摘要：介紹了目前地下混凝土結(jié)構(gòu)防腐抗?jié)B及鋼筋耐銹蝕的方法和今后發(fā)展的方向，并就這幾種方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，同時(shí)提出建筑用鋼材的延伸加工——增加鍍層的設(shè)想和重點(diǎn)工程在設(shè)計(jì)時(shí)通過增大保護(hù)層厚度方法來實(shí)現(xiàn)防腐抗?jié)B等。
關(guān)鍵詞：陰極電位保護(hù);結(jié)構(gòu)自防法;逆作法涂層
由于壓力水的作用、流入地下的工業(yè)廢水的侵蝕及侵蝕性介質(zhì)的浸泡等，使得地下混凝土結(jié)構(gòu)中的混凝土長(zhǎng)期受到滲漏溶蝕和配置在混凝土中的鋼筋受到銹蝕的危害。這種危害直接影響到地下結(jié)構(gòu)的耐久性和結(jié)構(gòu)的安全度。
現(xiàn)行《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的一級(jí)防水等級(jí)是“不允許滲水、圍護(hù)結(jié)構(gòu)無濕漬”[1]。按此要求，混凝土的設(shè)計(jì)壁厚與地下水的最大水頭確定出一組比值。按照混凝土保護(hù)層410cm厚,設(shè)計(jì)抗?jié)B等級(jí)S6，根據(jù)混凝土的抗?jié)B標(biāo)號(hào)與相對(duì)抗?jié)B系數(shù)的關(guān)系，滲透系數(shù)為0.1419×10-8cm2/s，時(shí)間為30a，按此推算鋼筋在水里經(jīng)受銹蝕最少也得20a。對(duì)于混凝土本身,在壓力水作用下還會(huì)產(chǎn)生滲漏溶蝕作用，使得水泥水化產(chǎn)物Ca (OH )2 隨著滲漏而不斷流失，引起結(jié)晶體的不斷分解，并逐漸失去膠凝作用，密實(shí)度下降，強(qiáng)度降低。
針對(duì)地下混凝土結(jié)構(gòu)滲漏、腐蝕病因的發(fā)生機(jī)理和發(fā)展程度，近年來，人們紛紛設(shè)立專題,進(jìn)行專項(xiàng)研究，在水泥品種、外加劑、混凝土配比、鋼筋耐銹蝕、結(jié)構(gòu)構(gòu)件涂層防護(hù)等方面，取得了一定的研究成果。
地下混凝土結(jié)構(gòu)的防腐抗?jié)B措施需要對(duì)使用環(huán)境、功能、壽命等作出綜合考慮。目前，人們根據(jù)具體情況分別采取結(jié)構(gòu)自防法、涂層法等以及研究陰極電位保護(hù)法以增強(qiáng)地下混凝土結(jié)構(gòu)的防腐抗?jié)B性。
1 陰極電位保護(hù)法
鋼筋銹蝕的機(jī)理一般分為電化學(xué)腐蝕、化學(xué)腐蝕和應(yīng)力腐蝕3 種形式?；炷两Y(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕主要是電化學(xué)銹蝕。北京科技大學(xué)何積銓等專家根據(jù)電化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理進(jìn)行了“陰極保護(hù)對(duì)鋼筋保護(hù)度和鋼筋混凝土握裹力的作用”實(shí)驗(yàn)研究[2]。
