钢筋混凝土腐蚀修复技术研究

摘　要：由于腐蚀而破损的钢筋混凝土结构进行康复性修理在技术上有一定的难度，尤其是基面终年潮湿的海港工程设施，如：海运码头和钻井平台等，进行康复性修理是世界公认的难题。本文重点研究海运码头的钢筋混凝土康复性修理技术，试验的结果已移栽在海港码头应用实践，成效还有待经时考核。

 

关键词：钢筋混凝土腐蚀； 湿面固化粘合剂； 纤维增强修复

 

     自从160 多年前发明了波特兰水泥，它和水、碎石搅和水化成为坚如盘石般的建筑材料，俗称混凝土(Ordinary Performance Concrete) ，又称人工石，简称“砼”。混凝土的应用，取代了我国古建筑中常用的糯米石灰浆。用混凝土包裹钢筋以增加强度使混凝土的功能又前进了一大步，于是钢筋混凝土(Reinforcement Concrete) 成为现代基础设施中的主体。因为腐蚀，对高强度钢筋混凝土提出了耐久性问题。在全寿命经济分析法( Total Cycle Cast Analysis ，简称LCCA) 的催生下，20 世纪90 年代初提出了高性能混凝土(High Performance Concrete 或HPC) 的新思路，它的特征是根据固体堆积理论能保持很高的强度；通过掺和超细高炉矿渣粉、优质粉煤灰等活性材料和高效减水剂等，在低水胶比的条件下仍有良好的施工性和整体密实性， 从而达到耐久性的目的。　　　　

 

     目前国内外对高性能混凝土技术研究方兴未艾，并且已有应用成功的实例，随着高性能混凝土的广普采用，基础设施中的钢筋混凝土在50～100 年内免维修将成为可能。但在过去已建成投用的大量基础设施的维修工作也是迫在眉捷，而现有的维修工艺只能是“坏了修，修了坏”，尤其是潮湿工况条件下的海港工程。运用有机高分子材料在偶联剂的配合下，发挥键能作用，使硅酸盐、钢筋表面与高分子树脂粘结成为高密封性整体，使深度腐蚀破损的钢筋混凝土恢复原有的功能，并防止再次腐蚀，实为钢筋混凝土防腐蚀对策的一次探索。

 

2. 1 　腐蚀原因

     钢筋与混凝土是两种互为依托的复合结构材料，在正常情况下经久而不会损坏。因为在pH ≥12. 6 的混凝土包裹下的钢筋是不会腐蚀的；pH <11. 5 (临界值) 时，钢筋表面的钝化膜就不稳定；当pH < 9. 88 时，钝化膜完全破坏。

     (1) 混凝土与钢筋本身存在缺陷　混凝土是一种多孔性的易脆材料；因水化放热，凝固干缩而产生裂纹，有害物质就可经由最短的路径直接进入混凝土中，使钢筋表面环境的pH 值降至9 以下。钢筋自身的不均匀性和活泼性，使之容易接受介质的腐蚀。这是钢筋混凝土腐蚀的内因。

 

     (2) 化学介质的腐蚀　我国东南海沿海地区，腐蚀钢筋混凝土的化学介质主要有碳酸性和氯化物，其次是硫酸盐的侵蚀。环境中的CO₂气体通过多孔性混凝土的毛细管渗入，可使孔液的pH 值降低到8. 3 左右，当碳化深度到达钢筋表面时，钢筋从钝化状态进入活化状态，引起钢筋锈蚀膨胀，混凝土顺筋开裂。杭州湾海域的氯化物在1.36 % ，电阻率62.2Ω·cm ，当Cl^-到达钢筋表面pH 值会由腐蚀产物Fe^{2 +} 的水解而降低，在极端条件下，阳极闭塞区的pH 值可以达到3.5 左右， 腐蚀速度高达1175mm/a ，这是钢筋混凝土腐蚀的外因。

 

3. 1 　腐蚀危害

     据资料报道^[2] ，1991 年美国技术评估中心确认，美国基础设施总投资为1.4万亿美元，而每年修复费是1400亿美元，占总投资产的10% ，即10 年的修复费与总资产持平，若保持基础设施正常运转40年，则需花费4倍的总资产。1995年美国腐蚀成本3000亿美元，其中1500亿美元(占50%)是钢筋混凝土腐蚀造成的，每年还要支付2500亿美元的维修费，维修费是初建费的4倍。

 

