載是通過材料的彈性模量和面積進(jìn)行分配的，而未卸載的情況下，其荷載的分配只在有新荷載增加的情況下才進(jìn)行分配，并且新荷載按材料的彈性模量和面積進(jìn)行分配。S.Soleimania［12］通過數(shù)值模擬技術(shù)模擬了用挖補(bǔ)法修補(bǔ)鋼筋混凝土構(gòu)件后其腐蝕情況，并對照了Barkey’s的試驗(yàn)結(jié)果。模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果相一致:在修補(bǔ)界面附近2 cm～5 cm的原混凝土區(qū)域產(chǎn)生萌生陽極，陽極的電流密度有明顯的峰值，且其大小接近于修補(bǔ)前的電流密度。原混凝土的電阻和修補(bǔ)材料的電阻是影響萌生陽極的重要因素。而修復(fù)的尺寸和保護(hù)層大小并不影響萌生陽極的性質(zhì)。因此，在修補(bǔ)時應(yīng)盡量將受氯離子污染的混凝土全部清除，修補(bǔ)材料宜與原混凝土電阻相當(dāng)，以保證其相容性?？紤]到柱作為最主要的承重構(gòu)件，保證承載力是第一要位的，所以專家學(xué)者將研究的重點(diǎn)放在了加固上。Al-Ain［13］通過試驗(yàn)和理論分析研究了腐蝕鋼筋混凝土柱用CFRP進(jìn)行加固后在壓彎組合作用下的力學(xué)性能。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，完全包裹CFRP加固方法使得柱的偏心率在0.3時，其承載力相對于控制柱最大可提高40%，并且隨著偏心距的增大，提高幅度越小。偏心率為0.3時，部分包裹CFRP柱比完全包裹CFRP柱的承載力小8%，但是承載力提高幅度隨著偏心率的變化并無明顯的變化。C.Lee［14］同樣研究了腐蝕鋼筋混凝土柱用CFRP加固后的承載力性能，同時又對加固后的耐久性做了研究，在二次腐蝕中，通過對腐蝕電位和電流的測量發(fā)現(xiàn)在二次腐蝕，F(xiàn)RP修復(fù)梁要比未修復(fù)梁腐蝕速度小50%。但是，并未對二次腐蝕后柱的承載力進(jìn)行研究。S.P.Tastani［15］對不規(guī)則(菱形)腐蝕柱在修復(fù)后，并二次腐蝕后的性能進(jìn)行了研究。試驗(yàn)采用三種修復(fù)方法:挖補(bǔ)法、FRP加固、兩種方法綜合使用。試驗(yàn)結(jié)果表明，方案三能夠有效地防止構(gòu)件內(nèi)鋼筋繼續(xù)腐蝕，各個方案都使得構(gòu)件的承載力和變形能力有很大的改善，用CFRP加固的柱破壞為脆性破壞，其峰值應(yīng)變和極限應(yīng)變相差不大，并且均小于普通鋼筋混凝土柱用CFRP加固后的應(yīng)變。CFRP的加固效果要優(yōu)于GFRP，因?yàn)槠浼庸毯笱有暂^好。Han-Seung Lee［16］在研究鋼筋混凝土柱用碳纖維布加固后抗剪性能時發(fā)現(xiàn)，用碳纖維布加固腐蝕柱能提高腐蝕柱的延性，限制粘結(jié)滑移裂縫的產(chǎn)生，阻止剪切裂縫的發(fā)展。鄧宗才［17］研究了碳纖維復(fù)合材料用于腐蝕鋼筋混凝土構(gòu)件修復(fù)時的粘結(jié)性能和防腐蝕能力。試驗(yàn)結(jié)果表明，碳纖維復(fù)合材料修復(fù)腐蝕鋼筋混凝土柱能有效阻止構(gòu)件內(nèi)部鋼筋繼續(xù)腐蝕，并且能夠改善鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)性能，其阻銹能力優(yōu)于聚合物砂漿和硅烷。

相對于梁和柱，在腐蝕鋼筋混凝土板的修復(fù)和加固研究方面就顯得較少。H.Tatematsua［18］介紹了鹽吸附劑(阻銹劑的一種)在板挖補(bǔ)修復(fù)中的應(yīng)用，修復(fù)后在長期(7年)的暴露之后，通過半電池電位法測得修復(fù)區(qū)域與未修復(fù)區(qū)域的電位，發(fā)現(xiàn)這種材料在防腐蝕方面具有良好的效果，并且應(yīng)用到了地鐵結(jié)構(gòu)中。意大利學(xué)者Luca Pelà［19］研究了腐蝕鋼筋混凝土板在綜合應(yīng)用挖補(bǔ)法和補(bǔ)強(qiáng)加固法進(jìn)行修復(fù)后的性能。研究結(jié)果表明，這種綜合的修復(fù)方法能夠明顯提高板的極限承載力。從板的破壞模式來看，修復(fù)效果很大程度上取決于修復(fù)砂漿的性質(zhì)，具有良好粘結(jié)性能的修復(fù)砂漿是修復(fù)材料的首選。由于板的混凝土保護(hù)層相對于梁柱較小，鋼筋更容易發(fā)生腐蝕，因此對板的修復(fù)加固必須得到重視。

4 修復(fù)技術(shù)存在問題與研究展望

到目前為止國內(nèi)外對腐蝕鋼筋混凝土構(gòu)件修復(fù)進(jìn)行了較多的研究，取得了許多研究成果。但是，對不同腐蝕率下鋼筋混凝土構(gòu)件修復(fù)設(shè)計方法以及修復(fù)后耐久性能及其評價方法研究很少。工程應(yīng)用中缺乏理論依據(jù)，甚至存在“壞了修、修了壞”的現(xiàn)象。

因此，今后應(yīng)重點(diǎn)研究不同腐蝕率下的鋼筋混凝土構(gòu)件修復(fù)加固后承載力、變形性能和耐久性能，提出腐蝕鋼筋混凝土構(gòu)件修復(fù)加固設(shè)計與施工技術(shù)指南，為港口工程腐蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)維修提供理論依據(jù)。具體包括:對腐蝕鋼筋混凝土構(gòu)件修復(fù)材料選擇進(jìn)行了研究，試驗(yàn)研究所選修復(fù)材料與舊混凝土之間的粘結(jié)性能;對腐蝕鋼筋混凝土梁修復(fù)前抗彎力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析縱向鋼筋腐蝕率對梁抗彎承載力、變形等力學(xué)性能的影響;對采用普通砂漿和環(huán)氧砂漿修復(fù)后的腐蝕鋼筋混凝土梁抗彎力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了不同鋼筋腐蝕率下的修復(fù)效果以及不同修復(fù)方式對梁力學(xué)性能的影響;對采用普通砂漿修復(fù)后的腐蝕鋼筋混凝土梁進(jìn)行了干濕交替的耐久性試驗(yàn)研究，分析了普通砂漿修復(fù)后的腐蝕鋼筋混凝土梁電位、電阻率的變化;對腐蝕鋼筋混凝土梁FRP加固前后力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析鋼筋腐蝕率對結(jié)構(gòu)承載力、變形等力學(xué)性能的影響。對港工腐蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)和加固設(shè)計方法進(jìn)行了研究，制定相應(yīng)的設(shè)計與施工技術(shù)指南。

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