摘 要: 怎樣才能避免或延緩公路橋梁水泥混凝土中鋼筋的腐蝕破壞, 在水泥混凝土拌和物中摻加阻銹劑是一種施工簡單、經(jīng)濟而又有效的方法。主要介紹了阻銹劑在公路水泥混凝土橋梁工程應用中的適用范圍、性能要求、用量以及技術控制指標。
關鍵詞: 公路工程; 水泥混凝土; 鋼筋混凝土橋梁; 阻銹劑
鋼筋混凝土作為一種經(jīng)濟實用的建筑材料在橋梁工程中已經(jīng)得到廣泛的應用, 但是由于鋼筋銹蝕而導致的耐久性不足也給橋梁結構的正常使用帶來了嚴重的危害。西方一些發(fā)達國家建造鋼筋混凝土橋梁時間長, 出現(xiàn)的問題也比較顯著。據(jù)統(tǒng)計, 早在1992 年, 美國因撒除冰鹽引起鋼筋腐蝕破壞而限載通車的公路橋梁約占1ö4, 每年的維修費用高達5 千萬至2 億美元。英國、挪威、日本、加拿大和澳大利亞等一些國家在20 世紀60、70 年代建造的鋼筋混凝土橋梁現(xiàn)在大部分都已經(jīng)或輕或重地出現(xiàn)鋼筋銹蝕現(xiàn)象。我國鋼筋混凝土橋梁的建設高潮開始僅10 年左右, 鋼筋銹蝕帶來的危害尚沒有全面暴露出來, 但部分橋梁鋼筋銹蝕破壞現(xiàn)象已經(jīng)初露端倪, 有些甚至非常嚴重, 如北京的西直門橋, 使用不到20 年就因鋼筋銹蝕而不得不報廢重建。鋼筋腐蝕已經(jīng)成為鋼筋混凝土橋梁破壞的首要原因。
鋼筋混凝土橋梁, 尤其是大中型橋梁, 設計壽命一般在80 年左右, 有些甚至100 年、120 年。保障橋梁結構如此耐久的壽命, 除了正常維護、周期性更換部分附屬構件以外, 主體結構的耐久性更是一個非常重要的環(huán)節(jié)。從現(xiàn)有公路工程結構的鋼筋腐蝕速度來看, 若不采取任何防腐蝕措施, 在南方高溫地區(qū), 3～ 4 年水泥混凝土保護層就會因為鋼筋腐蝕而開裂; 在北方低溫地區(qū), 4～ 5 年鋼筋就腐蝕相當嚴重。橋梁結構的這種老化速度, 很難滿足設計壽命的要求。一座大型橋梁, 造價動輒幾千萬元, 甚至上億元, 使用壽命與設計壽命如此大的差距, 本身就是一種巨大的經(jīng)濟和社會損失; 而且, 由于耐久性不足,橋梁結構在正常使用期間的巨額維修費用也會帶來沉重的財政負擔。
鋼筋腐蝕破壞如此廣泛而嚴重, 已經(jīng)在世界各國引起了密切關注。美國從20 世紀50 年代就開始了氯鹽環(huán)境下鋼筋腐蝕的研究, 在80 年代中期專門針對公路工程在全國范圍內實施了“戰(zhàn)略公路研究計劃”, 研究公路橋梁的鋼筋腐蝕問題; 英國于20 世紀70 年代啟動“海洋研究計劃”, 針對海洋環(huán)境中鋼筋混凝土的腐蝕進行研究。我國工程界也越來越清醒地認識到氯鹽環(huán)境引起的鋼筋腐蝕的嚴重性。在2002 年12 月中國工程院主持的水泥混凝土結構耐久性及耐久性會議上, 許多院士、專家也大力呼吁重視鋼筋銹蝕、尤其是氯鹽環(huán)境下的鋼筋腐蝕給國家、社會造成的危害。
鋼筋腐蝕的原因錯綜復雜, 腐蝕機理主要可以分為兩種: 化學腐蝕和電化學腐蝕。在氯鹽環(huán)境中的鋼筋腐蝕主要是電化學腐蝕, 這種腐蝕的發(fā)生時間遠遠早于水泥混凝土碳化引起的鋼筋銹蝕, 早期的鋼筋銹蝕破壞一般是由于氯離子的侵蝕引起的。這種腐蝕速度快且產(chǎn)生點腐蝕, 不僅嚴重削弱鋼筋截面, 而且容易導致應力集中, 尤其對于以承受疲勞和沖擊荷載為主的橋梁結構, 這種腐蝕的危害更為嚴重[ 1 ]。