3. 2 　防腐蚀政策

     基础设施是国家的经济命脉。国务院在2000年就颁布了279 号令，即《建设工程质量管理条例》，规定了“设计文件应符合国家规定的设计深度要求，注明合理使用年限”“建设工程实行质量保修制度⋯⋯基础工程设施最低保修期限为建设文件规定的该工程的合理使用年限”。279 号令实际上是贯彻实施基础设施工程的“全寿命责任制”。美国第2893号政府令《联邦基础设施投资原则》明确要求，工程项目的投资成本包含整个使用寿命期内的一切费用。美国联邦公路局( THWA) 在1994 年发布公告《， 关于实施全寿命经济分析( Total Life Cycle Analysis) 法》的政策声明，凡联邦和地方联合管理的基础建设项目的投资评估，均执行“全寿命经济分析法”(LCCA) 。

 

4. 1 　改变传统观念

     钢筋混凝土腐蚀的内因是混凝土本身的多孔性和脆性，又存在干缩裂纹；腐蚀的外因是介质的逐渐侵入，改变了钢筋环境。这种侵入的过程要有几年时间。针对腐蚀的内因首先要改变混凝土裂纹“难免论”和存在裂纹“无害论”，着眼于提高混凝土的致密性和耐久性，应改变传统的高强度追求，高强度是提高水泥标号、降低水灰比增加级配中的水泥量，要从这种传统思路中解脱出来。

 

4. 2 　克服不作为职务观念

     “职务任期之内不出明显的工程质量事故就完事了，何必管它50 年100 年呢”，“投资工程建设施工验收合格就完成任务了，至于腐蚀大修是生产成本的事”。持这种观念的也许是少数当事者，笔者把他称谓“不作为职务”，这是由于体制、机制上的不完善，一些技术规范、规程相对滞后而造成的。国务院279 号令要求执行“全寿命责任制”，因此，提高认识，克服不作为职务观念，应当列为防腐蚀工程的重要原则。

 

4. 3 　努力攻克高性能混凝土的技术关键

     20 世纪80 年代末90 年代初出现高性能混凝土(HPC) 之后，各国投入了大量的研究，我国也投资了数百万元开展“高强与高性能混凝土”课题研究。2000 年12 月，国家交通部颁发的行业标准中把高性能混凝土列入《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》[JTJ 275-2000] 。目前世界上已有许多大的基础设施工程应用了高性能混凝土，例如:英吉利海峡跨海隧道、日本明石跨海大桥的两个主桥墩、加拿大金布洛克步行桥和台湾屏东国立海生博物馆等，它们的设计寿命都在75 年以上。

 

     我国某跨海大桥采用了高性能混凝土设计方案，在施工过程中发生水化热冲顶(大于100℃) 。桩梁出现大范围裂缝，被迫改用钢管桩；另一座长距离跨海大桥原设计也是采用高性能混凝土，由于前桥之变，也改变了方案，说明我国该项的技术水平与国外相比，还有相当大的差距。但不可否认高性能混凝土的特征是耐久性、高强度、良好的工艺性和体积稳定性。因此还需努力攻关。

 

     修复的目的是恢复结构的功能与完整性。改善外貌与耐久性，有效防止环境中的介质继续侵入混凝土中腐蚀钢筋。

 

     修复的最佳时期应当在混凝土表面没有破损之前的钢筋腐蚀初期阶段(称T0 阶段) ，即碳化深度已经到达钢筋表面；Cl^-含量已经超过“临界值”；钢筋表面已经处于活化状态，这时可用渗透型涂层简单处理之。一旦出现顺筋裂缝，应当立即采取修补措施，因为顺筋裂缝属于“活裂纹”，随时都在扩展。

 

5. 1 　修补方法

     据资料介绍^[3] ，细裂纹可用聚合物(尿烷－氨基甲酸乙酯、丙烯酸胺等) 灌浆法修补；粗裂缝应清除松动和不密实的混凝土后，用水泥聚合物砂浆修补，外用纤维增强材料包覆。常用砂浆、混凝土的聚合物有：PBM21 树脂、丙烯酸酯共聚乳液(丙乳PAE) 、氯丁乳胶(CP) 、丁苯乳胶( SBP) 、乙烯2醋酸乙烯共聚乳液( EVA) 、水溶性聚氨酯浆料、丙烯酸胺(丙凝) 浆料和甲凝灌浆材料等。冶金建筑研究院等单位可供FC201 、RP2W 专用修补砂浆。

 

5. 2 　修补实例

     (1) 本体修补法　用新拌混凝土在金山区经一路上几百只护栏孔洞填补，一个月以后，新旧混凝土之间产生裂缝，几个月之后几乎全部脱落，因此这种修补方法是徒劳的。

 

