王 玲 郭小華 惠云玲 于英俊

(中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088)

0 引言

我國建筑結構一般設計基準期為50年，但是由于高溫、潮濕、腐蝕等各種不利生產(chǎn)環(huán)境的影響，工業(yè)建筑及海濱建筑混凝土結構耐久性問題非常突出，大量在役混凝土結構鋼筋銹蝕、混凝土劣化嚴重，使用壽命遠小于設計使用年限，有些廠房使用10年左右即出現(xiàn)嚴重破壞現(xiàn)象，經(jīng)常的維修使得有些建筑維修費用已超過了原始造價。

引起鋼筋銹蝕的主要因素為混凝土中性化和氯離子，在一般大氣環(huán)境中，混凝土碳化過程相對緩慢，在既有混凝土構件表面做一定的防護處理，可減緩混凝土中性化。但是當混凝土中氯離子含量超過一定限值，會在短短幾年時間內(nèi)使鋼筋嚴重銹蝕引起混凝土破壞。氯離子侵入混凝土的途徑有內(nèi)摻型和外滲型。內(nèi)摻型氯離子來源于鋼筋混凝土成型時使用了含氯的原材料，如海砂、海水或含氯的外加劑及在含鹽環(huán)境中攪拌、澆筑混凝土等。外滲型是指環(huán)境中的氯離子通過構件表面侵入到硬化的混凝土內(nèi)部，并到達鋼筋表面。如某汽車站自建成到投入使用已有5年，結構出現(xiàn)了不同程度的劣化和損傷，部分構件出現(xiàn)了較嚴重的鋼筋銹蝕和混凝土開裂，通過調(diào)查檢測發(fā)現(xiàn)，該建筑混凝土構件內(nèi)的氯離子主要為滲入型，個別區(qū)域也有內(nèi)摻的特點，如深圳“海鹽門”事件，即為采用了未處理干凈的海砂。

針對氯離子已經(jīng)侵入混凝土芯部引起鋼筋銹蝕的混凝土構件，“拆”還是“修”都很難解決。因為即使對鋼筋周圍侵入氯離子的混凝土進行剔鑿更換，修復完后構件芯部混凝土中氯離子會再次遷移到鋼筋表面，引起鋼筋銹蝕。但是對于工業(yè)建筑，由于構件拆除再施工工期長，停產(chǎn)引起的經(jīng)濟損失遠超過維護費用。

針對以上問題，本文的主要研究內(nèi)容是結合在鋼筋混凝土結構耐久性修復領域的已有研究成果，考慮不同技術的特點，將多種修復方法和技術相結合，對不同濃度氯離子含量混凝土試件進行修復。本次試驗以1991年制成的摻入含量為3%、6%、9%和12%氯鹽的銹損鋼筋混凝土小試件和柱為研究對象，于2010年采用不同修復材料和技術設計修復方案對該批試件進行修復，用電化學法長期監(jiān)測其修復效果。

1 原有試件評估分析

本次試驗選用的7根小試件于1990年制作，分別摻入不同含量氯鹽，試件制成后主要存放在室外，尺寸為 150 mm×150 mm×420 mm，鋼筋長度為450 mm，試件的其他原始資料如表1所示。

表1 小試件原始資料Table 1 The original information of small specimens

本次選用鋼筋混凝土柱試件于1991年11月澆筑制成，含鹽量(CaCl2)占水泥用量6%、9%、12%，所有構件混凝土水灰比均為0.58，鋼筋均為同批鋼筋，每批構件均留有同期同條件養(yǎng)護試件(表2)。柱截面為矩形截面 b×h=160 mm×200 mm，長度為1 200 mm，對稱配筋，兩側(cè)鋼筋均為214，構件尺寸及配筋見圖1。

表2 鋼筋混凝土柱試件原始資料Table 2 The original information of reinforced concrete column specimens

