地下混凝土結(jié)構(gòu)防腐抗?jié)B探討
2005-05-16 00:00
摘要：介紹了目前地下混凝土結(jié)構(gòu)防腐抗?jié)B及鋼筋耐銹蝕的方法和今后發(fā)展的方向，并就這幾種方法的優(yōu)缺點進行了分析，同時提出建筑用鋼材的延伸加工——增加鍍層的設(shè)想和重點工程在設(shè)計時通過增大保護層厚度方法來實現(xiàn)防腐抗?jié)B等。
關(guān)鍵詞：陰極電位保護;結(jié)構(gòu)自防法;逆作法涂層
由于壓力水的作用、流入地下的工業(yè)廢水的侵蝕及侵蝕性介質(zhì)的浸泡等，使得地下混凝土結(jié)構(gòu)中的混凝土長期受到滲漏溶蝕和配置在混凝土中的鋼筋受到銹蝕的危害。這種危害直接影響到地下結(jié)構(gòu)的耐久性和結(jié)構(gòu)的安全度。
現(xiàn)行《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的一級防水等級是“不允許滲水、圍護結(jié)構(gòu)無濕漬”[1]。按此要求，混凝土的設(shè)計壁厚與地下水的最大水頭確定出一組比值。按照混凝土保護層410cm厚,設(shè)計抗?jié)B等級S6，根據(jù)混凝土的抗?jié)B標(biāo)號與相對抗?jié)B系數(shù)的關(guān)系，滲透系數(shù)為0.1419×10-8cm2/s，時間為30a，按此推算鋼筋在水里經(jīng)受銹蝕最少也得20a。對于混凝土本身,在壓力水作用下還會產(chǎn)生滲漏溶蝕作用，使得水泥水化產(chǎn)物Ca (OH )2 隨著滲漏而不斷流失，引起結(jié)晶體的不斷分解，并逐漸失去膠凝作用，密實度下降，強度降低。
針對地下混凝土結(jié)構(gòu)滲漏、腐蝕病因的發(fā)生機理和發(fā)展程度，近年來，人們紛紛設(shè)立專題,進行專項研究，在水泥品種、外加劑、混凝土配比、鋼筋耐銹蝕、結(jié)構(gòu)構(gòu)件涂層防護等方面，取得了一定的研究成果。
地下混凝土結(jié)構(gòu)的防腐抗?jié)B措施需要對使用環(huán)境、功能、壽命等作出綜合考慮。目前，人們根據(jù)具體情況分別采取結(jié)構(gòu)自防法、涂層法等以及研究陰極電位保護法以增強地下混凝土結(jié)構(gòu)的防腐抗?jié)B性。
1 陰極電位保護法
鋼筋銹蝕的機理一般分為電化學(xué)腐蝕、化學(xué)腐蝕和應(yīng)力腐蝕3 種形式。混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕主要是電化學(xué)銹蝕。北京科技大學(xué)何積銓等專家根據(jù)電化學(xué)反應(yīng)的機理進行了“陰極保護對鋼筋保護度和鋼筋混凝土握裹力的作用”實驗研究[2]。
該實驗表明，3.15%NaCl水溶液中(模擬海水環(huán)境)，在保護電位為-900 mV～-1200mV(SCE)下，經(jīng)過80d和15個月,混凝土中鋼筋的銹蝕都得到了較大幅度的控制。按質(zhì)量計算，均在90%以上，當(dāng)保護電位控制在-1100mV(SEC)時，保護度可達98.17%。
實驗結(jié)果還表明，對標(biāo)號很低，碳化嚴(yán)重、pH值接近中性、并有Cl-污染的混凝土，將保護電位限制在-900mV以下(vs.SCE)時，其內(nèi)的鋼筋腐蝕即可被控制。但在鋼筋陰極部位難免伴有析氫反應(yīng)，這對鋼筋的氫脆是一個潛在的誘因。