怎樣才能避免或延緩水泥混凝土橋梁中鋼筋腐蝕破壞, 關鍵在于預防。之所以許多鋼筋混凝土橋梁銹蝕破壞如此嚴重, 沒有采取有效的防銹措施是最主要的原因之一。目前的防銹措施主要有防銹涂層法、陰極保護法、惰化鋼筋法和防銹水泥混凝土等方法。涂層法主要包括水泥混凝土表面涂層、水泥混凝土表面聚合物浸漬、鋼筋表面涂層等, 這類方法主要通過設置致密層切斷氯離子或其他侵蝕介質到達鋼筋表面的路徑從而達到防止鋼筋腐蝕的目的; 陰極保護法主要有犧牲陽極、外加電流等方法, 這類方法主要通過補償鐵原子失去的電子而達到防止鋼筋銹蝕的目的; 惰化鋼筋法主要通過采用不銹鋼筋、碳纖維棒等活性低的金屬或惰性材料部分或全部取代鋼筋。這些方法施工技術要求高, 工藝比較復雜, 后期維護費用高, 目前大多應用于大型復雜鋼筋混凝土橋梁的重點部位或構件的輔助防腐, 普遍推廣還需要做許多工作。
防銹混凝土是通過在混凝土拌和物中摻加一定量的抑制鋼筋銹蝕的阻銹劑制作而成的, 這種混凝土通過調整阻銹劑的摻量可以滿足結構在設計壽命期內的防止或延緩鋼筋銹蝕的要求。防銹水泥混凝土從根本上增強了鋼筋水泥混凝土橋梁防止銹蝕的能力, 正如人類抵御疾病一樣, 打針吃藥是一種外在的補救措施, 增強體質才是保持身體健康、延長壽命的最根本途徑。實踐證明, 防銹水泥混凝土施工工藝簡單、經(jīng)濟有效, 是應用前景比較廣闊的一種阻銹方法, 近年來得到了廣泛的應用。
阻銹劑是防銹水泥混凝土中發(fā)揮防銹作用的主劑, 其研究與工程應用發(fā)展得非常迅速。目前, 市場上阻銹劑種類繁多, 效果各異。為便于廣大公路工程技術人員掌握阻銹劑的技術內容和使用要求, 規(guī)范阻銹劑在公路橋梁工程中的合理應用, 達到改善水泥混凝土橋梁耐久性能的預期效果, 本文結合交通部2006 年發(fā)布的《公路工程水泥混凝土外加劑與摻合料應用技術指南》中有關阻銹劑的內容, 對應用于公路橋梁工程的阻銹劑的適用范圍、性能要求、用量以及施工技術控制指標進行了簡要介紹。
1 阻銹劑性能
根據(jù)阻銹劑的產(chǎn)品狀態(tài)將其分為粉劑型和水劑型。水劑型阻銹劑宜稀釋使用, 粉劑型阻銹劑宜配成溶液使用, 并在加水量中將溶液水扣除。其性能指標應符合表1 的規(guī)定。
表1 中試驗項目的第一項為鋼筋在鹽水中的浸泡試驗, 此試驗對于定性確定阻銹劑的有效性有一定作用, 但是由于試驗時采用的是鋼筋, 而不是水泥混凝土, 因此鹽水浸泡試驗對于水泥混凝土構件表
面裸露的鋼筋銹蝕更直接有效。而在水泥混凝土內部是一個pH 值高達13 的堿性環(huán)境, 與含1115%N aCl 的飽和Ca (HO ) 2 溶液完全不同。因此, 只做此單項試驗無法確認阻銹劑在水泥混凝土或砂漿環(huán)境中的有效性。但是此方法簡便直觀, 在國內外的阻銹劑標準中都有, 都將其作為定性判別阻銹劑效果的指標。第二項指標采用摻與不摻阻銹劑鋼筋混凝土鹽水浸烘8 次試驗, 經(jīng)試驗比較, 比文獻[ 3 ]規(guī)定的干濕冷熱60 次更嚴格明確。第三項指標電化學綜合試驗指新拌砂漿法、硬化砂漿法和鋼筋在混凝土中的宏觀電池腐蝕試驗。這3 種方法屬于專門技術要求較高的定量銹蝕試驗方法。實踐證明僅采用一種方法有可能誤判。因此, 國內外多數(shù)專家推薦采用綜合法評判, 實際使用時至少應采用其中2 種方法。阻銹劑的勻質性應滿足表2。
