利用鋼筋阻銹劑來提高橋梁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性

　　摘要：鋼筋銹蝕在混凝土結(jié)構(gòu)中大量存在，是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性破壞的主要形式之一。引起鋼筋銹蝕的原因有很多，其中以氯腐蝕與碳化(中性化)的影響作用最為明顯。使用鋼筋阻銹劑是一種比較經(jīng)濟(jì)有效的保護(hù)措施，能夠明顯提高結(jié)構(gòu)的抗銹蝕能力和耐久性。本文對(duì)鋼筋阻銹劑的應(yīng)用背景、阻銹性能等進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，并與傳統(tǒng)方法進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明：使用阻銹劑技術(shù)具有更經(jīng)濟(jì)及應(yīng)用方便的特點(diǎn)。隨著我國(guó)對(duì)混凝土耐久性認(rèn)識(shí)水平的不斷深入與重視，鋼筋阻銹劑應(yīng)該能得到更大的發(fā)展。

　　1．應(yīng)用背景

　　但隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng)，鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)中會(huì)出現(xiàn)各種各樣的病害。如果混凝土材料的施工質(zhì)量不好，或結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)有缺陷等、都會(huì)加速病害的發(fā)生和發(fā)展速度。采用高質(zhì)量的材料、優(yōu)良的施工和設(shè)計(jì)質(zhì)量、可以提高新建橋梁的耐久性，但仍然有許多理由需要對(duì)這些新橋進(jìn)行保護(hù)以便使其能達(dá)到或超過設(shè)計(jì)服役壽命。對(duì)已經(jīng)服役一定時(shí)間的橋梁，則更要進(jìn)行經(jīng)常性的保護(hù)和維修，以便使其經(jīng)常處于良好的條件下，延長(zhǎng)服役壽命[1]。

　　在影響橋梁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的諸多因素中，鋼筋銹蝕問題舉足輕重。在1991年召開的第二屆混凝土耐久性國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議上，Metha教授指出：“當(dāng)今世界混凝土破壞原因按重要性遞減順序排列是：鋼筋銹蝕、寒冷氣候下的凍害、侵蝕環(huán)境下的物理化學(xué)作用”[2]。他明確將“鋼筋銹蝕”排在影響混凝土耐久性因素的首位，而來自海洋環(huán)境和使用除冰鹽引來的氯腐蝕與來自CO2和SO2等的混凝土中性化又是造成鋼筋銹蝕的主要原因。 

　　1998年美國(guó)運(yùn)輸部門給國(guó)會(huì)的關(guān)于美國(guó)公路與橋梁狀況的報(bào)告中指出：“現(xiàn)在積壓著有待修補(bǔ)的混凝土橋梁的維修費(fèi)是1550億美元”[3]。美國(guó)公路研究戰(zhàn)略計(jì)劃披露，到20世紀(jì)末，為更換或修復(fù)冬天撒除冰鹽引起的破損公路混凝土橋面板，估計(jì)要耗資4000億美元，其中大部分是由鋼筋銹蝕引起的。在英國(guó)，根據(jù)運(yùn)輸部門1989年的報(bào)告：英格蘭和威爾士有75％的鋼筋混凝土橋梁受到氯離子侵蝕，維護(hù)維修費(fèi)用是造價(jià)的兩倍[4]，為解決海洋環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)銹蝕與防護(hù)問題，每年花費(fèi)近20億英鎊[5]。在日本、蘇聯(lián)、瑞士、法國(guó)、加拿大及海灣國(guó)家等，都有大量以氯鹽為主的鋼筋腐蝕破壞問題[6]。

　　近年來，國(guó)內(nèi)鐵路混凝土梁由于環(huán)境惡化等一系列原因?qū)е虏『Φ臄?shù)量急劇增長(zhǎng)，已成為橋梁維護(hù)工作者的一大難題。據(jù)1998年秋檢統(tǒng)計(jì)資料，全路橋梁不合格率為19.39％，其中較為嚴(yán)重的病害包括嚴(yán)重裂損、嚴(yán)重漏水和承載能力不足等。國(guó)內(nèi)公路及市政部門，也有類似的情況。像北京、天津的鋼筋混凝土立交橋，很多雖然使用時(shí)間還不長(zhǎng)，卻已廣泛顯示鋼筋銹蝕和混凝土順筋脹裂的破壞跡象，從而過早地失去了使用功能[7,8]。