在實際工程應(yīng)用中，陰極保護法存在的這樣一些問題還有待解決：其一，陰極保護法的電流通常由混凝土構(gòu)件中縱筋傳送，而構(gòu)件中最易受到侵蝕的是箍筋，箍筋與縱筋由細(xì)鐵絲綁扎而成，在混凝土澆筑振搗過程中，鋼筋間往往滲進了水泥漿夾層，使得本來就存在的接觸電阻變得更； 其二，縱向大直徑(≥5 25) 鋼筋接頭正由電焊連接變?yōu)橛锰淄怖鋽D壓、錐螺紋連接,這又增大了電路中的壓降；其三，鋼筋陰極電位由于混凝土保護層厚度的實際施工誤差，其介質(zhì)電阻隨混凝土保護層厚薄不均也會發(fā)生變化。這些給電位控制帶來一定難度。另外專業(yè)設(shè)備日常需要專門人員操作，這在一定程度上增加了管理費用。因此，混凝土結(jié)構(gòu)采用陰極電位保護法，在理論上是說得通的, 在實驗室條件下也是可行的，但距投入實際生產(chǎn)還有許多工作要做。
2 結(jié)構(gòu)自防法
2.1 調(diào)整混凝土配合比法
結(jié)構(gòu)自防法通常是調(diào)整混凝土配合比，摻入外加劑或采用特種水泥來提高混凝土的密實性、憎水性和抗?jié)B性，減少和破壞混凝土內(nèi)部的毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)， 從而生產(chǎn)出高標(biāo)號高性能的防水混凝土。
在配制低標(biāo)號C15～ C30 的防水混凝土?xí)r，一般做法是使用低水化熱的粉煤灰水泥或摻一定比例的粉煤灰，加入緩凝型減水劑，選擇合適的骨料級配、降低水灰比及采用特種水泥。
在大體積混凝土體內(nèi)必要時可安裝冷卻水管，將其內(nèi)部的過多水化熱帶出體外。在澆筑好的混凝土表面覆蓋保溫層并澆水養(yǎng)護，防止混凝土表面降溫過快，引起混凝土體內(nèi)外過大溫差，導(dǎo)致表面或深度裂縫的發(fā)生，從而做到不裂不滲。
典型工程實例為寶鋼某整體筏式基礎(chǔ)，混凝土標(biāo)號C18 號，尺寸31.13 m ×90.18 m ×2.15m [3]。該工程基礎(chǔ)底板未設(shè)水平縫和垂直縫，一次澆筑完成。主要技術(shù)措施為：(1) 采用低熱礦渣硅酸鹽水泥；(2) 摻入占水泥重量0125% 的木質(zhì)素磺酸鈣減水劑；(3) 摻加無裂縫、沖洗干凈、規(guī)格為150～ 250 mm 的堅固大石塊，減少混凝土用量，降低水化熱； (4) 制訂養(yǎng)護技術(shù)方案。混凝土收縮裂縫基本都是在澆筑后15 d 內(nèi)出現(xiàn)，該工程養(yǎng)護具體做法是：1) 混凝土側(cè)面和上表面鋪雙層草袋并澆水養(yǎng)護；2) 嚴(yán)格控制各測溫點與混凝土體表溫差，大氣溫度發(fā)生陡降時，則加紅外線燈、覆蓋油布等增保溫措施； 3) 延緩拆模時間, 防止混凝土表面產(chǎn)生過大的冷縮值。
2.2 混凝土中摻入膨脹劑法
在配置C35～C45 中標(biāo)號及C50～ C60 的高標(biāo)號防水混凝土?xí)r因防水摻入引氣劑會降低混凝土的密實度而影響其強度，而因標(biāo)號指標(biāo)要求，這類混凝土的水泥用量必須在400kg/m3以上。結(jié)果是前者降低了抗?jié)B性，后者增加了水化熱，對防腐抗?jié)B非常不利。因而材料界、工程界一直尋求通過摻入外加劑來達到結(jié)構(gòu)自防的目的。
20 年來, 特別是近10 年材料界對混凝土膨脹劑的研制和生產(chǎn)取得了長足的進步。新型膨脹劑對改善混凝土長期收縮、防腐抗?jié)B、提高工程耐久性起到了有效的作用。在工程應(yīng)用中，對結(jié)構(gòu)自防水、大體積混凝土裂縫控制、無縫設(shè)計施工和剛性防水屋面四大技術(shù)難題提供了新的便捷方法。在混凝土外加劑的研制中, 除延遲膨脹和限制膨脹外，一般還將減水、防凍、緩凝、早強、利泵、高性能等多種效能一并開發(fā)出來，并保證對鋼筋無腐蝕作用。目前開發(fā)生產(chǎn)的混凝土膨脹源由過去的明礬石改為鈣礬石，其特點是膨脹效能高，摻量降低，混凝土含堿量都小于1 kg/m3。
