鋼筋混凝土腐蝕修復技術研究
2005-12-01 00:00
摘 要：由于腐蝕而破損的鋼筋混凝土結構進行康復性修理在技術上有一定的難度，尤其是基面終年潮濕的海港工程設施，如：海運碼頭和鉆井平臺等，進行康復性修理是世界公認的難題。本文重點研究海運碼頭的鋼筋混凝土康復性修理技術，試驗的結果已移栽在海港碼頭應用實踐，成效還有待經時考核。
關鍵詞：鋼筋混凝土腐蝕； 濕面固化粘合劑； 纖維增強修復
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”?；炷恋膽茫〈宋覈沤ㄖ谐Ｓ玫呐疵资覞{。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)代基礎設施中的主體。因為腐蝕，對高強度鋼筋混凝土提出了耐久性問題。在全壽命經濟分析法( Total Cycle Cast Analysis ，簡稱LCCA) 的催生下，20 世紀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；通過摻和超細高爐礦渣粉、優(yōu)質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合結構材料，在正常情況下經久而不會損壞。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，凝固干縮而產生裂紋，有害物質就可經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，使之容易接受介質的腐蝕。這是鋼筋混凝土腐蝕的內因。
3. 1 腐蝕危害
據(jù)資料報道[2] ，1991 年美國技術評估中心確認，美國基礎設施總投資為1.4萬億美元，而每年修復費是1400億美元，占總投資產的10% ，即10 年的修復費與總資產持平，若保持基礎設施正常運轉40年，則需花費4倍的總資產。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。
基礎設施是國家的經濟命脈。國務院在2000年就頒布了279 號令，即《建設工程質量管理條例》，規(guī)定了“設計文件應符合國家規(guī)定的設計深度要求，注明合理使用年限”“建設工程實行質量保修制度⋯⋯基礎工程設施最低保修期限為建設文件規(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設施工程的“全壽命責任制”。美國第2893號政府令《聯(lián)邦基礎設施投資原則》明確要求，工程項目的投資成本包含整個使用壽命期內的一切費用。美國聯(lián)邦公路局( THWA) 在1994 年發(fā)布公告《， 關于實施全壽命經濟分析( Total Life Cycle Analysis) 法》的政策聲明，凡聯(lián)邦和地方聯(lián)合管理的基礎建設項目的投資評估，均執(zhí)行“全壽命經濟分析法”(LCCA) 。
4. 1 改變傳統(tǒng)觀念
鋼筋混凝土腐蝕的內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，應改變傳統(tǒng)的高強度追求，高強度是提高水泥標號、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。
“職務任期之內不出明顯的工程質量事故就完事了，何必管它50 年100 年呢”，“投資工程建設施工驗收合格就完成任務了，至于腐蝕大修是生產成本的事”。持這種觀念的也許是少數(shù)當事者，筆者把他稱謂“不作為職務”，這是由于體制、機制上的不完善，一些技術規(guī)范、規(guī)程相對滯后而造成的。國務院279 號令要求執(zhí)行“全壽命責任制”，因此，提高認識，克服不作為職務觀念，應當列為防腐蝕工程的重要原則。
20 世紀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)標準中把高性能混凝土列入《海港工程混凝土結構防腐蝕技術規(guī)范》[JTJ 275-2000] 。目前世界上已有許多大的基礎設施工程應用了高性能混凝土，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，它們的設計壽命都在75 年以上。
修復的目的是恢復結構的功能與完整性。改善外貌與耐久性，有效防止環(huán)境中的介質繼續(xù)侵入混凝土中腐蝕鋼筋。
據(jù)資料介紹[3] ，細裂紋可用聚合物(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，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)境溫度適應性，凝膠時間短、韌性好且收縮率低。
在2003年，經過兩次(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；第二次預制了模板，重復試驗，結果滿意，透水性幾乎是“零”，重錘敲擊下只有混凝土破碎?；具_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，撥付?？钤诤＿\碼頭進行實樁試驗。
(1) 海運碼頭的鋼筋混凝土結構的腐蝕是嚴重的，采用高性能混凝土可從源頭解決混凝土的裂紋問題，才可能達到50 年以上無大修的目標，然而目前的技術水平尚有較大差距。
目前國內外對高性能混凝土技術研究方興未艾，并且已有應用成功的實例，隨著高性能混凝土的廣普采用，基礎設施中的鋼筋混凝土在50～100 年內免維修將成為可能。但在過去已建成投用的大量基礎設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成為高密封性整體，使深度腐蝕破損的鋼筋混凝土恢復原有的功能，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合結構材料，在正常情況下經久而不會損壞。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，凝固干縮而產生裂紋，有害物質就可經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，使之容易接受介質的腐蝕。這是鋼筋混凝土腐蝕的內因。
