摘 要：由于腐蝕而破損的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行康復(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：海運碼頭和鉆井平臺等，進行康復(fù)性修理是世界公認(rèn)的難題。本文重點研究海運碼頭的鋼筋混凝土康復(fù)性修理技術(shù)，試驗的結(jié)果已移栽在海港碼頭應(yīng)用實踐，成效還有待經(jīng)時考核。
關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土腐蝕； 濕面固化粘合劑； 纖維增強修復(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如盤石般的建筑材料，俗稱混凝土(Ordinary Performance Concrete) ，又稱人工石，簡稱“砼”?；炷恋膽?yīng)用，取代了我國古建筑中常用的糯米石灰漿。用混凝土包裹鋼筋以增加強度使混凝土的功能又前進了一大步，于是鋼筋混凝土(Reinforcement Concrete) 成為現(xiàn)代基礎(chǔ)設(shè)施中的主體。因為腐蝕，對高強度鋼筋混凝土提出了耐久性問題。在全壽命經(jīng)濟分析法( Total Cycle Cast Analysis ，簡稱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度；通過摻和超細(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性， 從而達(dá)到耐久性的目的?！ ?/DIV>
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)久而不會損壞。因為在pH ≥12. 6 的混凝土包裹下的鋼筋是不會腐蝕的；pH <11. 5 (臨界值) 時，鋼筋表面的鈍化膜就不穩(wěn)定；當(dāng)pH < 9. 88 時，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。
3. 1 腐蝕危害
據(jù)資料報道[2] ，1991 年美國技術(shù)評估中心確認(rèn)，美國基礎(chǔ)設(shè)施總投資為1.4萬億美元，而每年修復(fù)費是1400億美元，占總投資產(chǎn)的10% ，即10 年的修復(fù)費與總資產(chǎn)持平，若保持基礎(chǔ)設(shè)施正常運轉(zhuǎn)40年，則需花費4倍的總資產(chǎn)。1995年美國腐蝕成本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，維修費是初建費的4倍。
基礎(chǔ)設(shè)施是國家的經(jīng)濟命脈。國務(wù)院在2000年就頒布了279 號令，即《建設(shè)工程質(zhì)量管理條例》，規(guī)定了“設(shè)計文件應(yīng)符合國家規(guī)定的設(shè)計深度要求，注明合理使用年限”“建設(shè)工程實行質(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 號令實際上是貫徹實施基礎(chǔ)設(shè)施工程的“全壽命責(zé)任制”。美國第2893號政府令《聯(lián)邦基礎(chǔ)設(shè)施投資原則》明確要求，工程項目的投資成本包含整個使用壽命期內(nèi)的一切費用。美國聯(lián)邦公路局( THWA) 在1994 年發(fā)布公告《， 關(guān)于實施全壽命經(jīng)濟分析( 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)項目的投資評估，均執(zhí)行“全壽命經(jīng)濟分析法”(LCCA) 。
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。這種侵入的過程要有幾年時間。針對腐蝕的內(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)的高強度追求，高強度是提高水泥標(biāo)號、降低水灰比增加級配中的水泥量，要從這種傳統(tǒng)思路中解脫出來。
“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，筆者把他稱謂“不作為職務(wù)”，這是由于體制、機制上的不完善，一些技術(shù)規(guī)范、規(guī)程相對滯后而造成的。國務(wù)院279 號令要求執(zhí)行“全壽命責(zé)任制”，因此，提高認(rèn)識，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。
20 世紀(jì)80 年代末90 年代初出現(xiàn)高性能混凝土(HPC) 之后，各國投入了大量的研究，我國也投資了數(shù)百萬元開展“高強與高性能混凝土”課題研究。2000 年12 月，國家交通部頒發(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主橋墩、加拿大金布洛克步行橋和臺灣屏東國立海生博物館等，它們的設(shè)計壽命都在75 年以上。
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。
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；粗裂縫應(yīng)清除松動和不密實的混凝土后，用水泥聚合物砂漿修補，外用纖維增強材料包覆。常用砂漿、混凝土的聚合物有：PBM21 樹脂、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 專用修補砂漿。
