海洋環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞分析

李 穎

(河南省桃花峪黃河大橋投資有限公司，河南鄭州 450001)

0 引言

目前國內(nèi)外跨海大橋的橋墩主要采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題一直是國內(nèi)外廣大研究者關(guān)注的重點。在20世紀(jì)初，Haigh教授首先提出了腐蝕疲勞現(xiàn)象，在以后EvansV.R.認(rèn)為在工程實踐中這種現(xiàn)象是一個很重要的問題，截止目前，國內(nèi)外對于腐蝕疲勞已經(jīng)做了很多的研究工作，但都集中在航空和機(jī)械領(lǐng)域，而結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的研究資料相對較少。早在1988年，美國曾報道，一年用于維修和加固鋼筋混凝土腐蝕破壞的修復(fù)費用高達(dá)2 500億美元，其中橋梁修復(fù)費用約占60%，是初建費用的4倍;類似的鋼筋腐蝕破壞的情形在歐洲、澳大利亞等沿海國家非常普遍，在我國也已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多海港碼頭的混凝土結(jié)構(gòu)使用不過十年已普遍發(fā)生順筋銹脹開裂、剝落等破壞，相關(guān)部門不得不斥巨資修復(fù)[1]。而對于海洋環(huán)境中的鋼筋混凝土橋墩，氯鹽的外侵導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能的降低，是造成腐蝕破壞的主要原因，腐蝕現(xiàn)象較內(nèi)陸更加嚴(yán)重。因此，鋼筋混凝土構(gòu)件的腐蝕疲勞問題是一個非常重要同時也是十分迫切需要解決的問題，鑒于此，本文對跨海環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)做一些初步的探討。

1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕疲勞性能研究

對于普通的鋼筋混凝土構(gòu)件，荷載頻率相對偏低，對鋼筋混凝土構(gòu)件的影響較小，但對于受到腐蝕的鋼筋混凝土構(gòu)件，荷載頻率卻對其疲勞極限強(qiáng)度影響較大，且荷載頻率越低，混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞極限強(qiáng)度將越低[2]。腐蝕與疲勞荷載的耦合作用直接導(dǎo)致了受彎構(gòu)件承載能力的降低。

1.1 鋼筋疲勞性能

鋼筋的銹蝕機(jī)理主要是Cl－的外侵，大致分為三步，首先是酸化水泥表面的堿性環(huán)境，破壞其表面的鈍化膜，然后形成以鐵為陽極，以殘余鈍化膜為陰極的“腐蝕電池”使鋼筋表面徹底暴露，此外，氯離子還可作為中間載體不斷地使 Fe2+和 OH－生成Fe(OH)2，運走Fe2+，加速腐蝕電池反應(yīng)，產(chǎn)生鋼筋的銹蝕。

近幾年，研究者展開了對鋼筋銹蝕率與鋼筋疲勞壽命關(guān)系的研究，首先是孫曉東等[4]在不同銹蝕率下鋼筋混凝土梁的疲勞試驗中，初步得到了特定應(yīng)力幅下鋼筋銹蝕率與鋼筋疲勞壽命之間的關(guān)系，而后張偉平等人[5]還在銹蝕鋼筋的軸向拉伸疲勞試驗中發(fā)現(xiàn)，對于光圓鋼筋，在不同應(yīng)力幅下，腐蝕率與鋼筋疲勞壽命比的函數(shù)關(guān)系也存在一定差異，見表1。對于腐蝕對鋼筋疲勞壽命影響的具體表達(dá)式還有待進(jìn)一步研究。

表1 銹蝕鋼筋疲勞試驗疲勞壽命比數(shù)據(jù)

1.2 混凝土疲勞性能

混凝土本身的疲勞強(qiáng)度較靜力強(qiáng)度低很多，對于處于海洋腐蝕環(huán)境中的混凝土疲勞強(qiáng)度更低，一方面，混凝土自身疲勞性能降低;另一方面，由于腐蝕引起的鋼筋膨脹使得混凝土開裂，加重了混凝土疲勞性能的降低程度。陳栓發(fā)等[6]學(xué)者通過一系列的混凝土疲勞試驗用腐蝕疲勞因子和腐蝕介質(zhì)因子的取值說明了腐蝕會降低混凝土疲勞性能，但具體量化的關(guān)系式還需要進(jìn)一步研究確定。

1.3 鋼筋與混凝土粘結(jié)性能

鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)性能受腐蝕環(huán)境的影響很大，鋼筋的銹蝕和混凝土的脆化使得鋼筋與混凝土之間的咬合力和摩擦力大幅度下降，鋼筋與混凝土粘結(jié)力的下降導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)整體的疲勞性能的降低，潘振華等人[9]得到考慮銹蝕率影響下疲勞荷載下鋼筋粘結(jié)強(qiáng)度可以用粘結(jié)退化系數(shù)β與銹蝕后鋼筋粘結(jié)強(qiáng)度的乘積表示，即。但粘結(jié)退化系數(shù)β的影響因素較多，具體取值尚需進(jìn)一步的試驗確定。

2 提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的措施

2.1 提高材料本身性能

從材質(zhì)本身的性能出發(fā)，采用高性能混凝土，將優(yōu)質(zhì)混凝土礦物摻合料和新型高效減水劑復(fù)合，配以與之相適應(yīng)的水泥和級配良好的粗細(xì)骨料，形成高性能混凝土。高性能海工混凝土以較高的密實度和較強(qiáng)的抗氯離子滲透性為特征，技術(shù)手段可靠，抗銹效果顯著，已有較多的成功實例，但是對施工場地和施工技術(shù)要求較高，必須確保養(yǎng)護(hù)時間大于15 d。

