吳春輝,朱兵見,王志沖,毛征巧,林芝強(qiáng),丁 潔

(臺(tái)州學(xué)院建筑工程學(xué)院,浙江 臺(tái)州 318000)

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性是當(dāng)今世界的重大問題,1991年在法國召開的第二屆混凝土耐久性會(huì)議,報(bào)告中指出[1],“當(dāng)今世界混凝土破壞的主要原因?yàn)殇摻钿P蝕、寒冷氣候下的凍害、侵蝕環(huán)境下的物理化學(xué)作用”。鋼筋腐蝕破壞是影響混凝土耐久性的第一因素,而氯離子侵蝕又是引起鋼筋腐蝕的首要因素。

沿海及近海地區(qū),由于海洋大氣環(huán)境中富含氯離子等,屬于強(qiáng)腐蝕環(huán)境,在化學(xué)侵蝕和物理作用(如鹽結(jié)晶、凍融等)等多重因素下,鋼筋混凝土遭受腐蝕破壞的嚴(yán)重程度和破壞速度都往往比內(nèi)地的建筑物嚴(yán)重得多,出現(xiàn)混凝土強(qiáng)度下降甚至解體、鋼筋銹蝕、混凝土保護(hù)層脹裂甚至剝落等嚴(yán)重腐蝕現(xiàn)象[2]。

歐美等都有以氯鹽為主的“鹽害”問題,韓國曾發(fā)生一系列與“鹽害”有關(guān)的建筑物破壞、倒塌事件。我國臺(tái)灣重修澎湖大橋和不斷發(fā)生的“海砂屋”事件,也是氯鹽腐蝕造成的。德國柏林議會(huì)大廈預(yù)應(yīng)力混凝土屋頂?shù)顾俏鰵涞膽?yīng)力腐蝕破裂[3]。而我國地域遼闊,大陸東部海岸線綿長,且沿海地區(qū)人日密集,經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),大量鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)施處于濱海淤泥質(zhì)土環(huán)境中,遭受強(qiáng)腐蝕性環(huán)境的侵蝕,并嚴(yán)重威脅鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。所以研究和解決沿海地區(qū)的鋼筋混凝土耐久性問題,對(duì)于我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的良性發(fā)展具有重要意義。

1 混凝土中鋼筋的銹蝕

氯離子的侵入是引起混凝土中鋼筋腐蝕的最主要原因之一,氯離子破壞了鋼筋表面鈍化膜從而引起鋼筋局部腐蝕,對(duì)腐蝕過程具有催化作用。氯離子入侵不僅影響混凝土孔隙液的pH值,還影響鋼筋的電位值,因而直接影響鋼筋的穩(wěn)定性。但只有混凝土中氯離子的濃度達(dá)到一定的臨界值后,鋼筋才會(huì)發(fā)生腐蝕[4]。

1.1 實(shí)驗(yàn)過程

初期材料準(zhǔn)備,采用混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為C60的管樁?；炷僚浜媳葹椋核啵旱V粉：粉煤灰：砂：石：水：減水劑=332∶44∶64∶758∶1290∶122∶9.24。PC鋼棒為龍騰牌9.0鋼棒,配筋為6×9.0,屈服強(qiáng)度≥1280MPa,抗拉強(qiáng)度≥1420MPa,延伸率≥7.0%,環(huán)筋為5.0低冷拔鋼絲。

將所有管樁切割成2米一段的樁體,共計(jì)12根,以方便侵蝕加速試驗(yàn)操作。為了研究對(duì)比防腐措施的實(shí)際效果,對(duì)半數(shù)樁身進(jìn)行了防腐處理,處理手段為外涂環(huán)氧樹脂勾兌無水乙二胺和鄰苯二甲酸二丁酯,其比例約為7∶1∶2。

試驗(yàn)時(shí),將樁端頭砂漿封堵,然后吊放入池中,注水,投入NaCl,配制成濃度為5%的溶液。然后接通穩(wěn)恒7V電流以加速其腐蝕速度。加速實(shí)驗(yàn)裝置平面圖見圖1。

