國外混凝土鋼筋銹蝕破壞的修復(fù)和保護(hù)技術(shù)
2005-05-25 00:00
摘要：鋼筋混凝土是世界上應(yīng)用范圍最廣的建筑材料之一。目前有大量的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)遭到由鋼筋銹蝕導(dǎo)致的破壞，使其服務(wù)壽命低于設(shè)計(jì)值或預(yù)期值。近年國外(主要是英國)用于修補(bǔ)和修復(fù)由鋼筋銹蝕破壞的建筑結(jié)構(gòu)的技術(shù)方法包括常規(guī)的打補(bǔ)丁修補(bǔ)和涂層修補(bǔ)方法、陰極保護(hù)、電化學(xué)氯化物萃取(電化學(xué)除鹽)、再堿化和使用阻銹劑等。
關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土；銹蝕破壞；混凝土修補(bǔ)；阻銹劑
鋼筋銹蝕會(huì)引起鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的過早破壞。早在1991年，美國Metha教授就將鋼筋銹蝕列為比寒凍和侵蝕破壞更為嚴(yán)重的第一位的混凝土破壞原因?；炷林袖摻钿P蝕問題已經(jīng)成為北美和歐洲國家土木工程研究領(lǐng)域的關(guān)注重點(diǎn)，因?yàn)檫@些地區(qū)的建筑物已經(jīng)老化，建筑物、橋梁、碼頭和其他使用鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了大量問題，并帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。
目前已經(jīng)有多種研究混凝土中鋼筋銹蝕機(jī)理的試驗(yàn)和評(píng)估方法。本文總結(jié)國外常用的鋼筋銹蝕破壞混凝土的最新修復(fù)方法、作用原理和應(yīng)用技術(shù)。這些修補(bǔ)和保護(hù)技術(shù)包括補(bǔ)丁修補(bǔ)，涂層、密封和薄膜保護(hù)，陰極保護(hù)，電化學(xué)氯化物萃取，再堿化和使用阻銹劑等。
在實(shí)際應(yīng)用中，很少單一使用一種修補(bǔ)或保護(hù)技術(shù)。大多數(shù)情況下，對(duì)鋼筋銹蝕破壞混凝土結(jié)構(gòu)的修復(fù)是由補(bǔ)丁修補(bǔ)開始的，再接著對(duì)補(bǔ)丁混凝土進(jìn)行涂層保護(hù)處理，然后可能再采取其他進(jìn)一步的保護(hù)措施。
1 補(bǔ)丁修補(bǔ)方法(patch repairs)
1.1 原理
補(bǔ)丁修補(bǔ)即在發(fā)生鋼筋銹蝕破壞的混凝土部位鑿除脹裂或剝落的混凝土，再用新的混凝土或砂漿修補(bǔ)抹平的方法?，F(xiàn)在使用的補(bǔ)丁材料可使修補(bǔ)區(qū)域的混凝土獲得良好的耐久性。但打補(bǔ)丁常會(huì)引起相鄰區(qū)域混凝土中的鋼筋發(fā)生銹蝕，這種現(xiàn)象稱為“初發(fā)陽極”效應(yīng)。該現(xiàn)象一般發(fā)生在由氯離子引發(fā)的鋼筋銹蝕破壞的結(jié)構(gòu)中，這時(shí)陽極區(qū)域較大且范圍明顯。
1.2 應(yīng)用
補(bǔ)丁修補(bǔ)方法可用于大多數(shù)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，但應(yīng)當(dāng)使用適當(dāng)?shù)男扪a(bǔ)材料，并按正確的方法操作。
國外有公司專門生產(chǎn)銷售補(bǔ)丁修補(bǔ)用材料。這些材料包括可用于原基體混凝土表面的膠結(jié)涂層材料和用于鋼筋表面的防銹漆。施工時(shí)可用手工方法將已拌合的流動(dòng)性灌注料澆筑在模板中或噴覆在鋼筋表面。