該實(shí)驗(yàn)表明，3.15%NaCl水溶液中(模擬海水環(huán)境)，在保護(hù)電位為-900 mV～-1200mV(SCE)下，經(jīng)過80d和15個(gè)月,混凝土中鋼筋的銹蝕都得到了較大幅度的控制。按質(zhì)量計(jì)算，均在90%以上，當(dāng)保護(hù)電位控制在-1100mV(SEC)時(shí)，保護(hù)度可達(dá)98.17%。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，對(duì)標(biāo)號(hào)很低，碳化嚴(yán)重、pH值接近中性、并有Cl-污染的混凝土，將保護(hù)電位限制在-900mV以下(vs.SCE)時(shí)，其內(nèi)的鋼筋腐蝕即可被控制。但在鋼筋陰極部位難免伴有析氫反應(yīng)，這對(duì)鋼筋的氫脆是一個(gè)潛在的誘因。
在實(shí)際工程應(yīng)用中，陰極保護(hù)法存在的這樣一些問題還有待解決：其一，陰極保護(hù)法的電流通常由混凝土構(gòu)件中縱筋傳送，而構(gòu)件中最易受到侵蝕的是箍筋，箍筋與縱筋由細(xì)鐵絲綁扎而成，在混凝土澆筑振搗過程中，鋼筋間往往滲進(jìn)了水泥漿夾層，使得本來就存在的接觸電阻變得更； 其二，縱向大直徑(≥5 25) 鋼筋接頭正由電焊連接變?yōu)橛锰淄怖鋽D壓、錐螺紋連接,這又增大了電路中的壓降；其三，鋼筋陰極電位由于混凝土保護(hù)層厚度的實(shí)際施工誤差，其介質(zhì)電阻隨混凝土保護(hù)層厚薄不均也會(huì)發(fā)生變化。這些給電位控制帶來一定難度。另外專業(yè)設(shè)備日常需要專門人員操作，這在一定程度上增加了管理費(fèi)用。因此，混凝土結(jié)構(gòu)采用陰極電位保護(hù)法，在理論上是說得通的, 在實(shí)驗(yàn)室條件下也是可行的，但距投入實(shí)際生產(chǎn)還有許多工作要做。
2 結(jié)構(gòu)自防法
2.1 調(diào)整混凝土配合比法
結(jié)構(gòu)自防法通常是調(diào)整混凝土配合比，摻入外加劑或采用特種水泥來提高混凝土的密實(shí)性、憎水性和抗?jié)B性，減少和破壞混凝土內(nèi)部的毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)， 從而生產(chǎn)出高標(biāo)號(hào)高性能的防水混凝土。
在配制低標(biāo)號(hào)C15～ C30 的防水混凝土?xí)r，一般做法是使用低水化熱的粉煤灰水泥或摻一定比例的粉煤灰，加入緩凝型減水劑，選擇合適的骨料級(jí)配、降低水灰比及采用特種水泥。
在大體積混凝土體內(nèi)必要時(shí)可安裝冷卻水管，將其內(nèi)部的過多水化熱帶出體外。在澆筑好的混凝土表面覆蓋保溫層并澆水養(yǎng)護(hù)，防止混凝土表面降溫過快，引起混凝土體內(nèi)外過大溫差，導(dǎo)致表面或深度裂縫的發(fā)生，從而做到不裂不滲。
典型工程實(shí)例為寶鋼某整體筏式基礎(chǔ)，混凝土標(biāo)號(hào)C18 號(hào)，尺寸31.13 m ×90.18 m ×2.15m [3]。該工程基礎(chǔ)底板未設(shè)水平縫和垂直縫，一次澆筑完成。主要技術(shù)措施為：(1) 采用低熱礦渣硅酸鹽水泥；(2) 摻入占水泥重量0125% 的木質(zhì)素磺酸鈣減水劑；(3) 摻加無裂縫、沖洗干凈、規(guī)格為150～ 250 mm 的堅(jiān)固大石塊，減少混凝土用量，降低水化熱； (4) 制訂養(yǎng)護(hù)技術(shù)方案?；炷潦湛s裂縫基本都是在澆筑后15 d 內(nèi)出現(xiàn)，該工程養(yǎng)護(hù)具體做法是：1) 混凝土側(cè)面和上表面鋪雙層草袋并澆水養(yǎng)護(hù)；2) 嚴(yán)格控制各測(cè)溫點(diǎn)與混凝土體表溫差，大氣溫度發(fā)生陡降時(shí)，則加紅外線燈、覆蓋油布等增保溫措施； 3) 延緩拆模時(shí)間, 防止混凝土表面產(chǎn)生過大的冷縮值。
