鋼筋混凝土腐蝕修復(fù)技術(shù)研究

2005-12-01 00:00  留言

摘　要：由于腐蝕而破損的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行康復(fù)性修理在技術(shù)上有一定的難度，尤其是基面終年潮濕的海港工程設(shè)施，如：海運(yùn)碼頭和鉆井平臺(tái)等，進(jìn)行康復(fù)性修理是世界公認(rèn)的難題。本文重點(diǎn)研究海運(yùn)碼頭的鋼筋混凝土康復(fù)性修理技術(shù)，試驗(yàn)的結(jié)果已移栽在海港碼頭應(yīng)用實(shí)踐，成效還有待經(jīng)時(shí)考核。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土腐蝕；濕面固化粘合劑；纖維增強(qiáng)修復(fù)

1 　引　言

自從160 多年前發(fā)明了波特蘭水泥，它和水、碎石攪和水化成為堅(jiān)如盤(pán)石般的建筑材料，俗稱(chēng)混凝土(Ordinary Performance Concrete) ，又稱(chēng)人工石，簡(jiǎn)稱(chēng)“砼”。混凝土的應(yīng)用，取代了我國(guó)古建筑中常用的糯米石灰漿。用混凝土包裹鋼筋以增加強(qiáng)度使混凝土的功能又前進(jìn)了一大步，于是鋼筋混凝土(Reinforcement Concrete) 成為現(xiàn)代基礎(chǔ)設(shè)施中的主體。因?yàn)楦g，對(duì)高強(qiáng)度鋼筋混凝土提出了耐久性問(wèn)題。在全壽命經(jīng)濟(jì)分析法( Total Cycle Cast Analysis ，簡(jiǎn)稱(chēng)LCCA) 的催生下，20 世紀(jì)90 年代初提出了高性能混凝土(High Performance Concrete 或HPC) 的新思路，它的特征是根據(jù)固體堆積理論能保持很高的強(qiáng)度；通過(guò)摻和超細(xì)高爐礦渣粉、優(yōu)質(zhì)粉煤灰等活性材料和高效減水劑等，在低水膠比的條件下仍有良好的施工性和整體密實(shí)性，從而達(dá)到耐久性的目的。　　　　

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)高性能混凝土技術(shù)研究方興未艾，并且已有應(yīng)用成功的實(shí)例，隨著高性能混凝土的廣普采用，基礎(chǔ)設(shè)施中的鋼筋混凝土在50～100 年內(nèi)免維修將成為可能。但在過(guò)去已建成投用的大量基礎(chǔ)設(shè)施的維修工作也是迫在眉捷，而現(xiàn)有的維修工藝只能是“壞了修，修了壞”，尤其是潮濕工況條件下的海港工程。運(yùn)用有機(jī)高分子材料在偶聯(lián)劑的配合下，發(fā)揮鍵能作用，使硅酸鹽、鋼筋表面與高分子樹(shù)脂粘結(jié)成為高密封性整體，使深度腐蝕破損的鋼筋混凝土恢復(fù)原有的功能，并防止再次腐蝕，實(shí)為鋼筋混凝土防腐蝕對(duì)策的一次探索。

2 　鋼筋混凝土的腐蝕

2. 1 　腐蝕原因

鋼筋與混凝土是兩種互為依托的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，在正常情況下經(jīng)久而不會(huì)損壞。因?yàn)樵趐H ≥12. 6 的混凝土包裹下的鋼筋是不會(huì)腐蝕的；pH <11. 5 (臨界值) 時(shí)，鋼筋表面的鈍化膜就不穩(wěn)定；當(dāng)pH < 9. 88 時(shí)，鈍化膜完全破壞。

(1) 混凝土與鋼筋本身存在缺陷　混凝土是一種多孔性的易脆材料；因水化放熱，凝固干縮而產(chǎn)生裂紋，有害物質(zhì)就可經(jīng)由最短的路徑直接進(jìn)入混凝土中，使鋼筋表面環(huán)境的pH 值降至9 以下。鋼筋自身的不均勻性和活潑性，使之容易接受介質(zhì)的腐蝕。這是鋼筋混凝土腐蝕的內(nèi)因。