無論使用何種修補(bǔ)材料，均要求將銹蝕破壞部位的混凝土剝離直至露出未損壞的混凝土和鋼筋，并處理鋼筋表面。修補(bǔ)材料的收縮率應(yīng)較小，對(duì)已打的補(bǔ)丁應(yīng)進(jìn)行良好的養(yǎng)護(hù)，以盡量減少修補(bǔ)區(qū)域開裂的危險(xiǎn)。
英國Aston大學(xué)近來開發(fā)了一種在補(bǔ)丁修補(bǔ)材料中加入犧牲陽極組分而制得的復(fù)合修補(bǔ)材料，目前已經(jīng)由一家生產(chǎn)混凝土修補(bǔ)材料的英國公司正式生產(chǎn)。
2 涂層、密封和薄膜覆蓋保護(hù)(coating, sealed and membranes)
2.1 原理
這些材料的作用原理是阻止外部氯離子、二氧化碳或水分侵入混凝土內(nèi)部，從而延緩鋼筋的去鈍化和銹蝕過程。若氯離子的濃度高于引發(fā)鋼筋銹蝕的臨界值，或鋼筋周圍的混凝土已完全碳化，則銹蝕會(huì)繼續(xù)進(jìn)行；若鋼筋去鈍化的范圍很小并且能夠修補(bǔ)，則涂層可以延緩甚至終止銹蝕的擴(kuò)展。
2.2 應(yīng)用
在歐洲，通常在氯離子侵入新建的混凝土結(jié)構(gòu)前，就使用硅烷和防水材料對(duì)混凝土進(jìn)行保護(hù)性的預(yù)處理。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有銹蝕發(fā)生時(shí)，通常在修復(fù)過程中會(huì)使用抗碳化涂層。涂層通常在進(jìn)行電化學(xué)氯化物萃取、再堿化或阻銹劑處理后再施用，以延緩侵蝕性介質(zhì)的進(jìn)一步侵入。使用氣相阻銹劑時(shí)，這些材料還可以防止氣相阻銹劑的揮發(fā)。
3 陰極保護(hù)(cathodic protection)
3.1 外加電流陰極保護(hù)(impressed current cathodic protection)
這種保護(hù)方法由一個(gè)陽極系統(tǒng)、一個(gè)直流電源和探測器以及導(dǎo)線組成。陰極保護(hù)技術(shù)中最重要的是陽極的選擇。目前，國外常用的陽極材料系統(tǒng)包括覆蓋于混凝土表面的導(dǎo)電涂層，放于混凝土覆蓋層中的用混合金屬氧化物涂覆的網(wǎng)片、導(dǎo)電砂漿覆蓋層，以及放在長縫中帶涂層的鈦金屬帶或放在混凝土孔洞中的各種導(dǎo)電材料。
可使用的涂層材料包括多種組成的碳漆、熱噴金屬(如鋅)以及近年出現(xiàn)的帶有電解質(zhì)涂層的鈦。覆蓋層系統(tǒng)為濕噴的導(dǎo)電砂漿或是固定于混凝土表面并用水泥砂漿覆蓋的鈦金屬格柵或網(wǎng)片。探測器為放在水泥砂漿中的帶涂層的鈦金屬帶或片、導(dǎo)電陶瓷管或是放在含碳的回填料中的帶涂層鈦棒。
3.1.1 原理
陰極保護(hù)的原理很直觀。鋼筋表面形成陰、陽極而導(dǎo)致銹蝕的發(fā)生，銹蝕發(fā)生在陽極區(qū)域，在陰極處發(fā)生無害的還原反應(yīng)。通過外加電流和外加陽極，鋼筋將全部被迫變成陰極，而此時(shí)的陽極是一種腐蝕速度很小或可以通過陽極反應(yīng)來控制的材料。
31.2 應(yīng)用
外加電流陰極保護(hù)已應(yīng)用于所有條件下的大部分鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，包括住宅、辦公樓、醫(yī)院和學(xué)校建筑，橋梁，隧道，碼頭和防波堤，水塔，工業(yè)廠房，停車場等。
這種方法主要用于由氯離子侵蝕導(dǎo)致鋼筋銹蝕的結(jié)構(gòu)中，氯離子來自于混凝土本身、海水或除冰鹽。近年來這種方法也在鋼筋框架砌體結(jié)構(gòu)中得到應(yīng)用，以防鋼筋框架的銹蝕膨脹使砌體結(jié)構(gòu)開裂。