2.2 混凝土中摻入膨脹劑法
在配置C35～C45 中標(biāo)號(hào)及C50～ C60 的高標(biāo)號(hào)防水混凝土?xí)r因防水摻入引氣劑會(huì)降低混凝土的密實(shí)度而影響其強(qiáng)度，而因標(biāo)號(hào)指標(biāo)要求，這類混凝土的水泥用量必須在400kg/m3以上。結(jié)果是前者降低了抗?jié)B性，后者增加了水化熱，對(duì)防腐抗?jié)B非常不利。因而材料界、工程界一直尋求通過摻入外加劑來達(dá)到結(jié)構(gòu)自防的目的。
20 年來, 特別是近10 年材料界對(duì)混凝土膨脹劑的研制和生產(chǎn)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。新型膨脹劑對(duì)改善混凝土長(zhǎng)期收縮、防腐抗?jié)B、提高工程耐久性起到了有效的作用。在工程應(yīng)用中，對(duì)結(jié)構(gòu)自防水、大體積混凝土裂縫控制、無縫設(shè)計(jì)施工和剛性防水屋面四大技術(shù)難題提供了新的便捷方法。在混凝土外加劑的研制中, 除延遲膨脹和限制膨脹外，一般還將減水、防凍、緩凝、早強(qiáng)、利泵、高性能等多種效能一并開發(fā)出來，并保證對(duì)鋼筋無腐蝕作用。目前開發(fā)生產(chǎn)的混凝土膨脹源由過去的明礬石改為鈣礬石，其特點(diǎn)是膨脹效能高，摻量降低，混凝土含堿量都小于1 kg/m3。
以U EA 膨脹混凝土為代表，10 a 抗壓強(qiáng)度比28 d 抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)一倍。給結(jié)構(gòu)的使用功能調(diào)整增加了空間，增大了結(jié)構(gòu)抵御地震荷載等自然災(zāi)害襲擊的安全儲(chǔ)備。表1 給出了混凝土膨脹劑主要品種和典型工程實(shí)例：
表1混凝土膨脹劑主要品種和典型工程實(shí)例[ 4 ]
在一些工程中，為了混凝土能同時(shí)具備高強(qiáng)高性能，還需將多種外加劑混合使用。因此，膨脹劑需要向低摻量、多效能、高抗?jié)B、低經(jīng)濟(jì)投入方向發(fā)展，同時(shí)，應(yīng)在低堿、無堿及抑制堿—集料反應(yīng)方面有所突破。在抗?jié)B性方面，現(xiàn)有膨脹劑混凝土在一定的壓強(qiáng)下透水深度一般在30～ 130 mm ，同時(shí)鋼筋的引水性作用，一旦某處開裂滲漏，就不能保證鋼筋免受潮濕的侵害。
2.3摻入鋼筋阻銹劑
摻入鋼筋阻銹劑是目前工程中常用的耐銹蝕方法。鋼筋阻銹劑是一種能阻止或抑制混凝土中鋼筋發(fā)生腐蝕的外加劑，在混凝土拌和過程中摻入，從而保護(hù)鋼筋。
一般常用的阻銹劑分為無機(jī)鹽類阻銹劑、有機(jī)鹽類阻銹劑和復(fù)合型阻銹劑[5]。無機(jī)鹽類阻銹劑多數(shù)為強(qiáng)氧化劑，摻到混凝土中形成鈍化膜，此類阻銹劑主要為亞硝酸鈉、磷酸鹽、重鉻酸鉀、硝酸鹽等。這些阻銹劑對(duì)鋼筋有顯著的保護(hù)作用，但它的強(qiáng)氧化性，容易造成局部腐蝕，同時(shí)降低混凝土強(qiáng)度和對(duì)鋼筋的握裹力，增進(jìn)堿骨料反應(yīng)。有機(jī)鹽類阻銹劑、復(fù)合型阻銹劑有甲酸鈣、苯甲酸和間苯二酚等。主要有冶金部建筑研究總院研究開發(fā)的R I21 型系列阻銹劑等，緩蝕效果較明顯。
