公路工程鋼筋混凝土阻銹劑應(yīng)用技術(shù)

摘　要: 怎樣才能避免或延緩公路橋梁水泥混凝土中鋼筋的腐蝕破壞, 在水泥混凝土拌和物中摻加阻銹劑是一種施工簡單、經(jīng)濟(jì)而又有效的方法。主要介紹了阻銹劑在公路水泥混凝土橋梁工程應(yīng)用中的適用范圍、性能要求、用量以及技術(shù)控制指標(biāo)。

關(guān)鍵詞: 公路工程; 水泥混凝土; 鋼筋混凝土橋梁; 阻銹劑

　　鋼筋混凝土作為一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的建筑材料在橋梁工程中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用, 但是由于鋼筋銹蝕而導(dǎo)致的耐久性不足也給橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用帶來了嚴(yán)重的危害。西方一些發(fā)達(dá)國家建造鋼筋混凝土橋梁時間長, 出現(xiàn)的問題也比較顯著。據(jù)統(tǒng)計, 早在1992 年, 美國因撒除冰鹽引起鋼筋腐蝕破壞而限載通車的公路橋梁約占1ö4, 每年的維修費(fèi)用高達(dá)5 千萬至2 億美元。英國、挪威、日本、加拿大和澳大利亞等一些國家在20 世紀(jì)60、70 年代建造的鋼筋混凝土橋梁現(xiàn)在大部分都已經(jīng)或輕或重地出現(xiàn)鋼筋銹蝕現(xiàn)象。我國鋼筋混凝土橋梁的建設(shè)高潮開始僅10 年左右, 鋼筋銹蝕帶來的危害尚沒有全面暴露出來, 但部分橋梁鋼筋銹蝕破壞現(xiàn)象已經(jīng)初露端倪, 有些甚至非常嚴(yán)重, 如北京的西直門橋, 使用不到20 年就因鋼筋銹蝕而不得不報廢重建。鋼筋腐蝕已經(jīng)成為鋼筋混凝土橋梁破壞的首要原因。

　　鋼筋混凝土橋梁, 尤其是大中型橋梁, 設(shè)計壽命一般在80 年左右, 有些甚至100 年、120 年。保障橋梁結(jié)構(gòu)如此耐久的壽命, 除了正常維護(hù)、周期性更換部分附屬構(gòu)件以外, 主體結(jié)構(gòu)的耐久性更是一個非常重要的環(huán)節(jié)。從現(xiàn)有公路工程結(jié)構(gòu)的鋼筋腐蝕速度來看, 若不采取任何防腐蝕措施, 在南方高溫地區(qū), 3～ 4 年水泥混凝土保護(hù)層就會因?yàn)殇摻罡g而開裂; 在北方低溫地區(qū), 4～ 5 年鋼筋就腐蝕相當(dāng)嚴(yán)重。橋梁結(jié)構(gòu)的這種老化速度, 很難滿足設(shè)計壽命的要求。一座大型橋梁, 造價動輒幾千萬元, 甚至上億元, 使用壽命與設(shè)計壽命如此大的差距, 本身就是一種巨大的經(jīng)濟(jì)和社會損失; 而且, 由于耐久性不足,橋梁結(jié)構(gòu)在正常使用期間的巨額維修費(fèi)用也會帶來沉重的財政負(fù)擔(dān)。

　　鋼筋腐蝕破壞如此廣泛而嚴(yán)重, 已經(jīng)在世界各國引起了密切關(guān)注。美國從20 世紀(jì)50 年代就開始了氯鹽環(huán)境下鋼筋腐蝕的研究, 在80 年代中期專門針對公路工程在全國范圍內(nèi)實(shí)施了“戰(zhàn)略公路研究計劃”, 研究公路橋梁的鋼筋腐蝕問題; 英國于20 世紀(jì)70 年代啟動“海洋研究計劃”, 針對海洋環(huán)境中鋼筋混凝土的腐蝕進(jìn)行研究。我國工程界也越來越清醒地認(rèn)識到氯鹽環(huán)境引起的鋼筋腐蝕的嚴(yán)重性。在2002 年12 月中國工程院主持的水泥混凝土結(jié)構(gòu)耐久性及耐久性會議上, 許多院士、專家也大力呼吁重視鋼筋銹蝕、尤其是氯鹽環(huán)境下的鋼筋腐蝕給國家、社會造成的危害。

