鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕狀態(tài)與修補(bǔ)材料選擇分析

蘇加強(qiáng)，田 甜，胡優(yōu)耀

（1.云南省公路科學(xué)技術(shù)研究院，云南 昆明 650051；2.湖南固特邦土木技術(shù)發(fā)展有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410205；3.上海市房屋建筑設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200062）

混凝土中鋼筋銹蝕通常是一個(gè)電化學(xué)過(guò)程。當(dāng)濕度合適、有氧氣存在以及水溶液中含有高于0.4%水泥質(zhì)量的氯離子時(shí)，腐蝕就會(huì)加速[1]。氯離子極易誘發(fā)鋼筋腐蝕，需對(duì)鋼筋結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部修補(bǔ)，由于修補(bǔ)材料與原結(jié)構(gòu)材料的抗?jié)B性、溶解氧濃度和氯離子含量等的差異，鋼筋間腐蝕電位差導(dǎo)致了界面腐蝕電流的加劇，這是引起結(jié)構(gòu)局部修補(bǔ)電化學(xué)不相容的根本原因[2，3]。

對(duì)于鋼筋腐蝕引起的混凝土破壞，修補(bǔ)方式一般是清除破壞處混凝土，將銹蝕鋼筋打磨干凈或替換生銹嚴(yán)重的鋼筋，再用優(yōu)質(zhì)混凝土、砂漿或聚合物砂漿修補(bǔ)。然而，實(shí)際工程調(diào)查發(fā)現(xiàn)，完成局部修補(bǔ)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，修補(bǔ)區(qū)域的周圍原混凝土內(nèi)部往往會(huì)產(chǎn)生新的銹蝕或銹蝕加劇[4]。

修補(bǔ)工程中，修補(bǔ)材料多種多樣，不同材料與基體混凝土的電化學(xué)相容性差異直接影響到修復(fù)結(jié)構(gòu)的耐久性。為此，有必要研究不同腐蝕狀態(tài)下不同材料性能差異對(duì)修補(bǔ)結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕的影響，為修補(bǔ)工程材料的選擇提供借鑒。

1 修補(bǔ)實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)方案

為了研究材料抗?jié)B性、電阻率等的差異對(duì)鋼筋銹蝕的影響，考查了3種腐蝕狀態(tài)、3種不同修補(bǔ)材料，共9組試件的試驗(yàn)方案，試件編號(hào)如表1所示，材料配合比如表2所示。采用質(zhì)量損失法測(cè)量鋼筋的質(zhì)量損失率及腐蝕速率。

表1 鋼筋混凝土局部修補(bǔ)試件列表Tab.1 A list of specimens for local repairing of reinforced concrete

表2 材料的配合比Tab.2 List of material mixing ratio

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）截取120 mm的Ф8鋼筋若干段，鋼筋表面打磨干凈后，對(duì)鋼筋編號(hào)并稱重。然后在中間段留80 mm空白處，其余地方涂上環(huán)氧樹(shù)脂密封。

（ 2）澆 注 1組 100 mm×100 mm×100 mm的混凝土試件，預(yù)埋處理好的鋼筋，鋼筋2端分別留出10 mm（下同）；澆注9組100 mm×100 mm×50 mm混凝土試件，插入處理的鋼筋，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)21 d后，打磨頂面，在其上面分別澆注環(huán)氧砂漿、聚合物改性水泥砂漿和普通水泥砂漿。再分別按標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d。

（3）為了加速鋼筋的腐蝕，將A、B、C組試件放在真空干燥箱中干燥24 h，然后將整個(gè)試件浸泡在水中72 h為一個(gè)循環(huán)。

（4）放置180 d后將試件破碎，取出鋼筋將表面的鐵銹打磨干凈后稱量，計(jì)算鋼筋的失重率。

1.3 腐蝕速率計(jì)算方法

式（1）為腐蝕速率計(jì)算公式。

式中：K—常數(shù)；T—試驗(yàn)周期（h）；Δm—腐蝕試驗(yàn)中鋼筋的質(zhì)量損失（g）；D—試驗(yàn)材料的密度（g/cm3）；A—鋼筋的腐蝕面積（m2）。

2 結(jié)果與分析

試件中鋼筋腐蝕前后的質(zhì)量及質(zhì)量損失率如表3和圖1、圖2所示。

表3 鋼筋腐蝕前后的質(zhì)量及質(zhì)量損失率Tab.3 Mass before corrosion and mass loss rate after corrosion

圖1 鋼筋腐蝕質(zhì)量損失率Fig.1 Mass loss rate of reinforcement corrosion

圖2 鋼筋腐蝕速率Fig.2 Corrosion rate of reinforcement

在狀態(tài)1條件下，所有的試件均未發(fā)生明顯腐蝕現(xiàn)象；而狀態(tài)2中所有試件中的鋼筋均發(fā)生腐蝕，B1與B2中基體混凝土與修補(bǔ)材料包裹部分均能看到腐蝕，尤其在基體混凝土中腐蝕更甚。鋼筋銹蝕總量B2相對(duì)最大，B1次之，B3內(nèi)的鋼筋僅在混凝土基體包裹部分發(fā)生了腐蝕而在環(huán)氧砂漿包裹部分并未發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕點(diǎn)（見(jiàn)圖3）。狀態(tài)3中觀察到的現(xiàn)象與狀態(tài)2基本一致（見(jiàn)圖4）。