     (2) 聚合物砂浆修补法　上海石化生活区几百根钢筋混凝土管架顺筋开裂，采用ABA 水泥砂浆增强剂(聚合物乳液) 砂浆修补，经一年后检查，未曾发现裂纹和壳空现象，可认为是成功的。

 

     (3) 聚合砂浆+ 涂料修补　镇海炼化储运公司码头1 # 、4 # 、5 # 泊位砼桩共9269m2 按下列程序进行修复^[4]_：

     ①清创处理：600kg/cm²旋转水砂喷射清理；
     ②裸露钢筋再钝化，涂刷上海金山开泰科技开发部提供的钢筋阻锈液；再涂二道防锈面漆； 
     ③表干后，用127 ( EVA) 水泥浆密封钢筋混凝土创口； 
     ④ 用525 # 水泥砂浆+ 快干剂进行分层填补空穴； 
     ⑤采用海工牌砼面防腐涂料由360kg/cm²无气喷枪满涂6道，漆膜厚度350～450μm ， (大气区335μm、潮差区和浪花飞溅区405μm) 。
     2003 年10 月8 日开工，12月22 日竣工。该工程由上海琪安防腐建设工程有限公司完成，使用效果有待经时考核。

 

     此技术的难点在于：

     ① 海运码头中的钢筋混凝土结构(含工作平台、系缆桩和人行桥桩等) ，永远处于潮湿环境中；

     ②施工作业时间只有2h ；

     ③非特殊功能性粘合剂没有结合力。

 

     技术的关键是：

     ① 寻找一种“憎水”的粘合剂；

     ②探索补强修复破损钢筋混凝土的施工工艺。

 

6. 1 　粘合剂的“憎水”机理^[5]

     固体环氧树脂和丙烯酸树脂在催化剂存在下进行酯化反应，成为憎水型的成膜基材；在硅烷偶联剂(R_nSiX_4-n) 作用下，X 基团与潮湿表面的混凝土(钢筋) 生成Si－O－Si 化学键；R 基团与聚合物形成一体，使高分子聚合物与无机底材之间形成分子桥，把两者牢固地粘附在一起。含有苯环的芳香胺固化剂，也有较强的憎水性，且有较宽的环境温度适应性，凝胶时间短、韧性好且收缩率低。

这种粘合剂原先被应用于湿面固化涂料，由常州凯星涂料厂生产，现被用作补强康复破损钢筋混凝土的粘合剂。

 

6. 2 　湿面固化的验证试验^[6]

     在2003年，经过两次(1干1湿、普通环氧与湿面固化粘合剂) 对比试验，试验结果表明，无论对潮湿的钢铁表面或是潮湿的混凝土表面都能按时固化，甚至放在海水中也能固化；对比的普通环氧涂料就不行。又模拟了现场条件，将破损钢筋混凝土构件浸透海水后，以湿面固化涂料为粘合剂，浸渍玻璃纤维补强，再浸入海水中固化，固化效果能够重现，但密实性不好；第二次预制了模板，重复试验，结果满意，透水性几乎是“零”，重锤敲击下只有混凝土破碎。基本达到了憎水、封孔和补强的效果。以上试验现已由上海石化股份公司批准，拨付专款在海运码头进行实桩试验。

 

     (1) 海运码头的钢筋混凝土结构的腐蚀是严重的，采用高性能混凝土可从源头解决混凝土的裂纹问题，才可能达到50 年以上无大修的目标，然而目前的技术水平尚有较大差距。

 

     (2) 钢筋混凝土的修补技术，在陆地上采用聚合物砂浆似可过关，修补成本是普通混凝土的5 倍；对于海上桥梁和码头，尤其是潮差段和浪花飞溅区的修复技术，本文试验了的湿面固化粘合剂与纤维增强修补工艺，结果满意。实用效果尚须在实桩试验后经时考核才能定论。

 

参考文献:

[1 ] 　黄兆龙，王和源，湛渊源. 混凝土耐久性设计与实务[A] . 第二届海峡两崖材料腐蚀与防护研讨会论文集[C] . 2000.

[2 ] 　洪乃丰. 基础设施腐蚀防护和耐久性[A] . 中国化学工业出版社，2003.

[3 ] 　熊大玉，王小红. 混凝土外加剂[A ] . 化学工业出版社，2003.

[4 ] 　顾正贤. 镇海炼化仓储公司码头防腐施工总结[ Z] .2002.

[5 ] 　陈仲德. 水下固化防腐涂料研制总结[ Z] . 2002.