　　鋼筋腐蝕的原因錯綜復(fù)雜, 腐蝕機(jī)理主要可以分為兩種: 化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。在氯鹽環(huán)境中的鋼筋腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕, 這種腐蝕的發(fā)生時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于水泥混凝土碳化引起的鋼筋銹蝕, 早期的鋼筋銹蝕破壞一般是由于氯離子的侵蝕引起的。這種腐蝕速度快且產(chǎn)生點(diǎn)腐蝕, 不僅嚴(yán)重削弱鋼筋截面, 而且容易導(dǎo)致應(yīng)力集中, 尤其對于以承受疲勞和沖擊荷載為主的橋梁結(jié)構(gòu), 這種腐蝕的危害更為嚴(yán)重^{[ 1 ]}。

　　怎樣才能避免或延緩水泥混凝土橋梁中鋼筋腐蝕破壞, 關(guān)鍵在于預(yù)防。之所以許多鋼筋混凝土橋梁銹蝕破壞如此嚴(yán)重, 沒有采取有效的防銹措施是最主要的原因之一。目前的防銹措施主要有防銹涂層法、陰極保護(hù)法、惰化鋼筋法和防銹水泥混凝土等方法。涂層法主要包括水泥混凝土表面涂層、水泥混凝土表面聚合物浸漬、鋼筋表面涂層等, 這類方法主要通過設(shè)置致密層切斷氯離子或其他侵蝕介質(zhì)到達(dá)鋼筋表面的路徑從而達(dá)到防止鋼筋腐蝕的目的; 陰極保護(hù)法主要有犧牲陽極、外加電流等方法, 這類方法主要通過補(bǔ)償鐵原子失去的電子而達(dá)到防止鋼筋銹蝕的目的; 惰化鋼筋法主要通過采用不銹鋼筋、碳纖維棒等活性低的金屬或惰性材料部分或全部取代鋼筋。這些方法施工技術(shù)要求高, 工藝比較復(fù)雜, 后期維護(hù)費(fèi)用高, 目前大多應(yīng)用于大型復(fù)雜鋼筋混凝土橋梁的重點(diǎn)部位或構(gòu)件的輔助防腐, 普遍推廣還需要做許多工作。

防銹混凝土是通過在混凝土拌和物中摻加一定量的抑制鋼筋銹蝕的阻銹劑制作而成的, 這種混凝土通過調(diào)整阻銹劑的摻量可以滿足結(jié)構(gòu)在設(shè)計壽命期內(nèi)的防止或延緩鋼筋銹蝕的要求。防銹水泥混凝土從根本上增強(qiáng)了鋼筋水泥混凝土橋梁防止銹蝕的能力, 正如人類抵御疾病一樣, 打針吃藥是一種外在的補(bǔ)救措施, 增強(qiáng)體質(zhì)才是保持身體健康、延長壽命的最根本途徑。實(shí)踐證明, 防銹水泥混凝土施工工藝簡單、經(jīng)濟(jì)有效, 是應(yīng)用前景比較廣闊的一種阻銹方法, 近年來得到了廣泛的應(yīng)用。

阻銹劑是防銹水泥混凝土中發(fā)揮防銹作用的主劑, 其研究與工程應(yīng)用發(fā)展得非常迅速。目前, 市場上阻銹劑種類繁多, 效果各異。為便于廣大公路工程技術(shù)人員掌握阻銹劑的技術(shù)內(nèi)容和使用要求, 規(guī)范阻銹劑在公路橋梁工程中的合理應(yīng)用, 達(dá)到改善水泥混凝土橋梁耐久性能的預(yù)期效果, 本文結(jié)合交通部2006 年發(fā)布的《公路工程水泥混凝土外加劑與摻合料應(yīng)用技術(shù)指南》中有關(guān)阻銹劑的內(nèi)容, 對應(yīng)用于公路橋梁工程的阻銹劑的適用范圍、性能要求、用量以及施工技術(shù)控制指標(biāo)進(jìn)行了簡要介紹。