另外, 阻銹劑在運輸、儲存過程中應避免暴曬、雨淋和受潮, 同時遠離明火和易燃易爆物, 不得隨地散灑和赤手觸摸。
2 適用范圍
阻銹劑根據(jù)使用方法可分為摻入拌和型與涂覆滲透型兩種。摻入拌和型阻銹劑一般用于新建工程防腐蝕以及舊水泥混凝土結構的修復; 表面涂覆滲透型阻銹劑一般用于舊水泥混凝土結構的表面防護, 也可在新建工程中與摻入拌和型阻銹劑同時采用。本文重點介紹在水泥混凝土和修復砂漿中使用的摻入拌和型阻銹劑。
目前, 我國鋼筋混凝土橋梁結構中使用阻銹劑的數(shù)量相對較少, 這為以后鋼筋腐蝕破壞埋下了嚴重的隱患。我們應該從發(fā)達國家的橋梁結構腐蝕破壞中吸取經(jīng)驗教訓, 未雨綢繆, 在結構建造初始就做好防銹措施。摻加阻銹劑的混凝土不需要特殊的施工工藝, 在一些比較特殊的防腐蝕部位更能顯示出優(yōu)越性。建議在下述環(huán)境和條件下的水泥混凝土橋梁結構物中使用阻銹劑:
(1) 處于海洋環(huán)境: 海水浸蝕區(qū)、潮汐區(qū)、浪濺區(qū)及海洋大氣區(qū)的公路鋼筋混凝土橋梁及鋼筋混凝土護欄等;
(2) 使用海砂或海水的預應力混凝土和鋼筋混凝土橋梁;
(3) 冬季撒除冰(雪) 鹽的鋼筋混凝土橋(涵) 面、鋼筋混凝土護欄等;
(4) 地下水和土壤中含有氯鹽的橋梁下部結構;
(5) 采用低堿度水泥或低堿摻合料, 處在強氯鹽銹蝕環(huán)境中的鋼筋混凝土橋梁;
(6) 氯離子含量大于表3 最高限量的預應力混凝土和鋼筋混凝土橋梁;
(7) 有氯鹽腐蝕現(xiàn)象的鋼筋混凝土橋梁修復;
(8) 預埋件或鋼制品在水泥混凝土中需加強銹蝕防護的場合, 因條件限制, 水泥混凝土構件保護層偏薄者。
其他如公路工程中的鋼筋混凝土路面、隧道、涵洞、地下洞室等以防氯鹽腐蝕為基本要求的鋼筋混凝土結構也需要使用阻銹劑。在我國, 氯鹽腐蝕環(huán)境粗略估計約占國土面積的2ö3 , 由此可見鋼筋腐蝕的廣泛性和防腐蝕的必要性。
3 阻銹劑摻量
阻銹劑隨其種類和阻銹效果要求而摻量各異,工程應用中一般通過生產(chǎn)廠家的推薦摻量和現(xiàn)場試驗綜合確定。本文給出了R I 型阻銹劑和濃度為30%的亞硝酸鈣阻銹劑的摻量范圍, 便于為沒有使用過阻銹劑的工程技術人員提供參考數(shù)值。
R I 型阻銹劑的用量取決于設計壽命內腐蝕介質進入水泥混凝土中的量, 在氯鹽為主的情況下, 從研究試驗結果來看, R I／C l- ≥018, 已有顯著阻銹效果, R I／C l- ≥110, 可保持鋼筋長期不銹蝕。為更安全、更可靠計, 用R I／C l- ≥112; 水劑型則應R I／C l-≥310; 在設計基準期內進入水泥混凝土中的氯鹽量不明確時, 可按表4 選定阻銹劑摻量。應注意: R I- 1N型阻銹劑含N a+ 、K+ , 有(或夾雜) 堿骨料時慎用。濃度30% 的亞硝酸鈣阻銹劑溶液的推薦摻量可按表5 選取。[ 4 ]
4 技術控制指標
4.1 對水泥混凝土質量的技術要求
摻阻銹劑的水泥混凝土一般要求抗?jié)B等級不應低于S 8; 28 d 收縮應變不宜大于1×10- 4; 對處于南方海水中橋梁浪濺區(qū)的構件, 由于南方氣溫較高, 持續(xù)時間長, 鋼筋銹蝕更快、更嚴重, 要求氯離子在這些構件水泥混凝土中的滲透性不應大于2 000 C。