3涂層法
地下混凝土結(jié)構(gòu)由于受潮濕、壓力水作用，不僅存在鋼筋銹蝕的問，而且存在酸堿腐蝕問題，水工結(jié)構(gòu)還存在溶蝕等一系列危害。涂層法結(jié)合摻外加劑的結(jié)構(gòu)自防體系，可形成對(duì)地下混凝土結(jié)構(gòu)防腐抗?jié)B的多重保護(hù)。
涂層法分外涂層法和鋼筋表面涂層法(內(nèi)涂層法)。外涂層法是用有機(jī)高分子材料對(duì)地下結(jié)構(gòu)主體表面涂刷阻止壓力水等侵蝕的保護(hù)層。目前混凝土涂層防腐抗?jié)B材料試驗(yàn)并予現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施的有環(huán)氧、純丙、改性丙烯酸、EVA、氯丁膠、硅橡膠乳液等。高分子材料涂層涂刷于地下結(jié)構(gòu)迎水面，進(jìn)行表面封閉，對(duì)壓力水下混凝土結(jié)構(gòu)的防腐抗?jié)B有顯著的效果。
這里簡(jiǎn)略介紹逆作法涂層施工技術(shù)，以供參考。這種方法要求所用材料有一定的強(qiáng)度。在基礎(chǔ)底板及磚胎模側(cè)面，將混凝土墊層表面及磚胎模側(cè)面浮灰清掃干凈，潮濕處烘干，從而保證涂層與基層粘接牢固，不出現(xiàn)夾縫層，防止后續(xù)施工外力作用而起殼。第2 道涂刷固化后，需進(jìn)行第3 道與后澆混凝土結(jié)合層施工的準(zhǔn)備，這是因?yàn)閴|層或磚胎模在主體結(jié)構(gòu)使用中難免受沉降、地下水侵蝕而發(fā)生局部與主體結(jié)構(gòu)脫離。而主體基層的混凝土強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于墊層或磚胎模強(qiáng)度，只要涂層與主體基層粘接牢固，墊層或磚胎模與涂層剝離時(shí)，破壞面發(fā)生在墊層或磚胎模表面，從而保全涂層。第3 道涂層一邊涂刷，一邊立即均勻噴灑干石英，待涂層固化后，掃去浮砂。后續(xù)主體混凝土澆筑時(shí)，水泥漿滲入涂層，形成整體防水層。
各種涂層的防護(hù)效果差異很大，須針對(duì)混凝土具體使用環(huán)境合理選擇，表2 介紹各涂層的防護(hù)性能：
表2各種涂層的防護(hù)性能
地下室墻壁涂刷涂層須在拆模后，待混凝土表面干燥時(shí)方可進(jìn)行。
鋼筋涂層有高分子涂層和金屬鍍層兩類。鋼筋表面涂層對(duì)高分子材料有強(qiáng)度要求，否則會(huì)影響混凝土的握裹力作用。根據(jù)清華大學(xué)王嫻明《建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)》介紹，環(huán)氧樹脂合適的配比，其抗拉強(qiáng)度3415～ 8217M Pa，抗壓強(qiáng)度10314～ 20618M Pa[ 6 ]。同時(shí)建議使用聚酰胺樹脂、聚硫橡膠、304# 聚酯樹脂活性增韌劑。
除環(huán)氧樹脂外，還有遼寧建筑科研院研制生產(chǎn)的可用于水界面的AC 建筑結(jié)構(gòu)膠(剪切強(qiáng)度20M Pa)，冶金部建筑研究總院、北京冶建新技術(shù)公司研制生產(chǎn)的YJ 建筑結(jié)構(gòu)膠，廣東汽巴高分子化工有限公司研制生產(chǎn)的愛牢達(dá)XH111A öB 環(huán)氧樹脂膠粘劑等有機(jī)高分子膠粘劑均可用作鋼筋涂層材料。