1　阻銹劑性能

　　根據(jù)阻銹劑的產(chǎn)品狀態(tài)將其分為粉劑型和水劑型。水劑型阻銹劑宜稀釋使用, 粉劑型阻銹劑宜配成溶液使用, 并在加水量中將溶液水扣除。其性能指標(biāo)應(yīng)符合表1 的規(guī)定。

　　表1 中試驗(yàn)項(xiàng)目的第一項(xiàng)為鋼筋在鹽水中的浸泡試驗(yàn), 此試驗(yàn)對于定性確定阻銹劑的有效性有一定作用, 但是由于試驗(yàn)時采用的是鋼筋, 而不是水泥混凝土, 因此鹽水浸泡試驗(yàn)對于水泥混凝土構(gòu)件表

　　面裸露的鋼筋銹蝕更直接有效。而在水泥混凝土內(nèi)部是一個pH 值高達(dá)13 的堿性環(huán)境, 與含1115%N aCl 的飽和Ca (HO ) 2 溶液完全不同。因此, 只做此單項(xiàng)試驗(yàn)無法確認(rèn)阻銹劑在水泥混凝土或砂漿環(huán)境中的有效性。但是此方法簡便直觀, 在國內(nèi)外的阻銹劑標(biāo)準(zhǔn)中都有, 都將其作為定性判別阻銹劑效果的指標(biāo)。第二項(xiàng)指標(biāo)采用摻與不摻阻銹劑鋼筋混凝土鹽水浸烘8 次試驗(yàn), 經(jīng)試驗(yàn)比較, 比文獻(xiàn)^{[ 3 ]}規(guī)定的干濕冷熱60 次更嚴(yán)格明確。第三項(xiàng)指標(biāo)電化學(xué)綜合試驗(yàn)指新拌砂漿法、硬化砂漿法和鋼筋在混凝土中的宏觀電池腐蝕試驗(yàn)。這3 種方法屬于專門技術(shù)要求較高的定量銹蝕試驗(yàn)方法。實(shí)踐證明僅采用一種方法有可能誤判。因此, 國內(nèi)外多數(shù)專家推薦采用綜合法評判, 實(shí)際使用時至少應(yīng)采用其中2 種方法。阻銹劑的勻質(zhì)性應(yīng)滿足表2。

　　另外, 阻銹劑在運(yùn)輸、儲存過程中應(yīng)避免暴曬、雨淋和受潮, 同時遠(yuǎn)離明火和易燃易爆物, 不得隨地散灑和赤手觸摸。

2　適用范圍

　　阻銹劑根據(jù)使用方法可分為摻入拌和型與涂覆滲透型兩種。摻入拌和型阻銹劑一般用于新建工程防腐蝕以及舊水泥混凝土結(jié)構(gòu)的修復(fù); 表面涂覆滲透型阻銹劑一般用于舊水泥混凝土結(jié)構(gòu)的表面防護(hù), 也可在新建工程中與摻入拌和型阻銹劑同時采用。本文重點(diǎn)介紹在水泥混凝土和修復(fù)砂漿中使用的摻入拌和型阻銹劑。

　　目前, 我國鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)中使用阻銹劑的數(shù)量相對較少, 這為以后鋼筋腐蝕破壞埋下了嚴(yán)重的隱患。我們應(yīng)該從發(fā)達(dá)國家的橋梁結(jié)構(gòu)腐蝕破壞中吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn), 未雨綢繆, 在結(jié)構(gòu)建造初始就做好防銹措施。摻加阻銹劑的混凝土不需要特殊的施工工藝, 在一些比較特殊的防腐蝕部位更能顯示出優(yōu)越性。建議在下述環(huán)境和條件下的水泥混凝土橋梁結(jié)構(gòu)物中使用阻銹劑:

　　(1) 處于海洋環(huán)境: 海水浸蝕區(qū)、潮汐區(qū)、浪濺區(qū)及海洋大氣區(qū)的公路鋼筋混凝土橋梁及鋼筋混凝土護(hù)欄等;