以U EA 膨脹混凝土為代表，10 a 抗壓強度比28 d 抗壓強度增長一倍。給結(jié)構(gòu)的使用功能調(diào)整增加了空間，增大了結(jié)構(gòu)抵御地震荷載等自然災(zāi)害襲擊的安全儲備。表1 給出了混凝土膨脹劑主要品種和典型工程實例：
表1混凝土膨脹劑主要品種和典型工程實例[ 4 ]
在一些工程中，為了混凝土能同時具備高強高性能，還需將多種外加劑混合使用。因此，膨脹劑需要向低摻量、多效能、高抗?jié)B、低經(jīng)濟投入方向發(fā)展，同時，應(yīng)在低堿、無堿及抑制堿—集料反應(yīng)方面有所突破。在抗?jié)B性方面，現(xiàn)有膨脹劑混凝土在一定的壓強下透水深度一般在30～ 130 mm ，同時鋼筋的引水性作用，一旦某處開裂滲漏，就不能保證鋼筋免受潮濕的侵害。
2.3摻入鋼筋阻銹劑
摻入鋼筋阻銹劑是目前工程中常用的耐銹蝕方法。鋼筋阻銹劑是一種能阻止或抑制混凝土中鋼筋發(fā)生腐蝕的外加劑，在混凝土拌和過程中摻入，從而保護鋼筋。
一般常用的阻銹劑分為無機鹽類阻銹劑、有機鹽類阻銹劑和復(fù)合型阻銹劑[5]。無機鹽類阻銹劑多數(shù)為強氧化劑，摻到混凝土中形成鈍化膜，此類阻銹劑主要為亞硝酸鈉、磷酸鹽、重鉻酸鉀、硝酸鹽等。這些阻銹劑對鋼筋有顯著的保護作用，但它的強氧化性，容易造成局部腐蝕，同時降低混凝土強度和對鋼筋的握裹力，增進堿骨料反應(yīng)。有機鹽類阻銹劑、復(fù)合型阻銹劑有甲酸鈣、苯甲酸和間苯二酚等。主要有冶金部建筑研究總院研究開發(fā)的R I21 型系列阻銹劑等，緩蝕效果較明顯。
3涂層法
地下混凝土結(jié)構(gòu)由于受潮濕、壓力水作用，不僅存在鋼筋銹蝕的問，而且存在酸堿腐蝕問題，水工結(jié)構(gòu)還存在溶蝕等一系列危害。涂層法結(jié)合摻外加劑的結(jié)構(gòu)自防體系，可形成對地下混凝土結(jié)構(gòu)防腐抗?jié)B的多重保護。
涂層法分外涂層法和鋼筋表面涂層法(內(nèi)涂層法)。外涂層法是用有機高分子材料對地下結(jié)構(gòu)主體表面涂刷阻止壓力水等侵蝕的保護層。目前混凝土涂層防腐抗?jié)B材料試驗并予現(xiàn)場實施的有環(huán)氧、純丙、改性丙烯酸、EVA、氯丁膠、硅橡膠乳液等。高分子材料涂層涂刷于地下結(jié)構(gòu)迎水面，進行表面封閉，對壓力水下混凝土結(jié)構(gòu)的防腐抗?jié)B有顯著的效果。
這里簡略介紹逆作法涂層施工技術(shù)，以供參考。這種方法要求所用材料有一定的強度。在基礎(chǔ)底板及磚胎模側(cè)面，將混凝土墊層表面及磚胎模側(cè)面浮灰清掃干凈，潮濕處烘干，從而保證涂層與基層粘接牢固，不出現(xiàn)夾縫層，防止后續(xù)施工外力作用而起殼。第2 道涂刷固化后，需進行第3 道與后澆混凝土結(jié)合層施工的準(zhǔn)備，這是因為墊層或磚胎模在主體結(jié)構(gòu)使用中難免受沉降、地下水侵蝕而發(fā)生局部與主體結(jié)構(gòu)脫離。而主體基層的混凝土強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于墊層或磚胎模強度，只要涂層與主體基層粘接牢固，墊層或磚胎模與涂層剝離時，破壞面發(fā)生在墊層或磚胎模表面，從而保全涂層。第3 道涂層一邊涂刷，一邊立即均勻噴灑干石英，待涂層固化后，掃去浮砂。后續(xù)主體混凝土澆筑時，水泥漿滲入涂層，形成整體防水層。
各種涂層的防護效果差異很大，須針對混凝土具體使用環(huán)境合理選擇，表2 介紹各涂層的防護性能：
表2各種涂層的防護性能
地下室墻壁涂刷涂層須在拆模后，待混凝土表面干燥時方可進行。
鋼筋涂層有高分子涂層和金屬鍍層兩類。鋼筋表面涂層對高分子材料有強度要求，否則會影響混凝土的握裹力作用。根據(jù)清華大學(xué)王嫻明《建筑結(jié)構(gòu)試驗》介紹，環(huán)氧樹脂合適的配比，其抗拉強度3415～ 8217M Pa，抗壓強度10314～ 20618M Pa[ 6 ]。同時建議使用聚酰胺樹脂、聚硫橡膠、304# 聚酯樹脂活性增韌劑。