(2) 化學(xué)介質(zhì)的腐蝕　我國(guó)東南海沿海地區(qū)，腐蝕鋼筋混凝土的化學(xué)介質(zhì)主要有碳酸性和氯化物，其次是硫酸鹽的侵蝕。環(huán)境中的CO₂氣體通過(guò)多孔性混凝土的毛細(xì)管滲入，可使孔液的pH 值降低到8. 3 左右，當(dāng)碳化深度到達(dá)鋼筋表面時(shí)，鋼筋從鈍化狀態(tài)進(jìn)入活化狀態(tài)，引起鋼筋銹蝕膨脹，混凝土順筋開(kāi)裂。杭州灣海域的氯化物在1.36 % ，電阻率62.2Ω·cm ，當(dāng)Cl^-到達(dá)鋼筋表面pH 值會(huì)由腐蝕產(chǎn)物Fe^{2 +} 的水解而降低，在極端條件下，陽(yáng)極閉塞區(qū)的pH 值可以達(dá)到3.5 左右，腐蝕速度高達(dá)1175mm/a ，這是鋼筋混凝土腐蝕的外因。

3 　腐蝕危害

3. 1 　腐蝕危害

據(jù)資料報(bào)道^[2] ，1991 年美國(guó)技術(shù)評(píng)估中心確認(rèn)，美國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施總投資為1.4萬(wàn)億美元，而每年修復(fù)費(fèi)是1400億美元，占總投資產(chǎn)的10% ，即10 年的修復(fù)費(fèi)與總資產(chǎn)持平，若保持基礎(chǔ)設(shè)施正常運(yùn)轉(zhuǎn)40年，則需花費(fèi)4倍的總資產(chǎn)。1995年美國(guó)腐蝕成本3000億美元，其中1500億美元(占50%)是鋼筋混凝土腐蝕造成的，每年還要支付2500億美元的維修費(fèi)，維修費(fèi)是初建費(fèi)的4倍。

3. 2 　防腐蝕政策

基礎(chǔ)設(shè)施是國(guó)家的經(jīng)濟(jì)命脈。國(guó)務(wù)院在2000年就頒布了279 號(hào)令，即《建設(shè)工程質(zhì)量管理?xiàng)l例》，規(guī)定了“設(shè)計(jì)文件應(yīng)符合國(guó)家規(guī)定的設(shè)計(jì)深度要求，注明合理使用年限”“建設(shè)工程實(shí)行質(zhì)量保修制度⋯⋯基礎(chǔ)工程設(shè)施最低保修期限為建設(shè)文件規(guī)定的該工程的合理使用年限”。279 號(hào)令實(shí)際上是貫徹實(shí)施基礎(chǔ)設(shè)施工程的“全壽命責(zé)任制”。美國(guó)第2893號(hào)政府令《聯(lián)邦基礎(chǔ)設(shè)施投資原則》明確要求，工程項(xiàng)目的投資成本包含整個(gè)使用壽命期內(nèi)的一切費(fèi)用。美國(guó)聯(lián)邦公路局( THWA) 在1994 年發(fā)布公告《，關(guān)于實(shí)施全壽命經(jīng)濟(jì)分析( Total Life Cycle Analysis) 法》的政策聲明，凡聯(lián)邦和地方聯(lián)合管理的基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目的投資評(píng)估，均執(zhí)行“全壽命經(jīng)濟(jì)分析法”(LCCA) 。