當(dāng)達(dá)到一定時(shí)間后,將樁吊出池子,以鋼筋電位計(jì)測試其鋼筋腐蝕電位。測試時(shí)先在樁體表面布置測試網(wǎng)格。選擇網(wǎng)格尺寸大小20×10cm(沿樁軸線方向),網(wǎng)格交叉點(diǎn)即為測試點(diǎn),測區(qū)中的測試點(diǎn)為18個(gè)。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過測得各網(wǎng)格線的交點(diǎn)即為測點(diǎn)的電位數(shù)據(jù),繪制出相應(yīng)的等電位等值線圖,見圖2、圖3。并繪制了三維電位分布圖,見圖4、圖5。

圖2 90d、120d、280d、345d未防腐樁等電位等值線圖

圖3 90d、120d、280d、345d防腐樁等電位等值線圖

圖4 90d、120d、280d、345d未防腐樁三維等電位等值線圖

圖5 90d、120d、280d、345d防腐樁三維等電位等值線圖

根據(jù)電位值的變化可以看出,在實(shí)驗(yàn)過程中,兩類樁的在氯鹽環(huán)境下的腐蝕電位在不斷得減小,表明腐蝕在不斷得增加。且從圖中可以看出增長的幅度相近；根據(jù)圖例顏色變化的范圍可以看出,防腐樁的電位值要比未防腐樁的小。表明在涂有防腐涂層的樁內(nèi)鋼筋銹蝕程度小于未作處理的樁。防腐作用較明顯。根據(jù)三維顯示的等值線圖可以看出,相對(duì)未進(jìn)行防腐措施處理的樁,有防腐措施的樁的電位分布較均勻、緩和,每個(gè)點(diǎn)的腐蝕程度相近。

實(shí)驗(yàn)表明,對(duì)在腐蝕環(huán)境下的,對(duì)混凝土構(gòu)件進(jìn)行防腐措施的處理,對(duì)混凝土耐久性起到積極的作用。

2 保護(hù)措施

混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的銹蝕要經(jīng)歷三個(gè)階段[5]：①水分、氧和其他有害介質(zhì)通過混凝土保護(hù)層滲透到鋼筋表面；②混凝土保護(hù)層被碳化,鋼筋的鈍化膜被破壞；③鋼筋表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。

通過針對(duì)這三個(gè)鋼筋銹蝕的階段,來采取措施阻止混凝土中鋼筋的銹蝕。一方面提高和改善混凝土的性能,增強(qiáng)其對(duì)鋼筋的保護(hù)；另一方面提高鋼筋的抗腐蝕性能。

2.1 混凝土表面處理

硬化后的混凝土總是存在著空隙,為環(huán)境中水、二氧化碳和氯離子等介質(zhì)的侵蝕提供了通道。因此,通過混凝土表面處理,提高混凝土的抗?jié)B性也是保護(hù)鋼筋的一項(xiàng)措施[7]?；炷帘砻嫣幚碇饕譃榛炷恋拿撍幚?、鑲面板和表面涂覆。

2.2 控制原材料的質(zhì)量

除按照施工質(zhì)量的要求選擇合適的原材料外,嚴(yán)格控制材料的氯化物含量和避免氯化物的污染是混凝土中氯離子不超標(biāo)的前提條件[8]。飲用水、天然的潔凈淡水及河砂一般含氯鹽量很少,可直接用于拌制混凝土;最好采取防鋼筋腐蝕(如加鋼筋阻銹劑)的措施;混凝土中摻用的外加劑要符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[4]。

提高混凝土對(duì)鋼筋防護(hù)性能的主要方法有：適當(dāng)增加混凝土保護(hù)層的厚度;改善混凝土結(jié)構(gòu),如選擇優(yōu)質(zhì)原材料、引入外加劑,合理施工;使用新型混凝土等[4]。

2.3 采用耐腐蝕鋼筋

研制合金鋼是改變鋼筋對(duì)腐蝕敏感性的方法之一。合金元素包括銅、鉻、鎳、鎢等,其中鉻最常用。鉻使鐵易形成更致密和結(jié)合力強(qiáng)的氧化膜,在高堿性條件下比普通鋼筋具有更高的防腐蝕性能[4]。