　　(2) 使用海砂或海水的預(yù)應(yīng)力混凝土和鋼筋混凝土橋梁;

　　(3) 冬季撒除冰(雪) 鹽的鋼筋混凝土橋(涵) 面、鋼筋混凝土護(hù)欄等;

　　(4) 地下水和土壤中含有氯鹽的橋梁下部結(jié)構(gòu);

　　(5) 采用低堿度水泥或低堿摻合料, 處在強(qiáng)氯鹽銹蝕環(huán)境中的鋼筋混凝土橋梁;

　　(6) 氯離子含量大于表3 最高限量的預(yù)應(yīng)力混凝土和鋼筋混凝土橋梁;

　　(7) 有氯鹽腐蝕現(xiàn)象的鋼筋混凝土橋梁修復(fù);

　　(8) 預(yù)埋件或鋼制品在水泥混凝土中需加強(qiáng)銹蝕防護(hù)的場合, 因條件限制, 水泥混凝土構(gòu)件保護(hù)層偏薄者。

　　其他如公路工程中的鋼筋混凝土路面、隧道、涵洞、地下洞室等以防氯鹽腐蝕為基本要求的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)也需要使用阻銹劑。在我國, 氯鹽腐蝕環(huán)境粗略估計約占國土面積的2ö3 , 由此可見鋼筋腐蝕的廣泛性和防腐蝕的必要性。

3　阻銹劑摻量

　　阻銹劑隨其種類和阻銹效果要求而摻量各異,工程應(yīng)用中一般通過生產(chǎn)廠家的推薦摻量和現(xiàn)場試驗(yàn)綜合確定。本文給出了R I 型阻銹劑和濃度為30%的亞硝酸鈣阻銹劑的摻量范圍, 便于為沒有使用過阻銹劑的工程技術(shù)人員提供參考數(shù)值。

　　R I 型阻銹劑的用量取決于設(shè)計壽命內(nèi)腐蝕介質(zhì)進(jìn)入水泥混凝土中的量, 在氯鹽為主的情況下, 從研究試驗(yàn)結(jié)果來看, R I／C l^- ≥018, 已有顯著阻銹效果, R I／C l- ≥110, 可保持鋼筋長期不銹蝕。為更安全、更可靠計, 用R I／C l^- ≥112; 水劑型則應(yīng)R I／C l^-≥310; 在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)進(jìn)入水泥混凝土中的氯鹽量不明確時, 可按表4 選定阻銹劑摻量。應(yīng)注意: R I- 1N型阻銹劑含N a+ 、K+ , 有(或夾雜) 堿骨料時慎用。濃度30% 的亞硝酸鈣阻銹劑溶液的推薦摻量可按表5 選取。^{[ 4 ]}

4　技術(shù)控制指標(biāo)

4.1　對水泥混凝土質(zhì)量的技術(shù)要求

　　摻阻銹劑的水泥混凝土一般要求抗?jié)B等級不應(yīng)低于S 8; 28 d 收縮應(yīng)變不宜大于1×10- 4; 對處于南方海水中橋梁浪濺區(qū)的構(gòu)件, 由于南方氣溫較高, 持續(xù)時間長, 鋼筋銹蝕更快、更嚴(yán)重, 要求氯離子在這些構(gòu)件水泥混凝土中的滲透性不應(yīng)大于2 000 C。

　　國內(nèi)外研究和工程實(shí)踐都表明, 同時摻加阻銹劑和具有活性的超細(xì)礦物摻合料, 如粉煤灰、硅灰、磨細(xì)礦渣等, 防銹效果更加明顯, 原因是除阻銹劑具有一定的阻銹效果以外, 具有活性的礦物摻合料有利于提高混凝土密實(shí)性, 可以增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)抵御外界腐蝕介質(zhì)侵蝕的能力。摻合料的摻加方法和適宜摻量參考表6 的規(guī)定。其中, 摻粉煤灰對減小變形和提高抗裂效果最好, 而摻硅灰和磨細(xì)礦渣均可增大干縮, 硅灰還增大自身體積收縮, 應(yīng)注意在施工中加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)。