(1) 本體修補法 用新拌混凝土在金山區(qū)經(jīng)一路上幾百只護欄孔洞填補，一個月以后，新舊混凝土之間產(chǎn)生裂縫，幾個月之后幾乎全部脫落，因此這種修補方法是徒勞的。
此技術(shù)的難點在于：
固體環(huán)氧樹脂和丙烯酸樹脂在催化劑存在下進行酯化反應(yīng)，成為憎水型的成膜基材；在硅烷偶聯(lián)劑(RnSiX4-n) 作用下，X 基團與潮濕表面的混凝土(鋼筋) 生成Si－O－Si 化學(xué)鍵；R 基團與聚合物形成一體，使高分子聚合物與無機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，也有較強的憎水性，且有較寬的環(huán)境溫度適應(yīng)性，凝膠時間短、韌性好且收縮率低。
在2003年，經(jīng)過兩次(1干1濕、普通環(huán)氧與濕面固化粘合劑) 對比試驗，試驗結(jié)果表明，無論對潮濕的鋼鐵表面或是潮濕的混凝土表面都能按時固化，甚至放在海水中也能固化；對比的普通環(huán)氧涂料就不行。又模擬了現(xiàn)場條件，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，浸漬玻璃纖維補強，再浸入海水中固化，固化效果能夠重現(xiàn)，但密實性不好；第二次預(yù)制了模板，重復(fù)試驗，結(jié)果滿意，透水性幾乎是“零”，重錘敲擊下只有混凝土破碎?；具_(dá)到了憎水、封孔和補強的效果。以上試驗現(xiàn)已由上海石化股份公司批準(zhǔn)，撥付?？钤诤＿\碼頭進行實樁試驗。
(1) 海運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題，才可能達(dá)到50 年以上無大修的目標(biāo)，然而目前的技術(shù)水平尚有較大差距。
目前國內(nèi)外對高性能混凝土技術(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。運用有機高分子材料在偶聯(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，實為鋼筋混凝土防腐蝕對策的一次探索。
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)久而不會損壞。因為在pH ≥12. 6 的混凝土包裹下的鋼筋是不會腐蝕的；pH <11. 5 (臨界值) 時，鋼筋表面的鈍化膜就不穩(wěn)定；當(dāng)pH < 9. 88 時，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，鋼筋從鈍化狀態(tài)進入活化狀態(tài)，引起鋼筋銹蝕膨脹，混凝土順筋開裂。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 值會由腐蝕產(chǎn)物Fe2 + 的水解而降低，在極端條件下，陽極閉塞區(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)資料報道[2] ，1991 年美國技術(shù)評估中心確認(rèn)，美國基礎(chǔ)設(shè)施總投資為1.4萬億美元，而每年修復(fù)費是1400億美元，占總投資產(chǎn)的10% ，即10 年的修復(fù)費與總資產(chǎn)持平，若保持基礎(chǔ)設(shè)施正常運轉(zhuǎn)40年，則需花費4倍的總資產(chǎn)。1995年美國腐蝕成本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，維修費是初建費的4倍。
3. 2 防腐蝕政策
基礎(chǔ)設(shè)施是國家的經(jīng)濟命脈。國務(wù)院在2000年就頒布了279 號令，即《建設(shè)工程質(zhì)量管理條例》，規(guī)定了“設(shè)計文件應(yīng)符合國家規(guī)定的設(shè)計深度要求，注明合理使用年限”“建設(shè)工程實行質(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 號令實際上是貫徹實施基礎(chǔ)設(shè)施工程的“全壽命責(zé)任制”。美國第2893號政府令《聯(lián)邦基礎(chǔ)設(shè)施投資原則》明確要求，工程項目的投資成本包含整個使用壽命期內(nèi)的一切費用。美國聯(lián)邦公路局( THWA) 在1994 年發(fā)布公告《， 關(guān)于實施全壽命經(jīng)濟分析( 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)項目的投資評估，均執(zhí)行“全壽命經(jīng)濟分析法”(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。這種侵入的過程要有幾年時間。針對腐蝕的內(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)的高強度追求，高強度是提高水泥標(biāo)號、降低水灰比增加級配中的水泥量，要從這種傳統(tǒng)思路中解脫出來。
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，筆者把他稱謂“不作為職務(wù)”，這是由于體制、機制上的不完善，一些技術(shù)規(guī)范、規(guī)程相對滯后而造成的。國務(wù)院279 號令要求執(zhí)行“全壽命責(zé)任制”，因此，提高認(rèn)識，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，各國投入了大量的研究，我國也投資了數(shù)百萬元開展“高強與高性能混凝土”課題研究。2000 年12 月，國家交通部頒發(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主橋墩、加拿大金布洛克步行橋和臺灣屏東國立海生博物館等，它們的設(shè)計壽命都在75 年以上。
