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)濟有效的保護措施，能夠明顯提高結(jié)構(gòu)的抗銹蝕能力和耐久性。本文對鋼筋阻銹劑的應(yīng)用背景、阻銹性能等進行了簡要介紹，并與傳統(tǒng)方法進行了對比分析，結(jié)果表明：使用阻銹劑技術(shù)具有更經(jīng)濟及應(yīng)用方便的特點。隨著我國對混凝土耐久性認識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

　　但隨著服役時間的延長，鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)中會出現(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)計有缺陷等、都會加速病害的發(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這些新橋進行保護以便使其能達到或超過設(shè)計服役壽命。對已經(jīng)服役一定時間的橋梁，則更要進行經(jīng)常性的保護和維修，以便使其經(jīng)常處于良好的條件下，延長服役壽命[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際學術(shù)會議上，Metha教授指出：“當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年美國運輸部門給國會的關(guān)于美國公路與橋梁狀況的報告中指出：“現(xiàn)在積壓著有待修補的混凝土橋梁的維修費是1550億美元”[3]。美國公路研究戰(zhàn)略計劃披露，到20世紀末，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，估計要耗資4000億美元，其中大部分是由鋼筋銹蝕引起的。在英國，根據(jù)運輸部門1989年的報告：英格蘭和威爾士有75％的鋼筋混凝土橋梁受到氯離子侵蝕，維護維修費用是造價的兩倍[4]，為解決海洋環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)銹蝕與防護問題，每年花費近20億英鎊[5]。在日本、蘇聯(lián)、瑞士、法國、加拿大及海灣國家等，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，已成為橋梁維護工作者的一大難題。據(jù)1998年秋檢統(tǒng)計資料，全路橋梁不合格率為19.39％，其中較為嚴重的病害包括嚴重裂損、嚴重漏水和承載能力不足等。國內(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，很多雖然使用時間還不長，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 機械除銹法

　　機械除銹法屬于傳統(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，然后進行修補或替換已銹蝕的鋼筋，在鋼筋表面涂刷阻銹層，再用密實水泥砂漿或細石混凝土覆蓋抹平。即使修補質(zhì)量較好，但修補處的砂漿或混凝土與周圍混凝土含鹽量不同，密實性差，有可能構(gòu)成新的宏觀腐蝕電池，使鄰近這個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，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。使用這種鋼筋會使鋼筋與混凝土之間的粘合力降低35%，并且需要嚴格注意不得破壞涂層。因為一旦涂層破損后，鋼筋的銹蝕速率反而會加快，因為在涂層的靜電噴涂過程中會清除原有的鋼筋表面氧化膜。

　　2.3 陰極保護法

　　陰極保護法有犧牲陽極和外加電流兩種方式：

　　犧牲陽極的陰極保護法是采用電化學上比鋼更活潑，即電位更負的金屬作為陽極，與被保護的鋼筋相聯(lián)接，以其本身的銹蝕提供自由電子來對鋼筋實施保護。該方法不需外部直接電流，施工簡便不必經(jīng)常護理。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。

　　外加電流陰極保護法是采用外加電流使被保護鋼筋上所有陽極區(qū)均變成陰極區(qū)來對鋼筋進行保護的方法。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混凝土結(jié)構(gòu)實施無損修復(fù)。該法專業(yè)性較強，費用較大，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物質(zhì)。一些能改善混凝土對鋼筋防護性能的添加劑或外涂保護劑（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過程。鋼筋阻銹劑使用比較方便，無需專門維護，且費用比較低廉，為世界各國廣泛推廣采用。

　　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

　　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行量測的。用電測方法測量結(jié)構(gòu)不同部位鋼筋的腐蝕電流即可得出結(jié)構(gòu)危險性變化的信息。

　　3.2濾除氯離子的性能

　　混凝土中Cl－含量對鋼筋銹蝕的影響極大，當混凝土中含有Cl－時，即使混凝土的堿度還較高，鋼筋周圍的混凝土尚未碳化，鋼筋也會出現(xiàn)銹蝕的現(xiàn)象。這是因為Cl－的半徑小，活性大，具有很強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消亡。只要氯離子存在，這種反應(yīng)就會一直持續(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0.6~1.2kg/m3，鋼筋的腐蝕過程就可以發(fā)生。由于氯離子對鋼筋混凝土的危害，對混凝土中氯化物的含量應(yīng)嚴格加以控制。

　　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，便成為評定其阻銹性能的一項重要因素。國家標準《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》中表Q.2.4明確規(guī)定，噴涂型阻銹劑對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重要。

　　3.4環(huán)保性能

　　噴涂型阻銹劑的主要成份是有機化學物質(zhì)，在其儲藏、運輸和使用時應(yīng)避免對環(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

　　國家標準《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》中對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)合市場上目前存在的一些硅烷類浸漬劑一起，進行一個功能比較[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。與機械除銹法、環(huán)氧涂層法和陰極保護法等傳統(tǒng)方法相比，鋼筋阻銹劑法經(jīng)濟有效、方便快捷，能夠明顯提高結(jié)構(gòu)的抗銹蝕能力和耐久性。針對目前鐵路、公路橋梁以及沿海建筑物普遍面臨日益嚴重的氯離子腐蝕現(xiàn)象，應(yīng)該選用能夠濾除氯離子、明顯減小鋼筋中腐蝕電流的阻銹劑?？梢灶A(yù)計，隨著我國對混凝土耐久性認識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

　　[1] 張譽，蔣利學等；《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性概論》，上?？茖W技術(shù)出版社，上海，2003年12月
　　[2] 趙國藩；《工程結(jié)構(gòu)可靠性理論與應(yīng)用》，大連理工大學出版社，大連，1996

　　[3] 金偉良，趙羽習；《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的回顧與展望》，浙江大學學報，杭州，Vol.36 No.4 2002年7月

　　[4] R.K.Dhir, M.R. Jones; ‘Rapid estimation of chloride diffusion concrete’，Magazine of concrete Reaearch, Vol.42, No.152, 1990, 177-185

　　[5] 龔洛書，柳春圃；《混凝土的耐久性及其防護修補》，中國建筑工業(yè)出版社，北京，1990

　　[6] 吳瑾；《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)銹蝕損傷》，科學出版社，北京，2005

　　[7] 洪乃豐；《鋼筋阻銹劑（RI）概要》，冶金工業(yè)部建筑研究總院，北京

　　[8] 洪定海；《混凝土中鋼筋的腐蝕與防腐》，中國鐵道出版社，北京，1998

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

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