除環(huán)氧樹脂外，還有遼寧建筑科研院研制生產(chǎn)的可用于水界面的AC 建筑結(jié)構(gòu)膠(剪切強度20M Pa)，冶金部建筑研究總院、北京冶建新技術(shù)公司研制生產(chǎn)的YJ 建筑結(jié)構(gòu)膠，廣東汽巴高分子化工有限公司研制生產(chǎn)的愛牢達XH111A öB 環(huán)氧樹脂膠粘劑等有機高分子膠粘劑均可用作鋼筋涂層材料。
鋼筋涂層在混凝土結(jié)構(gòu)施工中一旦有所損壞，就會發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，因此，施工中應(yīng)特別注意，如有損壞點，應(yīng)及時做標(biāo)記并補涂好。
鋼筋金屬鍍層主要有鍍鋅、鍍鉻等，在國外使用較多，我國江陰華新鋼纜有限公司等廠家已生產(chǎn)出防腐鍍鋅鋼絞線。
4設(shè)想和建議
在目前地下結(jié)構(gòu)防腐抗?jié)B的技術(shù)措施還未完全成熟之時，增加混凝土保護層的厚度也是一種有效方法。鋼筋在基礎(chǔ)中，其應(yīng)力往往很小，這為增加保護層厚度提供了方便。在所確定的構(gòu)件截面不變的條件下，將所配鋼筋向混凝土中部移動。另一方面, 基礎(chǔ)構(gòu)件截面一般都很大，增加幾厘米的保護層，對構(gòu)件內(nèi)力影響很小。建議二級耐久年限建筑的鋼筋保護層厚度增加到80～100mm，一級耐久年限建筑的基礎(chǔ)鋼筋保護層增加到150mm。
大型地下混凝土結(jié)構(gòu)防腐抗?jié)B要解決的問題之一，是混凝土本體材料在壓力水作用下的滲漏溶蝕。混凝土體中的膠凝材料是水泥，如能改變水泥特點，使其溶蝕危害大大降低，就能從根本上防止此類損失的發(fā)生?，F(xiàn)階段對重要工程可將局部構(gòu)件或構(gòu)件的局部用環(huán)氧類高分子膠粘劑替換水泥，成本雖有一定增加，但能徹底解決問題。也可在壓力水面粘貼碳纖維布或玻璃纖維布來增強防腐抗?jié)B，碳纖維布強度在3600～5000MPa之間， 厚度較薄， 僅在0.111～0.17mm之間，成本較高, 玻璃纖維布強度在500～ 600M Pa，厚度在1mm 以上，成本相對較低。這兩種織物有雙向受力性能的雙向編織布出售，在無紫外線、無高溫環(huán)境，膠粘劑性能不受影響的地下結(jié)構(gòu)，其使用壽命在100a以上是沒有問題的。
對于地下混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋陰極電位保護法，可在預(yù)先充分估計鋼筋導(dǎo)電電路的各部分阻抗引起的壓降，設(shè)計出總體控制各采集點電路，在滲水浸濕處采用計算機多點采集電位數(shù)值并反饋給控制中心，經(jīng)過分析處理, 然后在各控制點重新施加電位。這一系統(tǒng)可納入房屋的物業(yè)管理體系，進行整體動態(tài)跟蹤控制。這樣就能實現(xiàn)鋼筋陰極電位保護功能。
隨著材料工業(yè)的發(fā)展，地下混凝土結(jié)構(gòu)中用高強耐腐蝕的碳纖維筋、板來取代鋼材，是一種理想的方案，問題是連接方法須用專用連接件進行可靠連接。待那時，一些地下混凝土結(jié)構(gòu)工程的防腐抗?jié)B問題將得到徹底解決。
參考文獻:
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[6 ]王嫻明， 建筑結(jié)構(gòu)試驗[M]。北京：清華大學(xué)出版社，1990.1
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