圖3 B3組試件鋼筋銹蝕Fig.3 Corrosion state of steel bar specimen in B3 group

圖4 C1組試件鋼筋銹蝕Fig.4 Corrosion state of steel bar specimen in C1 group

根據(jù)鋼筋腐蝕理論[5，6]，鋼筋銹蝕的總電流是包括微觀腐蝕和修補(bǔ)材料與混凝土之間抗?jié)B性不同引起的宏觀腐蝕。丁苯改性水泥砂漿與混凝土的抗?jié)B性較普通水泥砂漿差異更大，宏觀腐蝕相對(duì)嚴(yán)重，總體表現(xiàn)的腐蝕也更甚。但本試驗(yàn)用聚合物改性砂漿的聚灰比僅為5%，未能將其自身抗?jié)B性與普通水泥砂漿明顯區(qū)分開(kāi)，外界的氧氣、水侵入后，2種修補(bǔ)材區(qū)域和基體混凝土區(qū)的氧氣濃度差異并不大，而且不同組試件中氯離子的濃度相同，濃度差異也很小，最終電位差相差當(dāng)然也很小，所以沒(méi)能看到明顯的加速腐蝕現(xiàn)象。B3、C3中鋼筋腐蝕程度相對(duì)最小，雖然環(huán)氧砂漿的抗?jié)B性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)基體混凝土，但其不導(dǎo)電、不透氣以及腐蝕性介質(zhì)（水、氧氣、氯離子等）無(wú)法到達(dá)鋼筋表面，對(duì)鋼筋不產(chǎn)生化學(xué)作用，故修補(bǔ)區(qū)內(nèi)的鋼筋實(shí)際處于絕緣狀態(tài)，即使產(chǎn)生宏觀腐蝕電位，由于環(huán)氧砂漿電阻極大，離子回路內(nèi)的腐蝕電流也會(huì)很小，故鋼筋的腐蝕速率將較大程度地放緩。

對(duì)比狀態(tài)2和狀態(tài)3的試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，狀態(tài)2修補(bǔ)區(qū)未摻入氯化鈉鹽，鋼筋的微觀腐蝕應(yīng)該比狀態(tài)3小，但2種狀態(tài)鋼筋的總腐蝕程度接近，分析其原因可能是因?yàn)闋顟B(tài)2的修補(bǔ)材料和基體內(nèi)的氧濃度不同，而且氯離子濃度差異較大，導(dǎo)致的宏觀腐蝕亦較大，最終結(jié)果是狀態(tài)2和狀態(tài)3鋼筋的總腐蝕量差異不明顯。

3 工程實(shí)例

栗樹(shù)橋位于云南省保山市騰沖螞黑線（S310）K142+994處，橋面總寬9.00 m，車行道寬7.00 m，上部結(jié)構(gòu)為8 m×20 m的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板。該橋于2008年建成通車，2016年改造加固前橋梁空心板已存在順筋裂縫，腐蝕鋼筋的浮銹斑擴(kuò)散到周圍混凝土，混凝土也出現(xiàn)銹附著，但鋼筋整體未見(jiàn)明顯腐蝕缺損（見(jiàn)圖5）。通過(guò)分析，現(xiàn)場(chǎng)鑿除了破損及裂縫周邊的混凝土至露出鋼筋（見(jiàn)圖6），鋼筋用電動(dòng)鋼絲刷除銹至鐵白，再在嚴(yán)格質(zhì)量控制條件下用環(huán)氧砂漿進(jìn)行修復(fù)。經(jīng)過(guò)720 d的觀察，基體老混凝土與修補(bǔ)區(qū)域混凝土均較為完好，未發(fā)現(xiàn)任何二次腐蝕破壞跡象（見(jiàn)圖7、8）。

圖5 鋼筋銹斑擴(kuò)散Fig.5 Diffusion of rust spots of steel bar

圖6 鑿除破損混凝土Fig.6 Image after chiseling damaged concrete

圖7 局部修補(bǔ)Fig.7 Local repairing

圖8 板底修補(bǔ)Fig.8 Plate bottom repairing

4 結(jié)論

（1）對(duì)于局部修補(bǔ)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，修補(bǔ)材料和基體混凝土的抗?jié)B性不同，會(huì)使得修補(bǔ)區(qū)和基體混凝土內(nèi)氧濃度、氯離子含量不同，造成在修補(bǔ)區(qū)和基體混凝土區(qū)域內(nèi)的鋼筋產(chǎn)生宏觀腐蝕電位，從而產(chǎn)生宏觀腐蝕電流，加速腐蝕。

（2）雖然修補(bǔ)區(qū)和基體混凝土區(qū)的鋼筋應(yīng)該也存在腐蝕電位差，但修補(bǔ)區(qū)與基體區(qū)若沒(méi)有氯離子侵蝕，鋼筋一直處于鈍化狀態(tài)，存在的腐蝕電位也不一定有明顯的腐蝕現(xiàn)象出現(xiàn)。

（3）氯離子誘發(fā)的鋼筋混凝土銹蝕的局部修補(bǔ)中，必須將達(dá)到臨界值的氯離子濃度區(qū)域完全清除，否則修補(bǔ)區(qū)周圍鋼筋還會(huì)繼續(xù)腐蝕，而且腐蝕速率可能會(huì)增加。

（4）雖然在處理氯離子誘發(fā)的鋼筋混凝土銹蝕局部修補(bǔ)中，應(yīng)選擇滲透性相近的修補(bǔ)材料以盡量減少宏觀腐蝕電位，但環(huán)氧砂漿因其良好的致密性和電絕緣性，仍然使得修補(bǔ)后鋼筋總腐蝕速率相對(duì)最小。

（5）通過(guò)高速公路橋梁養(yǎng)護(hù)維修的施工實(shí)例，驗(yàn)證了環(huán)氧材料適用于混凝土結(jié)構(gòu)漏筋的修補(bǔ)。

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