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(jiǎn)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(lái)了嚴(yán)重的危害。西方一些發(fā)達(dá)國(guó)家建造鋼筋混凝土橋梁時(shí)間長(zhǎng), 出現(xiàn)的問(wèn)題也比較顯著。據(jù)統(tǒng)計(jì), 早在1992 年, 美國(guó)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(wàn)至2 億美元。英國(guó)、挪威、日本、加拿大和澳大利亞等一些國(guó)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(guó)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(lái)的危害尚沒(méi)有全面暴露出來(lái), 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(bào)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(jì)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(gè)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(lái)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(huì)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(jì)壽命的要求。一座大型橋梁, 造價(jià)動(dòng)輒幾千萬(wàn)元, 甚至上億元, 使用壽命與設(shè)計(jì)壽命如此大的差距, 本身就是一種巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)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(huì)帶來(lái)沉重的財(cái)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(guó)引起了密切關(guān)注。美國(guó)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(duì)公路工程在全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)施了“戰(zhàn)略公路研究計(jì)劃”, 研究公路橋梁的鋼筋腐蝕問(wèn)題; 英國(guó)于20 世紀(jì)70 年代啟動(dòng)“海洋研究計(jì)劃”, 針對(duì)海洋環(huán)境中鋼筋混凝土的腐蝕進(jìn)行研究。我國(guó)工程界也越來(lái)越清醒地認(rèn)識(shí)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(guó)工程院主持的水泥混凝土結(jié)構(gòu)耐久性及耐久性會(huì)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(guó)家、社會(huì)造成的危害。

　　鋼筋腐蝕的原因錯(cuò)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(shí)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(duì)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(méi)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(guò)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(yáng)極、外加電流等方法, 這類方法主要通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)調(diào)整阻銹劑的摻量可以滿足結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(jiǎn)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(lái)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(chǎng)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(duì)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(jiǎn)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(duì)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(shí)采用的是鋼筋, 而不是水泥混凝土, 因此鹽水浸泡試驗(yàn)對(duì)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(gè)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(wú)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(jiǎn)便直觀, 在國(guó)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(guó)內(nèi)外多數(shù)專家推薦采用綜合法評(píng)判, 實(shí)際使用時(shí)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(chǔ)存過(guò)程中應(yīng)避免暴曬、雨淋和受潮, 同時(shí)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(shí)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(guó)鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)中使用阻銹劑的數(shù)量相對(duì)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(guó)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(chǎng)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(guó), 氯鹽腐蝕環(huán)境粗略估計(jì)約占國(guó)土面積的2ö3 , 由此可見(jiàn)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(guò)生產(chǎn)廠家的推薦摻量和現(xiàn)場(chǎng)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(méi)有使用過(guò)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(jì)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(lái)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(zhǎng)期不銹蝕。為更安全、更可靠計(jì), 用R I／C l^- ≥112; 水劑型則應(yīng)R I／C l^-≥310; 在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)進(jìn)入水泥混凝土中的氯鹽量不明確時(shí), 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(shí)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(duì)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(jí)不應(yīng)低于S 8; 28 d 收縮應(yīng)變不宜大于1×10- 4; 對(duì)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(shí)間長(zhǎng), 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(guó)內(nèi)外研究和工程實(shí)踐都表明, 同時(shí)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(duì)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(hào)、最大水灰比、最小水泥用量和最低強(qiáng)度等級(jí)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(huì)對(duì)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(duì)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(shí)間和速率。抗壓強(qiáng)度的降低值與不摻阻銹劑的基準(zhǔn)樣對(duì)比, 允許降低10% , 但是這部分降低值必須通過(guò)同時(shí)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(shí), 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(shí)間可通過(guò)摻用緩凝劑或促凝劑來(lái)調(diào)整。

4.2　對(duì)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(dòng)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(shí), 應(yīng)包裹塑料薄膜或噴涂養(yǎng)生劑, 潮濕養(yǎng)護(hù)時(shí)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(huì)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(yǔ)

　　目前, 我國(guó)正處于大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)時(shí)期,全面提高和改善結(jié)構(gòu)耐久性對(duì)于國(guó)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(jiǎn)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。

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