　　海水環(huán)境中的預(yù)應(yīng)力混凝土、鋼筋混凝土抗凍標(biāo)號、最大水灰比、最小水泥用量和最低強(qiáng)度等級等

　　都是影響結(jié)構(gòu)防腐蝕耐久性的重要因素, 應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格控制, 滿足表7 的要求。

　　混凝土拌和物中摻加阻銹劑以后會對混凝土的性能有所影響, 應(yīng)滿足表8 的要求。

表8　阻銹劑對混凝土性能的影響

　　表8 中, 摻阻銹劑的水泥混凝土抗氯離子滲透性這一指標(biāo)最為重要, 它影響到氯離子在水泥混凝土中的遷移速度, 進(jìn)而在很大程度上影響鋼筋開始銹蝕的時間和速率?？箟簭?qiáng)度的降低值與不摻阻銹劑的基準(zhǔn)樣對比, 允許降低10% , 但是這部分降低值必須通過同時使用高效減水劑降低用水量進(jìn)行補(bǔ)充; 單獨(dú)采用阻銹劑時, 水泥混凝土抗壓強(qiáng)度必須應(yīng)有足夠的富裕量, 硬化后必須滿足表7 的規(guī)定。摻阻銹劑的水泥混凝土的凝結(jié)時間可通過摻用緩凝劑或促凝劑來調(diào)整。

4.2　對水泥混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造的技術(shù)要求

　　海水環(huán)境中的預(yù)應(yīng)力混凝土、鋼筋混凝土的最小保護(hù)層厚度是保障結(jié)構(gòu)防腐蝕耐久性的重要指標(biāo), 應(yīng)滿足表9 的要求。

表9　海中橋梁預(yù)應(yīng)力混凝土、鋼筋混凝土構(gòu)件的最小保護(hù)層厚度

4.3　其他技術(shù)要求

　　摻阻銹劑混凝土的施工縫不應(yīng)設(shè)在浪濺區(qū)、水位變動區(qū); 水泥混凝土澆筑應(yīng)連續(xù), 并保證均勻性和密實(shí)性, 不得出現(xiàn)露筋、空洞、冷縫、夾渣、松頂?shù)痊F(xiàn)象; 水泥混凝土養(yǎng)護(hù)一般應(yīng)使用淡水, 預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)不得使用海水養(yǎng)護(hù), 缺乏淡水時, 應(yīng)包裹塑料薄膜或噴涂養(yǎng)生劑, 潮濕養(yǎng)護(hù)時間不應(yīng)少于21 d; 露筋是結(jié)構(gòu)為氯離子提供的進(jìn)入通道, 會加速銹蝕, 因此, 處在腐蝕環(huán)境中水泥混凝土結(jié)構(gòu)的模板應(yīng)采用外部固定或懸模架設(shè)方式, 不得從結(jié)構(gòu)中引出鋼筋架設(shè)固定,拆模后, 結(jié)構(gòu)表面不得裸露螺栓、鋼筋、拉桿、鐵釘和預(yù)埋件等。

5　結(jié)語

　　目前, 我國正處于大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)時期,全面提高和改善結(jié)構(gòu)耐久性對于國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展具有重要意義?；炷林袚郊幼桎P劑只是眾多鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)防銹蝕措施中的一種, 這種方法簡單實(shí)用, 能夠從根本上改善鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的防腐蝕性能, 如果與高抗?jié)B透性混凝土、環(huán)氧涂層鋼筋、表面涂層和硅烷浸漬等防銹措施聯(lián)合使用, 防銹蝕效果將更加顯著。

參考文獻(xiàn):

　　[1]　混凝土結(jié)構(gòu)耐久性及耐久性設(shè)計會議文集[C ]清華大學(xué), 20021

　　[2]　交通部公路科學(xué)研究院, 公路工程水泥混凝土外加劑與摻合料應(yīng)用技術(shù)指南[S ]

　　[3]　YBöT 9231- 98, 鋼筋阻銹劑使用技術(shù)規(guī)程[S ]

　　[4]　JTJ275- 2000, 海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范[S]