鋼筋混凝土腐蝕修復(fù)技術(shù)研究

2005-12-01 00:00
摘 要:由于腐蝕而破損的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)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(yùn)碼頭和鉆井平臺等,進(jìn)行康復(fù)性修理是世界公認(rèn)的難題。本文重點(diǎn)研究海運(yùn)碼頭的鋼筋混凝土康復(fù)性修理技術(shù),試驗(yàn)的結(jié)果已移栽在海港碼頭應(yīng)用實(shí)踐,成效還有待經(jīng)時(shí)考核。
 
關(guān)鍵詞:鋼筋混凝土腐蝕; 濕面固化粘合劑; 纖維增強(qiáng)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(jiān)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”。混凝土的應(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(qiáng)度使混凝土的功能又前進(jìn)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?yàn)楦g,對高強(qiáng)度鋼筋混凝土提出了耐久性問題。在全壽命經(jīng)濟(jì)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(qiáng)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(shí)性, 從而達(dá)到耐久性的目的?!   ?/DIV>
 
     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(shí)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(yùn)用有機(jī)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(shí)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?yàn)樵趐H ≥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(shí),鋼筋表面的鈍化膜就不穩(wěn)定;當(dāng)pH < 9. 88 時(shí),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(jìn)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(shí),鋼筋從鈍化狀態(tài)進(jìn)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(bào)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(fèi)是1400億美元,占總投資產(chǎn)的10% ,即10 年的修復(fù)費(fèi)與總資產(chǎn)持平,若保持基礎(chǔ)設(shè)施正常運(yùn)轉(zhuǎn)40年,則需花費(fèi)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(fèi),維修費(fèi)是初建費(fèi)的4倍。
 
3. 2  防腐蝕政策

     基礎(chǔ)設(shè)施是國家的經(jīng)濟(jì)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?xiàng)l例》,規(guī)定了“設(shè)計(jì)文件應(yīng)符合國家規(guī)定的設(shè)計(jì)深度要求,注明合理使用年限”“建設(shè)工程實(shí)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(shí)際上是貫徹實(shí)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(xiàng)目的投資成本包含整個(gè)使用壽命期內(nèi)的一切費(fèi)用。美國聯(lián)邦公路局( THWA) 在1994 年發(fā)布公告《, 關(guān)于實(shí)施全壽命經(jīng)濟(jì)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(xiàng)目的投資評估,均執(zhí)行“全壽命經(jīng)濟(jì)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(shí)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(qiáng)度追求,高強(qiáng)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(yàn)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(jī)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(qiáng)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(gè)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(jì)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(jì)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(jì)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(xiàng)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(qiáng)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(shí)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(shí)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(bǔ)措施,因?yàn)轫樈盍芽p屬于“活裂紋”,隨時(shí)都在擴(kuò)展。
 
5. 1  修補(bǔ)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(bǔ);粗裂縫應(yīng)清除松動和不密實(shí)的混凝土后,用水泥聚合物砂漿修補(bǔ),外用纖維增強(qiáng)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(bǔ)砂漿。
 
5. 2  修補(bǔ)實(shí)例

     (1) 本體修補(bǔ)法 用新拌混凝土在金山區(qū)經(jīng)一路上幾百只護(hù)欄孔洞填補(bǔ),一個(gè)月以后,新舊混凝土之間產(chǎn)生裂縫,幾個(gè)月之后幾乎全部脫落,因此這種修補(bǔ)方法是徒勞的。
 
     (2) 聚合物砂漿修補(bǔ)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(qiáng)劑(聚合物乳液) 砂漿修補(bǔ),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(bǔ) 鎮(zhèn)海煉化儲運(yùn)公司碼頭1 # 、4 # 、5 # 泊位砼樁共9269m2 按下列程序進(jìn)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(jìn)行分層填補(bǔ)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(shí)考核。
 
6  濕面鋼筋混凝土康復(fù)性修補(bǔ)技術(shù)研究

     此技術(shù)的難點(diǎn)在于:
     ① 海運(yùn)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(shí)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(bǔ)強(qiáng)修復(fù)破損鋼筋混凝土的施工工藝。
 
6. 1  粘合劑的“憎水”機(jī)理[5]

     固體環(huán)氧樹脂和丙烯酸樹脂在催化劑存在下進(jìn)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(tuán)與潮濕表面的混凝土(鋼筋) 生成Si-O-Si 化學(xué)鍵;R 基團(tuán)與聚合物形成一體,使高分子聚合物與無機(jī)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(qiáng)的憎水性,且有較寬的環(huán)境溫度適應(yīng)性,凝膠時(shí)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(bǔ)強(qiáng)康復(fù)破損鋼筋混凝土的粘合劑。
 
6. 2  濕面固化的驗(yàn)證試驗(yàn)[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(yàn),試驗(yàn)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(shí)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(bǔ)強(qiáng),再浸入海水中固化,固化效果能夠重現(xiàn),但密實(shí)性不好;第二次預(yù)制了模板,重復(fù)試驗(yàn),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(bǔ)強(qiáng)的效果。以上試驗(yàn)現(xiàn)已由上海石化股份公司批準(zhǔn),撥付專款在海運(yùn)碼頭進(jìn)行實(shí)樁試驗(yàn)。
 
7  結(jié) 論

     (1) 海運(yùn)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(bǔ)技術(shù),在陸地上采用聚合物砂漿似可過關(guān),修補(bǔ)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(yàn)了的濕面固化粘合劑與纖維增強(qiáng)修補(bǔ)工藝,結(jié)果滿意。實(shí)用效果尚須在實(shí)樁試驗(yàn)后經(jīng)時(shí)考核才能定論。
 
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