鋼筋是鋼筋混凝土結構中的主要受力材料，鋼筋截面損失率大小對結構的承載能力有很大影響，嚴重時甚至會引起結構破壞和性能的降低。在計算銹蝕鋼筋的力學性能及對結構的影響時，用截面損失率來考慮更為合理。在結構試驗分析中，可以直接通過對構件進行破型，取出鋼筋，測量直徑的變化，計算截面積損失率來進行分析。本次在修復試驗前對各試件鋼筋銹蝕后剩余截面進行測量，每根鋼筋取5個測試點，并計算銹蝕后鋼筋直徑的平均值，得出鋼筋截面的損失率，如圖2所示。

圖2 鋼筋混凝土試件中鋼筋截面面積損失率Fig.2 The loss rate of steel area in reinforced concrete specimens

通過破損方法對鋼筋混凝土試件和鋼筋混凝土柱鋼筋截面面積損失率進行測試，得出以下結論：

1)通過v11與x11對比，在摻入同樣含量氯鹽情況下，采用普通硅酸鹽水泥的混凝土試件的鋼筋抗氯鹽效果好。

2)通過k3與s32對比，在摻入同樣含量氯鹽情況下，摻入一定量的阻銹劑能限制延緩鋼筋銹蝕。

3)通過 Z13、Z23、Z31、Z33 對比，隨著氯離子含量增加1.5倍、2倍時，鋼筋截面損失率增大到3～4倍。

2 試驗設計

2.1 修復材料及方法選用

2.1.1 阻銹劑

本次選用的阻銹劑為內(nèi)摻型鋼筋阻銹劑，具有以下特點：1)與混凝土一起攪拌，自動向鋼筋表面遷移;2)能將活性很強的氯離子從鋼筋表面排擠出去后形成分子膜，對鋼筋表面進行陰陽極同時保護;3)有效抵抗氯離子的侵蝕，即使在高氯離子環(huán)境中也同樣有效。

2.1.2 修補砂漿

本次試驗采用兩種修補砂漿，一種是具有阻銹功能的修補砂漿A，另一種是普通修補砂漿B，下面對兩種砂漿做詳細介紹。

1)修補砂漿A是雙組分纖維增強修補砂漿，它是由含有阻銹離子的水泥基粉劑和RMB水溶性無毒液體樹脂構成。拌和后形成和易性良好的砂漿，可用鏝刀或常規(guī)工具進行施工，還可用砂漿噴射機施工。砂漿硬化后產(chǎn)生很高的強度和黏結力，收縮小，防水性好，同時不影響混凝土的自由呼吸，具有接觸性和遷移性阻銹的功能，防止鋼筋銹蝕的發(fā)生，耐久性極好，從而提高了修補質(zhì)量，延長了結構的使用壽命。

2)修補砂漿 B是由多種高分子聚合物、多種砂漿改性材料、抗裂纖維、高性能礦物與各種外加劑、合理級配高強砂及高性能水泥所組成的高強、高性能的聚合物砂漿。它既具有有機高分子聚合物的各種優(yōu)良性能，又具有無機膠凝材料的優(yōu)良本性。

2.1.3 鋼筋保護劑

鋼筋保護劑是一種雙組分阻銹材料，拌和后形成獨特的水泥灰漿料，其主要成分是：水硬性膠凝材料、滲透介質(zhì)及高效鈍化劑和遷移性阻銹劑。直接涂刷于鋼筋表面，具有很高的鈍化性，在鋼筋表面形成保護屏障，有效阻止鋼筋銹蝕的發(fā)生。

2.1.4 鋼不銹保護系統(tǒng)

目前主要的陰極保護技術有犧牲陽極法和外加電流陰極保護法。本次試驗采XP鋼不銹保護系統(tǒng)是一種犧牲陽極的保護方法?！颁摬讳P”陽極包括鋅陽極核心、一對熔鑄在兩端的鋼導線和水泥基外殼。陽極被塑造成棋子狀，直徑約64 mm，厚約25 mm，兩端的鋼導線用來將陽極拴在鋼筋上?！颁摬讳P”陽極有效半徑范圍為50～75 cm，使用年限10年以上，視環(huán)境條件和鋼筋密度而變化。

