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鋼筋混凝土結構的腐蝕與涂層防護

時間:2014-05-27 09:16來源:未知 作者:admin 點擊:
 1 前 言

       大興土木,是一個國家興旺發達的標志。近三十年來,我國基礎設施建設(大型土木工程)進入了一個飛速發展時期。如何保證基礎設施安全長久地運行,是國家的長遠利益所在。一些國家也曾有過大規模基礎設施建設時期,但不久因基礎設施不斷出問題,大規模的“修復”期提前到來,而其費用遠超過初建費,1995年美國腐蝕成本達到3000億美元,其中1500億美元是鋼筋腐蝕造成的。汲取國外的經驗教訓,我們應盡力避免重蹈覆轍,高度重視基礎設施的耐久性,走出一條積極應對的成功之路。

      
土木工程基礎設施主要是鋼結構、鋼筋混凝土結構,并以后者為主體。公路、鐵路橋梁、海港碼頭、機場、水利電力及能源設施等是國民經濟發展的命脈,可持續發展的依托。就環境影響而言,“腐蝕”是基礎設施耐久性的主要因素之一,甚至是首要因素。這里僅就鋼筋混凝土結構的腐蝕與涂層防護作以分析和討論。

2 鋼筋混凝土結構腐蝕的原因分析

      
混凝土是復合的人工材料,具有多孔性,顯微裂縫結構和較粗糙的表面。由于混凝土和鋼筋的變形性不同,導致結構表面產生較大的變形,出現局部顯微裂縫和大裂縫(0.1~0.3mm)。混凝土表面的粗糙度和多孔性,為其表面吸收水分創造了條件。促使鋼筋混凝土腐蝕劣化的原因大約有以下幾種:

2.1 中性化

     水泥水化產物中含氫氧化鈣較多,因而混凝土是強堿性的,其孔隙內溶液的PH≥12.6。當大氣中的CO2遇水后變成酸性液體,不斷地滲透侵蝕混凝土,其PH值逐漸降低,水泥水化產物發生分解,導致混凝土脹裂、粉化脫落,使其強度大大降低。這個過程即中性化。其反應如下:

CO2+H2O+Ca(OH)2 →CaCO3+H2O

2.2 凍 害

       在寒冷的地區或季節,混凝土中的水分在0℃以下結冰,這使得其表面和內部由于冰的體積增大而出現脹裂,溫度高時冰融化,反復的凍融使混凝土淺表面由于產生裂紋而變得疏松以致脫落。凍融不僅破壞混凝土本身,也使其中的鋼筋失去保護而發生腐蝕。因此,凍害也是影響鋼筋混凝土結構耐久性的重要因素。

2.3 氯離子侵害

       混凝土的氯鹽(Cl -)有兩種來源,一是使用了含氯鹽的外加劑,如使用海砂,施工用水中含Cl -、加入含Cl -的防凍劑等等。再就是環境中的氯鹽,比如海洋環境、城市立交橋冬季使用的“融雪劑”(化冰鹽),鹽漬土(含較高鹽份的土壤)等,通過混凝土表層滲透到達鋼筋表面,破壞鈍化膜而產生腐蝕,大大縮短了使用壽命。海洋工程中的鋼筋混凝土結構往往3~5年就出現腐蝕。如東京灣所作的試驗,有無涂裝的混凝土在暴露于海洋大氣環境下7年時間,未涂裝的其鋼筋腐蝕面積接近80%,而涂裝的幾乎未被腐蝕。如圖1所示。

2.4 堿-骨料反應(ASR)

       堿-骨料反應是混凝土中某些活性礦物骨料與混凝土孔隙中的堿性溶液之間的反應。堿-骨料反應中,堿與SiO2反應生成的堿硅膠會吸收微孔中的水分,發生體積膨脹。當膨脹壓力超過硬化水泥漿的抗拉強度時,就會引起混凝土開裂破壞。

       ASR發生的條件有三個:第一,充分的水(包括混凝土中原有的水和來自外部的水);第二,限量值以上的NaOH濃度(微孔中原有的堿和來自外部的堿),第三,骨料中存在反應性二氧化硅。只要切斷產生ASR的其中一個因素,就能抑制ASR。

       對已有建筑而言,反應性SiO2及NaOH已經存在于其中,可控的因素只有水。有報告顯示,在濕度≤85%時,即使發生ASR也不會產生膨脹,那么,通過防止外部水分滲入就可以控制ASR。