　　考慮和制定橋梁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的銹蝕對(duì)策具有重要意義。

　　2．提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗銹性能的常用方法

　　2.1 機(jī)械除銹法

　　機(jī)械除銹法屬于傳統(tǒng)方法。這種方法首先通過人工或高壓水噴射，去除因鋼筋銹脹開裂產(chǎn)生的混凝土表面松散層，然后進(jìn)行修補(bǔ)或替換已銹蝕的鋼筋，在鋼筋表面涂刷阻銹層，再用密實(shí)水泥砂漿或細(xì)石混凝土覆蓋抹平。即使修補(bǔ)質(zhì)量較好，但修補(bǔ)處的砂漿或混凝土與周圍混凝土含鹽量不同，密實(shí)性差，有可能構(gòu)成新的宏觀腐蝕電池，使鄰近這個(gè)界面的混凝土中的鋼筋形成新的陽極區(qū)，加速鋼筋銹蝕。另外，這種方法施工比較麻煩，工期較長(zhǎng)，施工質(zhì)量不易控制。

　　2.2 環(huán)氧涂層鋼筋法

　　這種方法是在鋼筋表面靜電噴涂一層環(huán)氧樹脂粉末，形成具有一定厚度的一層堅(jiān)韌不滲透連續(xù)的絕緣層，可以隔離鋼筋與腐蝕介質(zhì)的接觸。使用這種鋼筋會(huì)使鋼筋與混凝土之間的粘合力降低35%，并且需要嚴(yán)格注意不得破壞涂層。因?yàn)橐坏┩繉悠茡p后，鋼筋的銹蝕速率反而會(huì)加快，因?yàn)樵谕繉拥撵o電噴涂過程中會(huì)清除原有的鋼筋表面氧化膜。

　　2.3 陰極保護(hù)法

　　陰極保護(hù)法有犧牲陽極和外加電流兩種方式：

　　犧牲陽極的陰極保護(hù)法是采用電化學(xué)上比鋼更活潑，即電位更負(fù)的金屬作為陽極，與被保護(hù)的鋼筋相聯(lián)接，以其本身的銹蝕提供自由電子來對(duì)鋼筋實(shí)施保護(hù)。該方法不需外部直接電流，施工簡(jiǎn)便不必經(jīng)常護(hù)理。但由于提供的電流有限，此法不適用于暴露于大氣中的混凝土結(jié)構(gòu)中的保護(hù)。

　　外加電流陰極保護(hù)法是采用外加電流使被保護(hù)鋼筋上所有陽極區(qū)均變成陰極區(qū)來對(duì)鋼筋進(jìn)行保護(hù)的方法。一般做法是再混凝土表面涂一層導(dǎo)電涂料或埋設(shè)導(dǎo)電材料與直流電流正極相連，形成新的電位差，使原鋼筋骨架轉(zhuǎn)化為陰極。

　　陰極保護(hù)法可以在再不清理鋼筋周圍混凝土層或稍加整理的情況下對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)施無損修復(fù)。該法專業(yè)性較強(qiáng)，費(fèi)用較大，因此在工程中普遍采用受到限制，除非有些重大工程確有必要時(shí)可以考慮采用這種方法。

　　2.4 阻銹劑法

　　鋼筋阻銹劑是指加入混凝土中或涂刷在硬化混凝土表面，能阻止或減緩鋼筋腐蝕的化學(xué)物質(zhì)。一些能改善混凝土對(duì)鋼筋防護(hù)性能的添加劑或外涂保護(hù)劑（如硅灰、硅烷浸漬劑等）不屬于鋼筋阻銹劑范疇，鋼筋阻銹劑必須能直接阻止或延緩鋼筋銹蝕的電化學(xué)過程。鋼筋阻銹劑使用比較方便，無需專門維護(hù)，且費(fèi)用比較低廉，為世界各國(guó)廣泛推廣采用。

　　2.5 幾種方法的比較見下表1。

表1 幾種常見阻銹方法性能比較

　　3．鋼筋阻銹劑的主要性能指標(biāo)

　　3.1腐蝕電流的降低

　　鋼筋阻銹劑的主要功能在于能夠阻止或減緩混凝土內(nèi)部鋼筋的銹蝕速度，而腐蝕電流的大小則是描述銹蝕速度的重要參數(shù)，該值是可以通過特定的儀器進(jìn)行量測(cè)的。用電測(cè)方法測(cè)量結(jié)構(gòu)不同部位鋼筋的腐蝕電流即可得出結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)性變化的信息。