2.2 構(gòu)造措施

根據(jù)規(guī)范盡可能提高鋼筋保護(hù)層厚度(一般不小于50 mm)，見表2。實驗表明，對于暴露于海洋環(huán)境中的混凝土，表面30 mm～50 mm深度范圍內(nèi)的Cl－濃度遠(yuǎn)低于15 mm深度處的Cl－濃度，但保護(hù)層厚度的增加也應(yīng)有限制。國內(nèi)外已建和在建的跨海大橋幾乎均適當(dāng)?shù)募哟罅吮Ｗo(hù)層來提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

2.3 保護(hù)涂層

2.3.1 混凝土保護(hù)涂層

混凝土保護(hù)涂層可以在使用壽命內(nèi)有效地阻絕腐蝕性介質(zhì)與混凝土接觸，從而延長混凝土和鋼筋混凝土的使用壽命，但由于海洋環(huán)境的腐蝕作用，一般涂層系統(tǒng)自身壽命在5年～10年左右，通常僅作為防腐蝕的輔助措施。一方面，可選用能與混凝土表面的強(qiáng)堿性相適應(yīng)的薄層涂料作為保護(hù)混凝土中鋼筋的措施，該類涂層與混凝土的粘結(jié)力不小于1.5 N/m2，并且涂層系統(tǒng)自身壽命和對混凝土的有效防護(hù)時間不低于10年;另一方面，可選用自身壽命短的涂層系統(tǒng)用于早齡期混凝土的防護(hù)，在混凝土的水化尚未充分完成的齡期內(nèi)，減輕氯鹽等腐蝕物質(zhì)侵入混凝土內(nèi)部。

表2 最小保護(hù)層厚度 mm

2.3.2 鋼筋保護(hù)涂層

通過在鋼筋表面敷涂致密的環(huán)氧樹脂涂層，將鋼筋與外界環(huán)境隔離，達(dá)到延長鋼筋使用壽命的目的，但結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能較差。而且由于生產(chǎn)環(huán)氧涂層鋼筋時除去了鋼筋表面的氧化膜，一旦銹蝕開始，銹蝕速率較快。因此在施工過程中對環(huán)氧涂層鋼筋的保護(hù)要求極其嚴(yán)格，從而加大了施工難度，一般不推薦采用。

2.4 化學(xué)方法

2.4.1 鋼筋阻銹劑

作為外加劑中的一種，一定量的鋼筋阻銹劑即可有效抑制混凝土中氯離子的活化作用，并且可以通過單分子的緩慢化學(xué)反應(yīng)，生成具有隔離保護(hù)作用的鈍化層，從而能拖延鋼筋出現(xiàn)銹蝕的時間并降低鋼筋銹蝕速度。我國的鋼筋阻銹劑使用可參照YB J231-91鋼筋阻銹劑使用技術(shù)規(guī)程。

與其他混凝土外加劑相比，鋼筋阻銹劑主要有以下幾個特點:1)在有效抑制鋼筋腐蝕的同時還具有增強(qiáng)混凝土密實度的作用;2)操作過程簡單，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的施工沒有過多的要求;3)一次添加可以長期發(fā)揮阻銹功用，添加了阻銹劑的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在壽命期內(nèi)可滿足鋼筋防銹功能且不需進(jìn)行特殊養(yǎng)護(hù)，全壽命經(jīng)濟(jì)效果十分可觀。

表3 國內(nèi)外跨海大橋耐久性措施實例

2.4.2 陰極保護(hù)

根據(jù)電化腐蝕氧化還原反應(yīng)原理，鋼筋腐蝕(陽極反應(yīng))的同時釋放出自由電子，陰極防護(hù)即通過引入一個外加犧牲陽極或直流電源來抑制鋼筋在電化學(xué)腐蝕反應(yīng)過程中釋放電子從而延長海工混凝土的使用壽命。在相同的電解質(zhì)中將需保護(hù)的結(jié)構(gòu)物作為陰極，用石墨等不溶性的物質(zhì)作陽極，外加與原電池極性相反的直流電源，在通電后，將負(fù)電荷(電子)在鋼鐵表面積累，抑制鋼鐵發(fā)生失去電子的作用，從而防止了鋼鐵的腐蝕，這種方式的保護(hù)就是外加電流型陰極保護(hù)。陰極保護(hù)系統(tǒng)的制造、安裝和維護(hù)費用較為昂貴且穩(wěn)定性不高。

3 國內(nèi)外海洋環(huán)境下橋梁防腐措施實例

表3中列舉了國內(nèi)外部分跨海大橋的防腐措施，不難看出，國內(nèi)外已建和在建的橋梁對于延緩鋼筋混凝土構(gòu)件的腐蝕病害、提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的最常用方法即改善混凝土性能、配合比，并且加大鋼筋混凝土的保護(hù)層厚度。諸如混凝土表層浸涂防護(hù)、添加鋼筋阻銹劑、鋼筋環(huán)氧涂層等手段只能作為附加措施，大多應(yīng)用于特殊部位的耐久性良好的密實混凝土中。而對于陰極防護(hù)系統(tǒng)可應(yīng)用于處于極端惡劣環(huán)境下并且十分重要的工程結(jié)構(gòu)中。此外，嚴(yán)格控制施工技術(shù)和施工質(zhì)量，也能起到保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)避免腐蝕的作用。

4 結(jié)語

影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞的因素較多，本文只是做了試探性的初步介紹總結(jié)，國內(nèi)外的研究方向大多集中在腐蝕對疲勞性能的影響方面，而在疲勞加載參數(shù)對腐蝕速度的影響上，至今還是很少。隨著科技的發(fā)展，對疲勞現(xiàn)象研究的深入，將來定會有更好的防腐和維護(hù)措施，確保鋼筋混凝土的質(zhì)量。

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