在國外一些可能遭受氯離子侵蝕的新建重要建筑中，也采用了陰極保護(hù)作為鋼筋銹蝕的預(yù)防措施。處在地下水、涌浪區(qū)和浪濺區(qū)之間的界面區(qū)對(duì)陽極的選用、安裝和控制帶來了很多問題，這是陰極保護(hù)應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。
3.2 伽伐尼陰極保護(hù)(galvanic cathodic protection)
伽伐尼系統(tǒng)或稱犧牲陽極保護(hù)系統(tǒng)不可控制，因此比外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)更簡便，更有吸引力。該系統(tǒng)通常由置于混凝土表面并且與鋼筋直接相連的鋅片組成。有一些研究使用鋁鋅合金或其他金屬（如鋁）進(jìn)行過試驗(yàn)。
3.2.1 原理
伽伐尼陰極保護(hù)系統(tǒng)的原理與外加電流陰極保護(hù)相同，但所用陽極是比鋼筋更有活性的金屬，因此被優(yōu)先消耗，產(chǎn)生陰極保護(hù)電源。陽極和陰極之間的電勢差與環(huán)境以及陰陽極材料的相對(duì)電勢差有關(guān)。電流取決于電勢差和電阻。因?yàn)殡娏骱碗妱莶畈豢煽刂?，因此不能保證系統(tǒng)發(fā)揮有效的保護(hù)作用，而且需要低電阻的使用環(huán)境。
3.2.2 應(yīng)用
在一些結(jié)構(gòu)中使用了伽伐尼陰極保護(hù)技術(shù)。在美國佛羅里達(dá)州keys的橋梁下部結(jié)構(gòu)浪濺區(qū)，采用該技術(shù)進(jìn)行防銹保護(hù)。這些橋梁的下部結(jié)構(gòu)中使用了帶環(huán)氧涂層的鋼筋和預(yù)應(yīng)力混凝土樁，所用陽極材料為熱噴鋅或用夾具固定于結(jié)構(gòu)表面的鋅片，這是伽伐尼陰極保護(hù)最為有效的使用。有些工程中使用了表面帶有粘膠的鋅片作為陽極材料。
最新的一個(gè)發(fā)展是使用化學(xué)物質(zhì)提高陽極周圍的濕度，用以提高系統(tǒng)的效能，該技術(shù)的發(fā)明者在英國進(jìn)行了初期試驗(yàn)，使用某些化學(xué)物質(zhì)作為濕潤劑，可使系統(tǒng)保持較好的電流水平。
4 電化學(xué)氯化物萃取(electrochemical chloride extraction)
4.1 原理
該技術(shù)使用一個(gè)臨時(shí)陽極(一般為活化鈦板網(wǎng)或鍍鉑鈦陽極)，而且傳導(dǎo)很高的電流(大約每平方米的鋼筋或混凝土表面為1A)，電壓為10~40V，這樣可以把氯離子從鋼筋表面拉下來，電解質(zhì)采用飽和石灰水或自來水。很大一部分(50~90%)的氯離子可從混凝土中除掉，使鋼筋周圍的氯離子被迅速清除，鋼筋在很大程度上重新鈍化。除了陽極和電源為臨時(shí)性之外，其裝置與外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)相同。
4.2 應(yīng)用
電化學(xué)氯化物萃取可在許多應(yīng)用陰極保護(hù)的場合使用。在混凝土中鋼筋分布較密、氯離子穿過第一層鋼筋但未滲透很深且以后不會(huì)再次被氯離子污染的情況下，使用電化學(xué)氯化物萃取會(huì)取得最好的效果。在歐洲和北美洲地區(qū)，該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于公路、停車場和其他一些結(jié)構(gòu)的保護(hù)中。
5 再堿化(realkalization)
5.1 原理
就原理而言，再堿化可看成是電化學(xué)氯化物萃取技術(shù)的碳化型，即帶有一個(gè)臨時(shí)陽極和電源，而且陽極系統(tǒng)與電化學(xué)氯化物萃取技術(shù)所用的相同，但是比電化學(xué)氯化物萃取技術(shù)處理的時(shí)間短(一般只需幾天到二十幾天時(shí)間)。使用碳酸鈉作為助劑在混凝土和鋼筋周圍重新生成堿性環(huán)境，通常碳酸鈉溶液的濃度為0.5~1mol/l。