4 　防腐蝕措施

4. 1 　改變傳統(tǒng)觀念

鋼筋混凝土腐蝕的內(nèi)因是混凝土本身的多孔性和脆性，又存在干縮裂紋；腐蝕的外因是介質(zhì)的逐漸侵入，改變了鋼筋環(huán)境。這種侵入的過(guò)程要有幾年時(shí)間。針對(duì)腐蝕的內(nèi)因首先要改變混凝土裂紋“難免論”和存在裂紋“無(wú)害論”，著眼于提高混凝土的致密性和耐久性，應(yīng)改變傳統(tǒng)的高強(qiáng)度追求，高強(qiáng)度是提高水泥標(biāo)號(hào)、降低水灰比增加級(jí)配中的水泥量，要從這種傳統(tǒng)思路中解脫出來(lái)。

4. 2 　克服不作為職務(wù)觀念

“職務(wù)任期之內(nèi)不出明顯的工程質(zhì)量事故就完事了，何必管它50 年100 年呢”，“投資工程建設(shè)施工驗(yàn)收合格就完成任務(wù)了，至于腐蝕大修是生產(chǎn)成本的事”。持這種觀念的也許是少數(shù)當(dāng)事者，筆者把他稱(chēng)謂“不作為職務(wù)”，這是由于體制、機(jī)制上的不完善，一些技術(shù)規(guī)范、規(guī)程相對(duì)滯后而造成的。國(guó)務(wù)院279 號(hào)令要求執(zhí)行“全壽命責(zé)任制”，因此，提高認(rèn)識(shí)，克服不作為職務(wù)觀念，應(yīng)當(dāng)列為防腐蝕工程的重要原則。

4. 3 　努力攻克高性能混凝土的技術(shù)關(guān)鍵

20 世紀(jì)80 年代末90 年代初出現(xiàn)高性能混凝土(HPC) 之后，各國(guó)投入了大量的研究，我國(guó)也投資了數(shù)百萬(wàn)元開(kāi)展“高強(qiáng)與高性能混凝土”課題研究。2000 年12 月，國(guó)家交通部頒發(fā)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中把高性能混凝土列入《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》[JTJ 275-2000] 。目前世界上已有許多大的基礎(chǔ)設(shè)施工程應(yīng)用了高性能混凝土，例如:英吉利海峽跨海隧道、日本明石跨海大橋的兩個(gè)主橋墩、加拿大金布洛克步行橋和臺(tái)灣屏東國(guó)立海生博物館等，它們的設(shè)計(jì)壽命都在75 年以上。

我國(guó)某跨海大橋采用了高性能混凝土設(shè)計(jì)方案，在施工過(guò)程中發(fā)生水化熱沖頂(大于100℃) 。樁梁出現(xiàn)大范圍裂縫，被迫改用鋼管樁；另一座長(zhǎng)距離跨海大橋原設(shè)計(jì)也是采用高性能混凝土，由于前橋之變，也改變了方案，說(shuō)明我國(guó)該項(xiàng)的技術(shù)水平與國(guó)外相比，還有相當(dāng)大的差距。但不可否認(rèn)高性能混凝土的特征是耐久性、高強(qiáng)度、良好的工藝性和體積穩(wěn)定性。因此還需努力攻關(guān)。

5 　鋼筋混凝土的修復(fù)技術(shù)

修復(fù)的目的是恢復(fù)結(jié)構(gòu)的功能與完整性。改善外貌與耐久性，有效防止環(huán)境中的介質(zhì)繼續(xù)侵入混凝土中腐蝕鋼筋。

修復(fù)的最佳時(shí)期應(yīng)當(dāng)在混凝土表面沒(méi)有破損之前的鋼筋腐蝕初期階段(稱(chēng)T0 階段) ，即碳化深度已經(jīng)到達(dá)鋼筋表面；Cl^-含量已經(jīng)超過(guò)“臨界值”；鋼筋表面已經(jīng)處于活化狀態(tài)，這時(shí)可用滲透型涂層簡(jiǎn)單處理之。一旦出現(xiàn)順筋裂縫，應(yīng)當(dāng)立即采取修補(bǔ)措施，因?yàn)轫樈盍芽p屬于“活裂紋”，隨時(shí)都在擴(kuò)展。

