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浅议海水环境下增强混凝土耐久性措施

时间:2014-04-19  来源:  编辑:  浏览:913次
因此,如何提高砼的抗氯离子渗透性,减小砼电通量,已经成为提高砼抗腐蚀能力的关键问题[],[]…可见单凭设计采用预应力混凝土措施,也不能很好的解决防腐蚀耐久性问题,必须多种技术措施并举,联合施治,方能达到耐久之目的…结语由上述分析可见,预应力混凝土的防裂性好,高性能混凝土抗氯离子渗透能力强,而内掺钢筋阻锈剂采用涂镀层钢筋和表面涂层方案均有防腐蚀效果及其耐久性不足等局限性…
浅议海水环境下增强混凝土耐久性措施摘要:在国内海水环境下增强混凝土耐久性措施大致有五种:预应力混凝土、高性能混凝土、内掺钢筋阻锈剂、涂料涂装保护、涂层钢筋等。针对这五种措施增强混凝土耐久性措施,结合工程应用实例对其原理进行了分析,总结出其技术特点,为工程应用提供指导和帮助。

关键词:海水环境混凝土耐久性措施

一、前言

随着水运工程技术的不断发展,海水环境中码头的耐久性问题越来越受到研究人员的重视和关注。在海港环境中,砼腐蚀破坏主要表现为cl–的渗透导致钢筋锈胀,进而引起砼开裂加速钢筋锈蚀。因此,如何提高砼的抗氯离子渗透性,减小砼电通量,已经成为提高砼抗腐蚀能力的关键问题[1],[2]。

二、增强混凝土耐久性措施

1、预应力混凝土

预应力混凝土构件能有效地控制裂缝的产生,阻止“先裂后锈”和“锈裂互动”现象的发生和蔓延;且预应力混凝土构件的保护层厚度、配合比、水灰比等参数指标的规范要求均高于其他钢筋混凝土构件。因此,相对而言,预应力混凝土的质量与耐久性优于其他钢筋混凝土。但是一旦预应力混凝土构件发生腐蚀与破坏后,由于不能大范围凿除已遭氯离子污染的混凝土,所以预应力混凝土构件的可修复程度与修补效果均远低于其他钢筋混凝土构件,目前通常采取整个构件更换的方式。例如,在1990年投产的北仑二期集装箱码头5#、6#泊位后方引桥的预应力“T”型梁上,使用12年后亦发现诸多“锈斑”,说明其内部钢筋已开始锈蚀。可见单凭设计采用预应力混凝土措施,也不能很好的解决防腐蚀耐久性问题,必须多种技术措施并举,联合施治,方能达到耐久之目的。

2、高性能混凝土

区别于传统混凝土,高性能混凝土以耐久性作为首要指标,可有重点地予以保证其耐久性、工作性、强度、体积稳定性以及经济性等。就海港码头工程而言,侧重于高性能、抗渗性、体积稳定性、强度与优良的抗冲击疲劳性等。目前,国内外海工高性能混凝土的研究与应用方兴未艾[3]。在荷兰,对已使用3~63年的64座海工结构(其中90%的结构采用磨细矿渣混凝土)调查发现,结构基本完好,氯离子扩散系数仅为普通混凝土的1/10~1/15。典型事例为东谢尔德挡潮闸工程,其设计使用寿命是250年,80年不维修,其基本防腐措施就是采用水胶比为0.4的大渗量(65%)磨细矿渣混凝土。在英、美、加、日和中东等国家和地区,也都有类似的成功工程应用实例。

在我国,高效减水剂与粉煤灰双掺技术,分别于1987年应用于厦门高集跨海公路大桥和1997年应用于厦门海沧大桥,在上海南浦大桥、杨浦大桥和黄浦江越江隧道等工程中,也得到了应用。