鋼筋涂層在混凝土結(jié)構(gòu)施工中一旦有所損壞，就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，因此，施工中應(yīng)特別注意，如有損壞點(diǎn)，應(yīng)及時(shí)做標(biāo)記并補(bǔ)涂好。
鋼筋金屬鍍層主要有鍍鋅、鍍鉻等，在國(guó)外使用較多，我國(guó)江陰華新鋼纜有限公司等廠家已生產(chǎn)出防腐鍍鋅鋼絞線。
4設(shè)想和建議
在目前地下結(jié)構(gòu)防腐抗?jié)B的技術(shù)措施還未完全成熟之時(shí)，增加混凝土保護(hù)層的厚度也是一種有效方法。鋼筋在基礎(chǔ)中，其應(yīng)力往往很小，這為增加保護(hù)層厚度提供了方便。在所確定的構(gòu)件截面不變的條件下，將所配鋼筋向混凝土中部移動(dòng)。另一方面, 基礎(chǔ)構(gòu)件截面一般都很大，增加幾厘米的保護(hù)層，對(duì)構(gòu)件內(nèi)力影響很小。建議二級(jí)耐久年限建筑的鋼筋保護(hù)層厚度增加到80～100mm，一級(jí)耐久年限建筑的基礎(chǔ)鋼筋保護(hù)層增加到150mm。
大型地下混凝土結(jié)構(gòu)防腐抗?jié)B要解決的問題之一，是混凝土本體材料在壓力水作用下的滲漏溶蝕?；炷馏w中的膠凝材料是水泥，如能改變水泥特點(diǎn)，使其溶蝕危害大大降低，就能從根本上防止此類損失的發(fā)生?，F(xiàn)階段對(duì)重要工程可將局部構(gòu)件或構(gòu)件的局部用環(huán)氧類高分子膠粘劑替換水泥，成本雖有一定增加，但能徹底解決問題。也可在壓力水面粘貼碳纖維布或玻璃纖維布來增強(qiáng)防腐抗?jié)B，碳纖維布強(qiáng)度在3600～5000MPa之間， 厚度較薄， 僅在0.111～0.17mm之間，成本較高, 玻璃纖維布強(qiáng)度在500～ 600M Pa，厚度在1mm 以上，成本相對(duì)較低。這兩種織物有雙向受力性能的雙向編織布出售，在無紫外線、無高溫環(huán)境，膠粘劑性能不受影響的地下結(jié)構(gòu)，其使用壽命在100a以上是沒有問題的。
對(duì)于地下混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋陰極電位保護(hù)法，可在預(yù)先充分估計(jì)鋼筋導(dǎo)電電路的各部分阻抗引起的壓降，設(shè)計(jì)出總體控制各采集點(diǎn)電路，在滲水浸濕處采用計(jì)算機(jī)多點(diǎn)采集電位數(shù)值并反饋給控制中心，經(jīng)過分析處理, 然后在各控制點(diǎn)重新施加電位。這一系統(tǒng)可納入房屋的物業(yè)管理體系，進(jìn)行整體動(dòng)態(tài)跟蹤控制。這樣就能實(shí)現(xiàn)鋼筋陰極電位保護(hù)功能。
隨著材料工業(yè)的發(fā)展，地下混凝土結(jié)構(gòu)中用高強(qiáng)耐腐蝕的碳纖維筋、板來取代鋼材，是一種理想的方案，問題是連接方法須用專用連接件進(jìn)行可靠連接。待那時(shí)，一些地下混凝土結(jié)構(gòu)工程的防腐抗?jié)B問題將得到徹底解決。
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