橋梁結(jié)構(gòu)混凝土中氯鹽含量與鋼筋銹蝕問題探討
2012-12-31 00:00:00楊在喜
【摘要】氯鹽是引起橋梁鋼筋銹蝕的主要因素之一，鋼筋銹蝕直接影響橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性?；炷林械穆塞}主要來源于防凍鹽、外加劑（如氯化鈣）和含氯鹽環(huán)境（如海水）等。當氯離子達到一定量時，鋼筋便開始銹蝕。銹蝕進一步發(fā)展，就會出現(xiàn)混凝土保護層的開裂和剝落，進而危及結(jié)構(gòu)物的安全。本文對此作了分析，并提出了預防銹蝕的措施和處理修復的辦法。
【關(guān)鍵詞】鋼筋銹蝕；成因；危害；預防；修復
1.機理
鋼筋在水、氧具備的條件下，產(chǎn)生下列電化學反應(yīng)。在陽極，鐵釋放電子e：Fe→Fe+++2e；在陰極，水中的溶解氧吸收來自陽極的電子而生成OH-：2H2O+O2+4e→4OH；電子由陽極不斷流向陰極，產(chǎn)生銹蝕電流，在鋼筋表面生成氫氧化亞鐵薄膜，并與水、氧結(jié)合，生成氫氧化鐵，即鐵銹。其過程可作如下：2Fe+2H2O+O2→2Fe（OH）2；2Fe（OH）2+H2O+O2→2Fe（OH）3。
2.自然因素
2.1氣候因素
我國從南到北沿海有14個省、市、自治區(qū)和特區(qū)，都受到季風氣候的影響，依次為熱帶季風、亞熱帶季風、溫帶季風。我國沿海大部分地區(qū)屬中緯度地帶，溫濕季風區(qū)，氣候溫和，四季分明。春季冷、暖空氣交替活動頻繁；夏季梅雨過后，常出現(xiàn)高溫少雨的伏旱；秋季有連續(xù)陰雨。這種氣候特點，極易裸露的鋼筋生銹。
2.2水質(zhì)因素
由于我國沿海地區(qū)地勢低洼，近半個世紀以來，沿海土地鹽漬化加重，長江河口的鹽水入侵距離與大通站徑流的相關(guān)系數(shù)為0.884，當流量低于7000立方米/S時，鹽水入侵可達100余千米，1978-1979年鹽水曾包圍崇明、長興、和橫沙三島長達五個月之久。水的含鹽量越高越易引起鋼筋銹蝕。
3.工藝因素
3.1混凝土密實度不足
混凝土密實度不足，即混凝土的孔隙率較高，在一定的潮濕條件下，空氣中的二氧化碳容易滲透到混凝土內(nèi)部而引起混凝土碳化，致使混凝土堿性降低，從而使鋼筋產(chǎn)生銹蝕。
3.2保護層太薄所致
當保護層太薄時，混凝土的碳化深度很容易達到鋼筋的范圍之內(nèi)，使鋼筋周圍失去堿性，鈍化膜局部破壞，減弱對鋼筋的保護作用，從而導致鋼筋銹蝕。
4.危害性
4.1使橋梁結(jié)構(gòu)性能受到損害
鋼筋銹蝕，導致鋼筋受力截面積減少，從而使鋼筋的力學性能下降；鋼筋銹蝕削弱了鋼筋與混凝土之間的結(jié)合強度，從而削弱了鋼筋抗拉抗剪強度，導致其不能把鋼筋所受的應(yīng)力有效地傳遞給混凝土；鋼筋銹蝕產(chǎn)物引起體積膨脹，膨脹后的體積是其基體體積的2倍～4倍，隨著鋼筋的不斷銹蝕，該產(chǎn)物在混凝土內(nèi)不斷積聚，對混凝土的擠壓逐漸增大，致使混凝土保護層開裂、變形及剝離；鋼筋的銹蝕使鋼筋與混凝土結(jié)合強度逐漸喪失，直接影響著橋梁的使用安全和耐久性。
4.2影響鋼筋混凝土橋梁外觀