国内外有关实验研究和工程实践证明,养护对高性能混凝土的质量和耐久性十分重要。常温下养护不够,对高性能混凝土的质量与耐久性的影响程度有时甚至重于普通混凝土,因此,及时、充分地湿养护是其获得高强度、低孔隙率和高抗氯离子扩散能力所必不可少的。据此,高性能混凝土十分适合养护条件优良的专业性与预制场制作的构件。而养护条件较差的现场现浇构件,设计采用高性能混凝土时,除了采取调整相应的技术措施外,尚需在现场配备专门的养护设施,确保不间断湿养护14天~21天。另外高性能混凝土相对于普通混凝土在搅拌时间、震捣、拆模时间上都有区别,因此在高性能混凝土实施前需要根据其特点制定专门的质量控制措施。

3、内掺钢筋阻锈剂

海工混凝土中钢筋的腐蚀,事实上是一种电化学腐蚀,其阴、阳极反应都在钢筋电解质界面上发生,若能阻止其中任何一种界面反应,就能抑制腐蚀。如果某种(或某些)化学物质能够优先参与并阻止上述两种或其中一种界面反应,且能长期保持稳定状态,则用此类化学物质就可有效地阻止钢筋锈蚀,这种在混凝土拌制过程中掺加少量化学物质(外加剂),通过影响上述界面电化学反应来阻止钢筋腐蚀的方法是简便易行的,这种化学物质(外加剂),对钢筋而言,就是阻锈剂。按阻锈机理,可分为阳极型,阴极型和混合型三类;按材质种类可分为有机类和无机类两种。以往大规模工程应用的亚硝酸钙,属阳极型阻锈剂。苯甲酸钠、重铬酸、氯化亚锡等也是阳极型阻锈剂。近来,开发了大量的有机类阻锈剂,以及有机胺盐类与亚硝酸钠的复合阻锈剂。

1970年起我国在湛江浪溅区进行了为期10年的钢筋混凝土试件暴露实验,发现在水灰比大(0.65)、保护层薄(15mm)的试件中,内掺占水泥用量2%的亚硝酸钠,可使钢筋锈积率从89%减少到3.5%,显示出优良的长期阻锈效果,钾、钠的重铬酸盐效果亦然。在山东三山岛金矿工程和江苏东台县方塘河挡潮闸等工程中,也有早期成功应用的实例。2000年,在粤海通道琼州海峡铁路轮渡工程的钢筋混凝土结构中,成功地使用了GF——01型钢筋阻锈剂重达近百吨。

由上可见,内掺亚硝酸钙和复合型亚硝酸钙钢筋阻锈剂,是一种经过长期试验研究和工程实践的经济实用的钢筋保护措施。与预估钢筋周围混凝土中氯化物含量相比,通过对实际使用的水泥砂石料和拌合用水的试验研究,确保小于一定值,就可使钢筋长期处于钝态。

但是,当混凝土存在裂缝时,开裂处的钢筋阻锈剂会否流失,若然,对阻锈效果的影响程度如何?人们对此心存疑虑。Berke用三点加荷法使裂缝宽度为0.25mm的裂缝达到试件的“全裂”与“半裂”,并用空白试件进行了为期30个月的加速试验,结论是掺亚硝酸钙的试验梁中,钢筋开始腐蚀的时间,是“全裂”的比“半裂”的早;同样是“全裂”或“半裂”的试验梁,与不裂的空白试验件相比,掺亚硝酸钙可显著的推迟腐蚀起动时间与腐蚀效率。由此可见,使用亚硝酸钙类阻锈剂时,首先应控制开裂程度,尤其是对梁类构件的受弯拉区域。因此,宜采用预应力混凝土来控制裂缝的产生与发展,再用钢筋阻锈剂抑制腐蚀,最后用具有一定弹性的涂层封闭涂装,以起到协同保护作用。这时,钢筋阻锈剂起到“拾遗补缺”和“消防队员”的作用。