3 鋼筋混凝土結構涂裝的經濟分析

       基礎設施腐蝕損失,在總腐蝕損失中占有很大比例,與鋼筋腐蝕相關的約占40%~50%,特別是以橋梁為代表的鋼筋混凝土基礎設施的腐蝕,成為當今世界突出的問題。

       以跨海大橋為例,杭州灣大橋投資預算為118億元,其中用于混凝土涂裝的費用約1億多元,約占總投資的1%。該橋的設計使用壽命為100年。已經建成的東海大橋使用壽命也是100年,但剛投入使用不久,已開始出現裂縫;包括蘇通大橋,都面臨采用涂裝保護的嚴重問題。在鹽環境中的常規混凝土(不采取保護措施),雖然初建費用是低一點,但大約15年便開始第一次修復工程,40年內要修復4次,修復費約占初建費的4倍(這與美國橋梁的實際情況相符合)。

       根據日本的經驗,選擇合適的涂裝方案,跨海大橋混凝土防護涂層的預期壽命最高可達60年,一般的方案也在25年以上。采用涂裝防護的混凝土結構的維修期,最長的可達50年,普通方案一般在25年。

       綜上所述,可以看出主動采取防護措施,雖然初建費略有增加(按最好方案計,涂裝費為總造價的2%),但60年的總費用較之不采取防護措施者至少節約40%。而保證大橋安全通行,減少維修期所產生的社會效益也是很可觀的。

4 用于海洋環境腐蝕防護的混凝土

涂料介紹

       混凝土的多孔性、顯微裂縫和粗糙的表面導致了中性化、凍害、氯離子滲透和堿-骨料反應的發生。采用合適的涂裝方案,對混凝土表面進行封閉,切斷外界的水氣(包括液態水)、氧氣、氯離子、酸性液體的滲透途徑,就可以防止或延緩腐蝕的發生。國內在水處理系統、工業地坪、化工廠、造紙廠、電站等工程已經有成熟的涂料應用經驗,而工程的防護工作時間不長。下面介紹國外在這方面的一些涂料材料和方案供參考。

4.1 混凝土的表面處理

       混凝土表面粗糙多孔,既有基材經受風化侵蝕,表層強度低,可能還有油污和鹽份等雜質,必須經過嚴格的除油,表面打磨或噴水(砂)處理,去除表層疏松部分,以淡水沖洗至PH=7~8。高壓噴水法的操作壓力可設定為100MPa。基材的處理十分關鍵,涂層的使用壽命與基材處理的級別直接相關。為確保基材處理質量,國外有專業的表面處理公司承攬大型工程的這一工序。

4.2 底 漆

       采用環氧清漆作底漆是經典的處理方法。低分子量的環氧樹脂和改性聚酰胺固化劑粘度小、附著力強、流動性及浸潤性好、耐堿,易于滲透進入混凝土的表層,填充并徹底封閉細微的裂縫和孔洞,大大提高了表面的強度和致密度,為下道工序打下良好的基礎。底漆用量約為0.1Kg/m2。

       改性聚酰胺固化劑使得底漆具有一定的柔韌性,當混凝土結構承載重力或因溫度發生變化而出現細小裂紋(0.05~1mm)時,柔性涂層可以拉伸,隨裂紋而“動”,從而保證其阻斷功能。

       從H2O、O2、CO2、Cl - 滲透涂層的途徑來看,底漆是“最后一道屏障”,為確保其滲透性和潤濕性,日本DNT涂料株式會社在噴涂底漆時,還加入一倍的稀釋劑,以求“封底”牢固。即使在面漆和中間漆在使用過程中出現老化,底漆還可以繼續發揮防止滲透、延緩腐蝕的作用。

       國外也有直接以柔性厚膜型無溶劑環氧樹脂作底漆的,其一次噴涂厚膜達150μm,中間涂層與底漆是同一種材料,膜厚也是150μm。

       海工混凝土涂裝在國外也才20多年的歷史,加之化學工業的快速發展,不斷出現一些性能優異的涂料,比如氟樹脂。究竟哪種施工方案的耐久性更好,只能等待實踐檢驗結果,實驗室模擬環境下的數據與實際腐蝕情況畢竟還有相當距離。

(責任編輯:mastersh)
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