5. 1 　修補(bǔ)方法

據(jù)資料介紹^[3] ，細(xì)裂紋可用聚合物(尿烷－氨基甲酸乙酯、丙烯酸胺等) 灌漿法修補(bǔ)；粗裂縫應(yīng)清除松動(dòng)和不密實(shí)的混凝土后，用水泥聚合物砂漿修補(bǔ)，外用纖維增強(qiáng)材料包覆。常用砂漿、混凝土的聚合物有：PBM21 樹(shù)脂、丙烯酸酯共聚乳液(丙乳PAE) 、氯丁乳膠(CP) 、丁苯乳膠( SBP) 、乙烯2醋酸乙烯共聚乳液( EVA) 、水溶性聚氨酯漿料、丙烯酸胺(丙凝) 漿料和甲凝灌漿材料等。冶金建筑研究院等單位可供FC201 、RP2W 專(zhuān)用修補(bǔ)砂漿。

5. 2 　修補(bǔ)實(shí)例

(1) 本體修補(bǔ)法　用新拌混凝土在金山區(qū)經(jīng)一路上幾百只護(hù)欄孔洞填補(bǔ)，一個(gè)月以后，新舊混凝土之間產(chǎn)生裂縫，幾個(gè)月之后幾乎全部脫落，因此這種修補(bǔ)方法是徒勞的。

(2) 聚合物砂漿修補(bǔ)法　上海石化生活區(qū)幾百根鋼筋混凝土管架順筋開(kāi)裂，采用ABA 水泥砂漿增強(qiáng)劑(聚合物乳液) 砂漿修補(bǔ)，經(jīng)一年后檢查，未曾發(fā)現(xiàn)裂紋和殼空現(xiàn)象，可認(rèn)為是成功的。

(3) 聚合砂漿+ 涂料修補(bǔ)　鎮(zhèn)海煉化儲(chǔ)運(yùn)公司碼頭1 # 、4 # 、5 # 泊位砼樁共9269m2 按下列程序進(jìn)行修復(fù)^[4]_：

     ①清創(chuàng)處理：600kg/cm²旋轉(zhuǎn)水砂噴射清理；
     ②裸露鋼筋再鈍化，涂刷上海金山開(kāi)泰科技開(kāi)發(fā)部提供的鋼筋阻銹液；再涂二道防銹面漆；
     ③表干后，用127 ( EVA) 水泥漿密封鋼筋混凝土創(chuàng)口；
     ④ 用525 # 水泥砂漿+ 快干劑進(jìn)行分層填補(bǔ)空穴；
     ⑤采用海工牌砼面防腐涂料由360kg/cm²無(wú)氣噴槍滿涂6道，漆膜厚度350～450μm ， (大氣區(qū)335μm、潮差區(qū)和浪花飛濺區(qū)405μm) 。
     2003 年10 月8 日開(kāi)工，12月22 日竣工。該工程由上海琪安防腐建設(shè)工程有限公司完成，使用效果有待經(jīng)時(shí)考核。

6 　濕面鋼筋混凝土康復(fù)性修補(bǔ)技術(shù)研究

此技術(shù)的難點(diǎn)在于：

① 海運(yùn)碼頭中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(含工作平臺(tái)、系纜樁和人行橋樁等) ，永遠(yuǎn)處于潮濕環(huán)境中；

②施工作業(yè)時(shí)間只有2h ；

③非特殊功能性粘合劑沒(méi)有結(jié)合力。

技術(shù)的關(guān)鍵是：

① 尋找一種“憎水”的粘合劑；

②探索補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)破損鋼筋混凝土的施工工藝。

6. 1 　粘合劑的“憎水”機(jī)理^[5]

固體環(huán)氧樹(shù)脂和丙烯酸樹(shù)脂在催化劑存在下進(jìn)行酯化反應(yīng)，成為憎水型的成膜基材；在硅烷偶聯(lián)劑(R_nSiX₄_-_n) 作用下，X 基團(tuán)與潮濕表面的混凝土(鋼筋) 生成Si－O－Si 化學(xué)鍵；R 基團(tuán)與聚合物形成一體，使高分子聚合物與無(wú)機(jī)底材之間形成分子橋，把兩者牢固地粘附在一起。含有苯環(huán)的芳香胺固化劑，也有較強(qiáng)的憎水性，且有較寬的環(huán)境溫度適應(yīng)性，凝膠時(shí)間短、韌性好且收縮率低。