同时,未裂试件室内加速浸烘试验表明,采用高性能混凝土和普通混凝土内掺钢筋阻锈剂相比,在浸烘16个周期后,钢筋锈蚀面积率和钢筋周围氯离子含量相当,采用钢筋阻锈剂试件的钢筋锈蚀失重率是采用高性能混凝土试件的3倍左右,可见,仅靠内掺钢筋阻锈剂的防腐蚀效果还是有限的。

4、涂料涂装保护

混凝土表面实施涂料涂装保护,可阻止或减缓环境介质中氯离子的侵入,也起到装饰效果。但必须解决涂层中的耐碱性和附着力等两方面的问题、受阳光直射部位表面的耐光老化问题、以及潮湿表面实施时的湿固化与湿面附着力问题。

底层涂料(封闭漆),应具有低粘度和高渗透能力,能渗透到混凝土内起到封闭孔隙和提高后续涂层附着力的作用,是混凝土表面涂装保护的关键和质量控制步骤。就耐碱性而言,呋喃树脂优于环氧树脂,耐碱性好的封闭漆有利于涂层长期附着性能。国内海港码头工程中使用涂层保护的工程实例已较多,但尚未很好解决底漆的渗透与附着力问题。早期部分工程在使用几年后,就出现涂层的析碱、开裂乃至脱落问题。

南京水利科学研究院分别于1997年和1999年,对海军獭山驱逐舰码头约13000m2和北仑港区2.5万吨级矿石装船码头约1200m2构件表面,实施了FH系列的呋喃改性环氧封闭底漆+环氧煤沥青中间漆与面漆的涂装保护。涂层性能检验结果表明,涂层附着力(拉开法)≥混凝土本体抗拉强度,通常达到2.0Mpa左右;呋喃改性环氧封闭底漆的渗透深度达1~3mm;抗氯离子渗透试验表明,未发现任何脱落与开裂现象。

由上可见,海港工程钢筋混凝土中实施涂料涂装保护是一种经济实用的防腐蚀技术措施。但涂装质量的控制十分关键,一旦局部存在各种缺陷与针孔被氯离子突破,则在一定范围内涂层的封闭保护作用将会丧失。潮湿面涂装时,设计选材十分关键,因为任何一种封闭底漆在干燥面与潮湿面的附着力存在明显的差别,所以,必要时需辅以其他措施提高构件表面的干燥程度。另外,目前市售涂料品种,均不能有效地克服活动性裂缝,除非是专项设计生产的弹性涂层。因此,实施涂料涂装的钢筋混凝土构件,首先必须进行控裂设计,至少达到构件在不同工况条件下,受拉弯区裂缝的缝宽基本不变,以确保涂层保护的效果。再者,预制件采取岸上涂装封闭,则存在吊运安装过程中局部损坏和现场补口问题;现浇构件则存在减少海水初期污染和涂装时机问题;此外涂层设计使用年限通常只有10到15年,受阳光直射部位的面漆耐紫外线老化设计年限通常不到10年,届时,后继防腐技术措施如何,两者的匹配性如何等问题,这些在设计或组织实施中,均应充分考虑。

5、涂(镀)层钢筋

海水环境中的氯盐对不受冻地区的素混凝土而言是无害的,腐蚀破坏是通过对钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀锈胀实现的。因此,若将钢筋表面预先实施一层不腐蚀或耐腐蚀的涂(镀)层来阻挡或隔离氯离子的侵蚀,是最为直接的技术措施,涂镀层钢筋目前主要有环氧涂层钢筋和热镀锌钢筋两种。