5.2 應(yīng)用
該方法主要用于對(duì)由碳化引發(fā)鋼筋銹蝕的建筑結(jié)構(gòu)的保護(hù)，如住宅樓、辦公樓和水塔、拱橋等，并且結(jié)構(gòu)至少具有適當(dāng)?shù)匿摻畋Ｗo(hù)層厚度(大于10mm)。據(jù)Norcure的統(tǒng)計(jì)，從1987~1995年中，該方法已在英國、德國、北歐、北美及日本和中東約20個(gè)國家和地區(qū)得到推廣使用，處理的建筑面積有18.2萬m2。挪威已在1995年將該技術(shù)列為混凝土修補(bǔ)的國家標(biāo)準(zhǔn)，歐洲還于1994年制定了推薦標(biāo)準(zhǔn)。
6 鋼筋阻銹劑(steel bar corrosion inhibitors)
6.1 原理
混凝土中鋼筋銹蝕為電化學(xué)反應(yīng)，包括陽極和陰極兩種反應(yīng)。阻銹劑的作用機(jī)理在于能優(yōu)先參與并阻止這兩種或其中一種反應(yīng)，且能長期保持穩(wěn)定狀態(tài)，從而有效地阻止鋼筋的銹蝕。
按照作用類型，現(xiàn)有的阻銹劑主要有如下幾種：
(1) 亞硝酸鹽，是一種摻入混凝土拌合物中的陽極型阻銹劑；
(2) 單氟磷酸鹽，在混凝土中水解可產(chǎn)生較高堿性的環(huán)境，有助于保護(hù)鋼筋表面的鈍化態(tài)；
(3) 有機(jī)型阻銹劑，包括摻入型和遷移型有機(jī)阻銹劑，可在鋼筋表面形成分子層作為保護(hù)膜，阻止鋼筋銹蝕，既可阻止陽極反應(yīng)，又可以阻止陰極反應(yīng)。
6.2 應(yīng)用
從理論上講，阻銹劑可應(yīng)用于任何情況下的混凝土結(jié)構(gòu)。
目前使用的亞硝酸鹽阻銹劑以亞硝酸鈣為主。在美國和日本，亞硝酸鈣阻銹劑從1978年開始大量應(yīng)用。截至1998年，美國、加拿大、日本、英國和中東國家，應(yīng)用該型阻銹劑的混凝土結(jié)構(gòu)超過600座， 混凝土量超過2000萬m3。
單氟磷酸鹽是較新的阻銹劑，于20世紀(jì)80年代末在加拿大首次應(yīng)用。使用時(shí)，在混凝土表面涂抹單氟磷酸鹽水溶液，使之滲透至混凝土中鋼筋的表面，使鋼筋銹蝕得到抑制。
遷移型有機(jī)阻銹劑是一種更為新穎的阻銹材料，主要成分為胺與鏈烯胺有機(jī)酸或無機(jī)酸的鹽類，其特點(diǎn)是蒸氣壓很低，可以以氣相在混凝土中擴(kuò)散很深，可摻在修補(bǔ)砂漿中或單獨(dú)使用，涂覆混凝土表面，依靠氣相擴(kuò)散作用到達(dá)鋼筋表面阻止銹蝕，而不需將尚未被脹裂的混凝土鑿除。目前，美國和瑞士等幾個(gè)國家已經(jīng)生產(chǎn)這類阻銹劑，并且取得了較好的使用效果。
7 結(jié)語
對(duì)于發(fā)生鋼筋銹蝕破壞的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，目前有多種可供選擇的處理方法，包括打補(bǔ)丁修補(bǔ)、使用涂覆材料、薄膜或密封劑進(jìn)行修補(bǔ)和保護(hù)、采用陰極保護(hù)措施、使用電化學(xué)除鹽或?qū)炷吝M(jìn)行再堿化處理以及使用阻銹劑。這些方法各有其技術(shù)上的優(yōu)缺點(diǎn)，必須正確使用。
處理方法是單獨(dú)使用某一種還是多種方法組合使用，取決于處理方法的技術(shù)優(yōu)越性、對(duì)結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性以及綜合經(jīng)濟(jì)成本分析。 編輯：
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