在鋼筋表面施加覆蓋層已廣泛應(yīng)用于鋼筋的防腐蝕。覆蓋層包括金屬和非金屬兩種形式。其中金屬覆蓋層大體可分為鈍化膜型(如鉻基鍍層)和犧牲型(如鍍鋅層)兩種。后一種是作為犧牲陽極對(duì)基體金屬起防護(hù)作用,即使鍍層發(fā)生局部破壞鋼筋仍可受到保護(hù)。其中,鍍鋅鋼筋獲得了較廣泛的應(yīng)用。而非金屬覆蓋層主要是有機(jī)涂層,形成一層致密而堅(jiān)韌的膜[4]。

2.4 應(yīng)用鋼筋阻銹劑

鋼筋阻銹劑即為抑制腐蝕的緩蝕劑,拌制混凝土?xí)r摻加阻銹劑是防止鋼筋腐蝕的一種經(jīng)濟(jì)而有效的方法。最早開發(fā)的鋼筋阻銹劑是亞硝酸鹽,但其會(huì)損失混凝土的強(qiáng)度,其中鈉離子有促進(jìn)堿集料反應(yīng)的危險(xiǎn),并且它是陽極型阻銹劑,用量不足反而會(huì)促進(jìn)鋼筋局部腐蝕,再加上亞硝酸鈉有毒,因而,不能得到廣泛的應(yīng)用。

近年來,有機(jī)阻銹劑的應(yīng)用又發(fā)展成為抑制混凝土中鋼筋腐蝕的有效方法[6],其主要是胺與酯組成的水基有機(jī)外加劑。

2.5 電化學(xué)保護(hù)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的電化學(xué)保護(hù)包括陰極保護(hù)和電化學(xué)處理[9]。

陰極保護(hù)能直接抑制鋼筋自身的電化學(xué)腐蝕過程,可分為犧牲陽極保護(hù)法和外加電流陰極保護(hù)法。前者是采用比鋼電位更負(fù)的鋁合金等作為陽極與鋼筋電連接,靠自身的腐蝕提供自由電子實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋的保護(hù)；后者則是以直流電源的負(fù)極與被保護(hù)的鋼筋連接,正極與難溶性的輔助陽極相接,提供保護(hù)電流使鋼筋發(fā)生陰極極化而受到保護(hù)[4]。

電化學(xué)處理與外加電流陰極保護(hù)法相似,也是以鋼筋為陰極,通以低壓直流電流達(dá)到保護(hù)鋼筋的目的[10]。

3 結(jié)語

目前的土木建筑工程,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)以其具有較好的強(qiáng)度、耐久性和耐火性,在建筑結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位?；炷两Y(jié)構(gòu)大量用于沿海等具有較強(qiáng)腐蝕性的環(huán)境中,其耐久性不同于一般環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu),在世界范圍內(nèi)得到高度重視。

實(shí)驗(yàn)表明,在加速腐蝕試驗(yàn)的時(shí)間段內(nèi),氯離子對(duì)混凝土的腐蝕程度隨時(shí)間的增長不斷加重。通過對(duì)比兩類樁(是否進(jìn)行防腐處理)的等電位等值線,防腐樁的電位分布較均勻,各點(diǎn)位腐蝕程度相近,且進(jìn)行防腐措施處理的樁的腐蝕程度明顯小于未進(jìn)行處理的樁。

混凝土中鋼筋的銹蝕程度直接影響混凝土的耐久性。為了防止混凝土內(nèi)鋼筋是銹蝕,針對(duì)其銹蝕的三個(gè)階段,一方面可應(yīng)提高混凝土保護(hù)性；另一方面提高鋼筋的抗腐蝕性能。對(duì)于鋼筋混凝土的防腐措施在不斷地跟進(jìn)和改善,目前采用鋼筋阻銹劑和電化學(xué)陰極保護(hù)是比較經(jīng)濟(jì)有效的保護(hù)措施。