从1970年起,美国联邦公路管理局(FHWA)针对撒除冰盐引起高速公路桥梁异常严重的钢筋腐蚀破坏问题,委托起国家标准局(NSA)的研究人员,经过历时3年的试验研究,从56种聚合物涂层中筛选出一种最理想的静电喷涂环氧粉末涂层钢筋,又名环氧涂层钢筋(EBAR)。至1991年,EBAR已占其钢筋总用量的5%。但在1988年,在腐蚀环境较为恶劣的美国佛罗里达州Keys地区的两座使用EBAR跨海大桥上,仅使用4~6年就出现了异常严重的腐蚀破坏,并进行了专项调查研究。加拿大公路战略研究计划对19座采用EBAR结构调查与研究表明,19座结构中,有5座在使用8年就发生了钢筋腐蚀引起的破坏。其主要原因是涂层质量,尤其是弯曲部位涂层质量问题,以及吊装储运过程中局部破损与现场补口问题等。对是否继续采用EBAR,国际上目前仍有争议,有的认为不宜使用;但另一些人认为只要提高质量标准,加强全过程监控,仍不失为盐污染环境中一种提高性能的有效措施。

我国目前已有EBAR的专业厂家,在上海宝钢所属的马迹山矿石中转码头上曾大规模使用,并已制定了相应的规范条款。基于在数量庞大的钢筋及钢筋笼的储运、安装和绑扎过程中,不允许存在任何隐患与缺陷,否则就会局部显著的加剧钢筋腐蚀,最终导致混凝土保护层开裂使EBAR遭受进一步的腐蚀。因此,必须慎用。何况其造价是普通钢筋的1.5倍以上,再加上专门的长途储运费用和增加用筋的费用等,其经济优势不明显。再有,在达到设计使用年限后,后继的修复变得十分困难。

镀锌钢筋作为一种经济有效的护筋措施,有资料介绍始于二十世纪30年代,但工程实践表明,处于海洋环境中的结构,并不一定能够提供长期可靠的保护。钢筋镀锌层有两种,一种是在不含硅的钢上迅速冷却,其表面存在一层有一定厚度的纯锌层,称为光亮的热浸镀锌层(简称光亮镀锌层);另一种是含硅的钢在热浸锌后缓慢冷却,使纯锌层过多的消耗转化为ζ锌/铁层,使纯锌层很薄,失去光泽,称为灰锌镀层。由于锌是一种两性金属,当pH值小于6或大于13时,都会发生反应而遭腐蚀;在两值之间时,因锌腐蚀产物使表面密封而受到保护。镀锌钢筋浇筑到混凝土中后,锌与混凝土中碱性组份间的反应,在混凝土硬化后就停止。

目前,镀锌层的性质及其微观结构对镀锌钢筋在混凝土中腐蚀行为的影响,已得到了广泛的研究。结果表明:

为了使镀锌层钝化,表明具有足够的纯锌储备是重要的,亦即光亮镀锌层的性能明显优于灰镀锌层;

相对而言,镀锌层去钝化的氯离子浓度比普通钢的高出2.5倍以上;

若混凝土质量较差,环境腐蚀条件恶劣,则整个镀锌层在使用期内衰减得很多,寿命很短,不足以提供长期保护的效果。反之,若混凝土质量较高,环境侵蚀性较弱,则镀锌层可显著的提高混凝土结构的使用寿命。

总之,光亮镀锌层可延长钢筋的使用寿命,但在海水环境中,若混凝土质量较差,则作用甚微。

三、结语

由上述分析可见,预应力混凝土的防裂性好,高性能混凝土抗氯离子渗透能力强,而内掺钢筋阻锈剂、采用涂(镀)层钢筋和表面涂层方案均有防腐蚀效果及其耐久性不足等局限性。因此,各种防腐蚀技术措施各有特点,适用场合有异,必须针对实际情况,采用多技术措施并举,联合施治的方式,方能最大限度的实现科学合理、经济耐久的防腐蚀耐久性设计。

参考文献

[1]吴中伟.高性能混凝土(HPC)的发展趋势与问题.建筑技术1998年.

[2]吴中伟,廉慧珍.高性能混凝土.中国铁道出版社.1999年.

[3]孙正平,张冠伦.高性能混凝土的研究.混凝土1996



(褚明生陈袆)

来源:项目管理网

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