這種粘合劑原先被應(yīng)用于濕面固化涂料，由常州凱星涂料廠生產(chǎn)，現(xiàn)被用作補(bǔ)強(qiáng)康復(fù)破損鋼筋混凝土的粘合劑。

6. 2 　濕面固化的驗(yàn)證試驗(yàn)^[6]

在2003年，經(jīng)過(guò)兩次(1干1濕、普通環(huán)氧與濕面固化粘合劑) 對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)論對(duì)潮濕的鋼鐵表面或是潮濕的混凝土表面都能按時(shí)固化，甚至放在海水中也能固化；對(duì)比的普通環(huán)氧涂料就不行。又模擬了現(xiàn)場(chǎng)條件，將破損鋼筋混凝土構(gòu)件浸透海水后，以濕面固化涂料為粘合劑，浸漬玻璃纖維補(bǔ)強(qiáng)，再浸入海水中固化，固化效果能夠重現(xiàn)，但密實(shí)性不好；第二次預(yù)制了模板，重復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果滿意，透水性幾乎是“零”，重錘敲擊下只有混凝土破碎。基本達(dá)到了憎水、封孔和補(bǔ)強(qiáng)的效果。以上試驗(yàn)現(xiàn)已由上海石化股份公司批準(zhǔn)，撥付專(zhuān)款在海運(yùn)碼頭進(jìn)行實(shí)樁試驗(yàn)。

7 　結(jié)　論

(1) 海運(yùn)碼頭的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕是嚴(yán)重的，采用高性能混凝土可從源頭解決混凝土的裂紋問(wèn)題，才可能達(dá)到50 年以上無(wú)大修的目標(biāo)，然而目前的技術(shù)水平尚有較大差距。

(2) 鋼筋混凝土的修補(bǔ)技術(shù)，在陸地上采用聚合物砂漿似可過(guò)關(guān)，修補(bǔ)成本是普通混凝土的5 倍；對(duì)于海上橋梁和碼頭，尤其是潮差段和浪花飛濺區(qū)的修復(fù)技術(shù)，本文試驗(yàn)了的濕面固化粘合劑與纖維增強(qiáng)修補(bǔ)工藝，結(jié)果滿意。實(shí)用效果尚須在實(shí)樁試驗(yàn)后經(jīng)時(shí)考核才能定論。

參考文獻(xiàn):

[1 ] 　黃兆龍，王和源，湛淵源. 混凝土耐久性設(shè)計(jì)與實(shí)務(wù)[A] . 第二屆海峽兩崖材料腐蝕與防護(hù)研討會(huì)論文集[C] . 2000.

[2 ] 　洪乃豐. 基礎(chǔ)設(shè)施腐蝕防護(hù)和耐久性[A] . 中國(guó)化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[3 ] 　熊大玉，王小紅. 混凝土外加劑[A ] . 化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[4 ] 　顧正賢. 鎮(zhèn)海煉化倉(cāng)儲(chǔ)公司碼頭防腐施工總結(jié)[ Z] .2002.

[5 ] 　陳仲德. 水下固化防腐涂料研制總結(jié)[ Z] . 2002.

[6 ] 　上海石化科協(xié)腐蝕科學(xué)技術(shù)學(xué)會(huì). 濕面固化涂料產(chǎn)品驗(yàn)證報(bào)告[ R] . 2003.

編輯：

監(jiān)督：0571-85871667

投稿：news@ccement.com

本文內(nèi)容為作者個(gè)人觀點(diǎn)，不代表水泥網(wǎng)立場(chǎng)。聯(lián)系電話：0571-85871513，郵箱：news@ccement.com。