2.2 試件修復設計及分組

為了較為全面地反映本次試驗方法的準確性，對幾種修復方案的修復效果進行比較，本次試驗設計方案如表3所示。

表3 修復方案Table 3 Repair schemes

3 試驗結果

混凝土中鋼筋銹蝕是一個電化學過程，本次試驗主要通過銹蝕電位變化狀態(tài)反映鋼筋銹蝕的程度，用電化學方法通過測定鋼筋/混凝土銹蝕體系的電化學特性來確定混凝土中鋼筋銹蝕程度。該方法具有測試速度快、靈敏度高、可連續(xù)跟蹤和原位測量等優(yōu)點。

本次檢測分別于 2010、2014、2016、2017 年采用鋼筋銹蝕儀對試件每根鋼筋的銹蝕電位進行了測量，每個試件鋼筋銹蝕電位變化趨勢測量結果見圖3—圖 7。

圖3 方案1未修復試件u12鋼筋銹蝕電位變化趨勢Fig.3 The corrosion potential trend of the unrepaired specimens

4 修復效果評估

通過外觀檢查、銹蝕電位測量評價修復效果，得出如下結論：

1)當氯離子含量超過6%，采用普通砂漿中摻入阻銹劑的方法無法阻止鋼筋銹蝕，但可暫時延緩鋼筋銹蝕，修復壽命在5年左右。

2)當氯離子含量達到12%，對已經(jīng)銹蝕的鋼筋進行除銹處理并在表面涂刷鋼筋保護劑，再用具有阻銹性能的修復砂漿修復，修復效果良好，可達到完全阻銹的效果。

圖4 采用修復方案2試件的鋼筋銹蝕電位變化趨勢Fig.4 The corrosion potential trend of the specimens in the repair scheme 2

圖6 采用修復方案4試件的鋼筋銹蝕電位變化趨勢Fig.6 The corrosion potential trend of the specimens in the repair scheme 4

3)當氯離子含量達到3%，在鋼筋上綁“犧牲陽極”再采用普通砂漿修復，在很長一段時間能起到阻銹的效果，但是當氯離子含量達到9%，采用該方法修復效果在5年左右，5年后鋼筋繼續(xù)銹蝕。

4)對于氯離子含量為3%左右的試件，采用普通砂漿修復能起到一定的修復效果，但是對于氯離子含量超過6%的試件，采用普通砂漿修復，5年左右后鋼筋開始銹蝕，構件出現(xiàn)開裂的情況。

圖7 采用修復方案5試件的鋼筋銹蝕電位變化趨勢Fig.7 The corrosion potential trend of the specimens in the repair scheme 5

5 結束語

通過對摻入不同濃度的氯鹽采用不同的修復技術并進行長期暴露試驗，得出如下結論：

1)對于受高濃度氯鹽侵蝕的混凝土結構，且結構因鋼筋銹蝕引起混凝土開裂，建議采用鋼筋再鈍化并采用高性能的修復砂漿修復至原截面，可延長結構使用壽命。不建議采用普通砂漿進行修復，使用幾年后鋼筋會再次銹蝕，引起結構破壞。

2)對于受較高濃度氯鹽侵蝕的混凝土結構，建議在修復時剔鑿鋼筋周圍受侵蝕的混凝土，更換為黏結性能好的修復砂漿。

3)采用“犧牲陽極”的修復技術，對于受低濃度侵蝕的混凝土結構，延長結構使用壽命較長;對于受高濃度侵蝕的混凝土結構，延長結構使用壽命5年左右，不建議采用該方法對受高濃度侵蝕的混凝土結構進行修復。

4)對于受較高濃度氯鹽侵蝕的混凝土結構，采用在普通修復砂漿中摻入阻銹劑進行修復，不能起到長久的修復效果，不建議采用該方法進行修復。

總之，對受氯鹽侵蝕的混凝土結構進行耐久性修復時，首先應對結構進行安全性和耐久性評估，根據(jù)評估結果采用對應的修復方法。如果構件劣化很嚴重引起構件承載力明顯下降，建議采用更換構件的方法;如果構件承載力下降不明顯，建議采用結構加固和修復相結合的方法。