　　3.2濾除氯離子的性能

　　混凝土中Cl－含量對(duì)鋼筋銹蝕的影響極大，當(dāng)混凝土中含有Cl－時(shí)，即使混凝土的堿度還較高，鋼筋周圍的混凝土尚未碳化，鋼筋也會(huì)出現(xiàn)銹蝕的現(xiàn)象。這是因?yàn)镃l－的半徑小，活性大，具有很強(qiáng)的穿透鈍化膜的能力，致使鋼筋表面的鈍化膜局部破壞，從而使鋼筋產(chǎn)生所謂的坑蝕現(xiàn)象。氯離子不斷地結(jié)合Fe2+生成氯化鐵后，與OH－發(fā)生反應(yīng)后重新釋放，繼續(xù)去結(jié)合新的Fe2+。這種反應(yīng)過程是惡性的，混凝土中及鋼筋表面的氯離子并不會(huì)消亡。只要氯離子存在，這種反應(yīng)就會(huì)一直持續(xù)下去，直至鋼筋完全被銹蝕。資料表明，混凝土中氯化物含量達(dá)0.6~1.2kg/m3，鋼筋的腐蝕過程就可以發(fā)生。由于氯離子對(duì)鋼筋混凝土的危害，對(duì)混凝土中氯化物的含量應(yīng)嚴(yán)格加以控制。

　　因此，阻銹劑能否有效地降低混凝土中及鋼筋表面的氯離子含量，便成為評(píng)定其阻銹性能的一項(xiàng)重要因素。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》中表Q.2.4明確規(guī)定，噴涂型阻銹劑對(duì)氯離子含量的降低率必須大于90%。

　　3.3高溫、高濕環(huán)境下的工作性能

　　高溫、高濕條件是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加速劣化的重要外部環(huán)境。室溫環(huán)境下有效的阻銹劑未必可以在高溫高濕條件下繼續(xù)保持其有效性。

　　嚴(yán)重的銹蝕現(xiàn)象往往又都是在高溫、高濕等惡劣環(huán)境下產(chǎn)生的。因此，阻銹劑在高溫、高濕環(huán)境下的工作性能就變得相當(dāng)重要。

　　3.4環(huán)保性能

　　噴涂型阻銹劑的主要成份是有機(jī)化學(xué)物質(zhì)，在其儲(chǔ)藏、運(yùn)輸和使用時(shí)應(yīng)避免對(duì)環(huán)境的污染。應(yīng)選取無毒、無害的環(huán)保型阻銹劑。

　　4．鋼筋阻銹劑的比較

　　國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)外涂型鋼筋阻銹劑分為兩大類，一類是烷氧基類阻銹劑，另一類是氨基類阻銹劑。本文擬就這兩類阻銹劑結(jié)合市場(chǎng)上目前存在的一些硅烷類浸漬劑一起，進(jìn)行一個(gè)功能比較[9,10]。如下表2所示。

表2  烷氧基類阻銹劑與氨基類阻銹劑及硅烷浸漬劑比較表

　　5．結(jié)論

　　鋼筋銹蝕在混凝土結(jié)構(gòu)中大量存在，是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性破壞的主要形式之一。與機(jī)械除銹法、環(huán)氧涂層法和陰極保護(hù)法等傳統(tǒng)方法相比，鋼筋阻銹劑法經(jīng)濟(jì)有效、方便快捷，能夠明顯提高結(jié)構(gòu)的抗銹蝕能力和耐久性。針對(duì)目前鐵路、公路橋梁以及沿海建筑物普遍面臨日益嚴(yán)重的氯離子腐蝕現(xiàn)象，應(yīng)該選用能夠?yàn)V除氯離子、明顯減小鋼筋中腐蝕電流的阻銹劑?？梢灶A(yù)計(jì)，隨著我國(guó)對(duì)混凝土耐久性認(rèn)識(shí)水平的不斷深入與重視，新型的鋼筋阻銹劑應(yīng)該能得到更大的發(fā)展。

　　參考文獻(xiàn)

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　　[9] ProtectosilCIT產(chǎn)品手冊(cè)；Degussa特種化學(xué)集團(tuán)

　　[10] WJE Associates,Inc. ‘The Corrosion of Black Reinforcing Steel in
 Concretes Coated with Surface Treatments for Sivento INC. April 22, 1998. 
No.960896