我國某跨海大橋采用了高性能混凝土設(shè)計方案，在施工過程中發(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；另一座長距離跨海大橋原設(shè)計也是采用高性能混凝土，由于前橋之變，也改變了方案，說明我國該項的技術(shù)水平與國外相比，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)的最佳時期應(yīng)當(dāng)在混凝土表面沒有破損之前的鋼筋腐蝕初期階段(稱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“臨界值”；鋼筋表面已經(jīng)處于活化狀態(tài)，這時可用滲透型涂層簡單處理之。一旦出現(xiàn)順筋裂縫，應(yīng)當(dāng)立即采取修補措施，因為順筋裂縫屬于“活裂紋”，隨時都在擴展。
5. 1 修補方法
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；粗裂縫應(yīng)清除松動和不密實的混凝土后，用水泥聚合物砂漿修補，外用纖維增強材料包覆。常用砂漿、混凝土的聚合物有：PBM21 樹脂、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 專用修補砂漿。
5. 2 修補實例
(1) 本體修補法 用新拌混凝土在金山區(qū)經(jīng)一路上幾百只護欄孔洞填補，一個月以后，新舊混凝土之間產(chǎn)生裂縫，幾個月之后幾乎全部脫落，因此這種修補方法是徒勞的。
(2) 聚合物砂漿修補法 上海石化生活區(qū)幾百根鋼筋混凝土管架順筋開裂，采用ABA 水泥砂漿增強劑(聚合物乳液) 砂漿修補，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 鎮(zhèn)海煉化儲運公司碼頭1 # 、4 # 、5 # 泊位砼樁共9269m2 按下列程序進行修復(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，涂刷上海金山開泰科技開發(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+ 快干劑進行分層填補空穴；
⑤采用海工牌砼面防腐涂料由360kg/cm2無氣噴槍滿涂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)時考核。
②裸露鋼筋再鈍化，涂刷上海金山開泰科技開發(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+ 快干劑進行分層填補空穴；
⑤采用海工牌砼面防腐涂料由360kg/cm2無氣噴槍滿涂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)時考核。
6 濕面鋼筋混凝土康復(fù)性修補技術(shù)研究
此技術(shù)的難點在于：
① 海運碼頭中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(含工作平臺、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)時間只有2h ；
③非特殊功能性粘合劑沒有結(jié)合力。
技術(shù)的關(guān)鍵是：
① 尋找一種“憎水”的粘合劑；
②探索補強修復(fù)破損鋼筋混凝土的施工工藝。
6. 1 粘合劑的“憎水”機理[5]
固體環(huán)氧樹脂和丙烯酸樹脂在催化劑存在下進行酯化反應(yīng)，成為憎水型的成膜基材；在硅烷偶聯(lián)劑(RnSiX4-n) 作用下，X 基團與潮濕表面的混凝土(鋼筋) 生成Si－O－Si 化學(xué)鍵；R 基團與聚合物形成一體，使高分子聚合物與無機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，也有較強的憎水性，且有較寬的環(huán)境溫度適應(yīng)性，凝膠時間短、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)被用作補強康復(fù)破損鋼筋混凝土的粘合劑。
6. 2 濕面固化的驗證試驗[6]
在2003年，經(jīng)過兩次(1干1濕、普通環(huán)氧與濕面固化粘合劑) 對比試驗，試驗結(jié)果表明，無論對潮濕的鋼鐵表面或是潮濕的混凝土表面都能按時固化，甚至放在海水中也能固化；對比的普通環(huán)氧涂料就不行。又模擬了現(xiàn)場條件，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，浸漬玻璃纖維補強，再浸入海水中固化，固化效果能夠重現(xiàn)，但密實性不好；第二次預(yù)制了模板，重復(fù)試驗，結(jié)果滿意，透水性幾乎是“零”，重錘敲擊下只有混凝土破碎?；具_(dá)到了憎水、封孔和補強的效果。以上試驗現(xiàn)已由上海石化股份公司批準(zhǔn)，撥付?？钤诤＿\碼頭進行實樁試驗。
7 結(jié) 論
(1) 海運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題，才可能達(dá)到50 年以上無大修的目標(biāo)，然而目前的技術(shù)水平尚有較大差距。
(2) 鋼筋混凝土的修補技術(shù)，在陸地上采用聚合物砂漿似可過關(guān)，修補成本是普通混凝土的5 倍；對于海上橋梁和碼頭，尤其是潮差段和浪花飛濺區(qū)的修復(fù)技術(shù)，本文試驗了的濕面固化粘合劑與纖維增強修補工藝，結(jié)果滿意。實用效果尚須在實樁試驗后經(jīng)時考核才能定論。
參考文獻:
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