國內外研究和工程實踐都表明, 同時摻加阻銹劑和具有活性的超細礦物摻合料, 如粉煤灰、硅灰、磨細礦渣等, 防銹效果更加明顯, 原因是除阻銹劑具有一定的阻銹效果以外, 具有活性的礦物摻合料有利于提高混凝土密實性, 可以增強混凝土結構抵御外界腐蝕介質侵蝕的能力。摻合料的摻加方法和適宜摻量參考表6 的規(guī)定。其中, 摻粉煤灰對減小變形和提高抗裂效果最好, 而摻硅灰和磨細礦渣均可增大干縮, 硅灰還增大自身體積收縮, 應注意在施工中加強養(yǎng)護。
海水環(huán)境中的預應力混凝土、鋼筋混凝土抗凍標號、最大水灰比、最小水泥用量和最低強度等級等
都是影響結構防腐蝕耐久性的重要因素, 應進行嚴格控制, 滿足表7 的要求。
混凝土拌和物中摻加阻銹劑以后會對混凝土的性能有所影響, 應滿足表8 的要求。
表8 阻銹劑對混凝土性能的影響
表8 中, 摻阻銹劑的水泥混凝土抗氯離子滲透性這一指標最為重要, 它影響到氯離子在水泥混凝土中的遷移速度, 進而在很大程度上影響鋼筋開始銹蝕的時間和速率。抗壓強度的降低值與不摻阻銹劑的基準樣對比, 允許降低10% , 但是這部分降低值必須通過同時使用高效減水劑降低用水量進行補充; 單獨采用阻銹劑時, 水泥混凝土抗壓強度必須應有足夠的富裕量, 硬化后必須滿足表7 的規(guī)定。摻阻銹劑的水泥混凝土的凝結時間可通過摻用緩凝劑或促凝劑來調整。
4.2 對水泥混凝土結構構造的技術要求
海水環(huán)境中的預應力混凝土、鋼筋混凝土的最小保護層厚度是保障結構防腐蝕耐久性的重要指標, 應滿足表9 的要求。
表9 海中橋梁預應力混凝土、鋼筋混凝土構件的最小保護層厚度
4.3 其他技術要求
摻阻銹劑混凝土的施工縫不應設在浪濺區(qū)、水位變動區(qū); 水泥混凝土澆筑應連續(xù), 并保證均勻性和密實性, 不得出現(xiàn)露筋、空洞、冷縫、夾渣、松頂?shù)痊F(xiàn)象; 水泥混凝土養(yǎng)護一般應使用淡水, 預應力結構不得使用海水養(yǎng)護, 缺乏淡水時, 應包裹塑料薄膜或噴涂養(yǎng)生劑, 潮濕養(yǎng)護時間不應少于21 d; 露筋是結構為氯離子提供的進入通道, 會加速銹蝕, 因此, 處在腐蝕環(huán)境中水泥混凝土結構的模板應采用外部固定或懸模架設方式, 不得從結構中引出鋼筋架設固定,拆模后, 結構表面不得裸露螺栓、鋼筋、拉桿、鐵釘和預埋件等。
5 結語
目前, 我國正處于大規(guī)模的基礎設施建設時期,全面提高和改善結構耐久性對于國民經(jīng)濟持續(xù)健康發(fā)展具有重要意義?；炷林袚郊幼桎P劑只是眾多鋼筋混凝土橋梁結構防銹蝕措施中的一種, 這種方法簡單實用, 能夠從根本上改善鋼筋混凝土結構的防腐蝕性能, 如果與高抗?jié)B透性混凝土、環(huán)氧涂層鋼筋、表面涂層和硅烷浸漬等防銹措施聯(lián)合使用, 防銹蝕效果將更加顯著。
參考文獻:
[1] 混凝土結構耐久性及耐久性設計會議文集[C ]清華大學, 20021
[2] 交通部公路科學研究院, 公路工程水泥混凝土外加劑與摻合料應用技術指南[S ]
[3] YBöT 9231- 98, 鋼筋阻銹劑使用技術規(guī)程[S ]
[4] JTJ275- 2000, 海港工程混凝土結構防腐蝕技術規(guī)范[S]