(2) 化學介質的腐蝕 我國東南海沿海地區(qū)，腐蝕鋼筋混凝土的化學介質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管滲入，可使孔液的pH 值降低到8. 3 左右，當碳化深度到達鋼筋表面時，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Cl-到達鋼筋表面pH 值會由腐蝕產物Fe2 + 的水解而降低，在極端條件下，陽極閉塞區(qū)的pH 值可以達到3.5 左右， 腐蝕速度高達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 年美國技術評估中心確認，美國基礎設施總投資為1.4萬億美元，而每年修復費是1400億美元，占總投資產的10% ，即10 年的修復費與總資產持平，若保持基礎設施正常運轉40年，則需花費4倍的總資產。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
基礎設施是國家的經濟命脈。國務院在2000年就頒布了279 號令，即《建設工程質量管理條例》，規(guī)定了“設計文件應符合國家規(guī)定的設計深度要求，注明合理使用年限”“建設工程實行質量保修制度⋯⋯基礎工程設施最低保修期限為建設文件規(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設施工程的“全壽命責任制”。美國第2893號政府令《聯(lián)邦基礎設施投資原則》明確要求，工程項目的投資成本包含整個使用壽命期內的一切費用。美國聯(lián)邦公路局( THWA) 在1994 年發(fā)布公告《， 關于實施全壽命經濟分析( Total Life Cycle Analysis) 法》的政策聲明，凡聯(lián)邦和地方聯(lián)合管理的基礎建設項目的投資評估，均執(zhí)行“全壽命經濟分析法”(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，應改變傳統(tǒng)的高強度追求，高強度是提高水泥標號、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 克服不作為職務觀念
“職務任期之內不出明顯的工程質量事故就完事了，何必管它50 年100 年呢”，“投資工程建設施工驗收合格就完成任務了，至于腐蝕大修是生產成本的事”。持這種觀念的也許是少數(shù)當事者，筆者把他稱謂“不作為職務”，這是由于體制、機制上的不完善，一些技術規(guī)范、規(guī)程相對滯后而造成的。國務院279 號令要求執(zhí)行“全壽命責任制”，因此，提高認識，克服不作為職務觀念，應當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關鍵
20 世紀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)標準中把高性能混凝土列入《海港工程混凝土結構防腐蝕技術規(guī)范》[JTJ 275-2000] 。目前世界上已有許多大的基礎設施工程應用了高性能混凝土，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水平與國外相比，還有相當大的差距。但不可否認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。
5 鋼筋混凝土的修復技術
修復的目的是恢復結構的功能與完整性。改善外貌與耐久性，有效防止環(huán)境中的介質繼續(xù)侵入混凝土中腐蝕鋼筋。
修復的最佳時期應當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) ，即碳化深度已經到達鋼筋表面；Cl-含量已經超過“臨界值”；鋼筋表面已經處于活化狀態(tài)，這時可用滲透型涂層簡單處理之。一旦出現(xiàn)順筋裂縫，應當立即采取修補措施，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，經一年后檢查，未曾發(fā)現(xiàn)裂紋和殼空現(xiàn)象，可認為是成功的。
(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[4]：
①清創(chuàng)處理：600kg/cm2旋轉水砂噴射清理；
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工程有限公司完成，使用效果有待經時考核。
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工程有限公司完成，使用效果有待經時考核。
6 濕面鋼筋混凝土康復性修補技術研究
此技術的難點在于：
① 海運碼頭中的鋼筋混凝土結構(含工作平臺、系纜樁和人行橋樁等) ，永遠處于潮濕環(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合力。
技術的關鍵是：
① 尋找一種“憎水”的粘合劑；
②探索補強修復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，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)境溫度適應性，凝膠時間短、韌性好且收縮率低。
這種粘合劑原先被應用于濕面固化涂料，由常州凱星涂料廠生產，現(xiàn)被用作補強康復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；第二次預制了模板，重復試驗，結果滿意，透水性幾乎是“零”，重錘敲擊下只有混凝土破碎?；具_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，撥付?？钤诤＿\碼頭進行實樁試驗。
7 結 論
(1) 海運碼頭的鋼筋混凝土結構的腐蝕是嚴重的，采用高性能混凝土可從源頭解決混凝土的裂紋問題，才可能達到50 年以上無大修的目標，然而目前的技術水平尚有較大差距。
(2) 鋼筋混凝土的修補技術，在陸地上采用聚合物砂漿似可過關，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)的修復技術，本文試驗了的濕面固化粘合劑與纖維增強修補工藝，結果滿意。實用效果尚須在實樁試驗后經時考核才能定論。
參考文獻:
[1 ] 黃兆龍，王和源，湛淵源. 混凝土耐久性設計與實務[A] . 第二屆海峽兩崖材料腐蝕與防護研討會論文集[C] . 2000.
[2 ] 洪乃豐. 基礎設施腐蝕防護和耐久性[A] . 中國化學工業(yè)出版社，2003.
[3 ] 熊大玉，王小紅. 混凝土外加劑[A ] . 化學工業(yè)出版社，2003.
[4 ] 顧正賢. 鎮(zhèn)海煉化倉儲公司碼頭防腐施工總結[ Z] .2002.
[5 ] 陳仲德. 水下固化防腐涂料研制總結[ Z] . 2002.
[6 ] 上海石化科協(xié)腐蝕科學技術學會. 濕面固化涂料產品驗證報告[ R] . 2003. 編輯：
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