鋼筋銹蝕后會降低混凝土對鋼筋的握裹力。因為，造成銹蝕物外流，在結(jié)構(gòu)表面形成銹跡，影響結(jié)構(gòu)美觀?，F(xiàn)代橋梁不僅具有它的實用價值，也有其審美價值。這些年經(jīng)濟發(fā)展的實踐告訴我們，一個地方的環(huán)境往往是一個地方經(jīng)濟發(fā)展的重要因素，這個環(huán)境包括自然環(huán)境、歷史人文環(huán)境和社會和諧環(huán)境。有許多地方的橋梁往往是這個地區(qū)吸引人們投資的的重要景點。
5.經(jīng)濟損失
美國學者Sitter曾經(jīng)提出過著名的五倍定律，認為：結(jié)構(gòu)設(shè)計時，對新建項目在鋼筋防護方面每節(jié)省1美元，就意味著發(fā)現(xiàn)鋼筋銹蝕時采取措施多追加5美元。據(jù)美國公路戰(zhàn)略研究項目（（SHRP）報告統(tǒng)計，1986年，美國修復因銹蝕引起的橋梁損壞所需費用為200億美元，而且這種費用還在以每年5億美元的速度遞增。
6.混凝土鋼筋銹蝕的預防
6.1鋼筋表面增加環(huán)氧樹脂涂層
在發(fā)達國家，帶有環(huán)氧樹脂涂層的鋼筋被廣泛應(yīng)用于橋梁等工程建設(shè)中。良好的涂層能有效防止鋼筋銹蝕，大大延長結(jié)構(gòu)使用壽命。具體做法是：用噴射鋼砂對鋼筋表面進行處理，除掉所有污跡和氧化膜；將待涂鋼筋加熱至232℃，再將環(huán)氧樹脂粉末靜電噴涂至鋼筋表面，粉末在鋼筋表面熔化，形成一層與鋼筋粘結(jié)緊密的薄膜，然后進行養(yǎng)生。這一過程是不可逆的，也就是說，涂層形成后，重新加溫加壓不會使其熔化或流失。環(huán)氧樹脂涂層可阻止水和帶電離子到達鋼筋表面，因此，即使混凝土產(chǎn)生裂縫，鋼筋也能得到有效保護。
6.2注意防水層的密實性
水在鋼筋銹蝕過程中起著重要作用，切斷水的通路，鋼筋銹蝕便可以控制了。橋梁防水包括表面防水和裂縫修補。表面防水一般采用在經(jīng)常接觸水的表面增加防水層的方法。防水層一般采用環(huán)氧樹脂或其他高分子材料。防水層施工前，應(yīng)使表面混凝土清潔、干燥，以保證良好的粘結(jié)性。防水層應(yīng)致密、均勻，以達到良好的防水效果。
6.3增加鋼筋保護層厚度
增加鋼筋保護層厚度可使氯離子滲透至鋼筋表面的時間增長，因而能延緩鋼筋銹蝕的發(fā)生。現(xiàn)在有些鋼筋保護層厚度不夠，需要注意。在橋梁的建造中，一定要拒絕保護層厚度不夠的鋼筋進入工地。
6.4電化學防護方法
電化學防護方法是應(yīng)用電化學原理避免鋼筋銹蝕，如陰極防護。在原電池中，活性較強的金屬（陽極）失去電子逐漸熔解，而活性較弱的陰極維持原狀。利用這一原理，可以引入活性比鐵強的金屬（如鋅）充當陽極，與鋼筋混凝土共同形成電池。當電化學反應(yīng)發(fā)生時，活性比鐵強的金屬逐漸被腐蝕，而鋼筋不會銹蝕。一種典型的陰極防護形式就是用電弧法將鋅噴涂于梁腹混凝土表面作為外加陽極對鋼筋進行保護。這一方法對防止鋼筋銹蝕很有效。
7.處理修復
7.1及時發(fā)現(xiàn)，及早維護
橋梁病害的發(fā)展是一個非線形的過程。開始階段，病害的發(fā)展很平緩，經(jīng)過某一臨界點后，病害發(fā)展會急劇加速，直至橋梁失去使用功能。其病害的發(fā)展過程，可以用一條幾何曲線來描述；同樣，病害修復所需費用也符合類似規(guī)律。因此及時發(fā)現(xiàn)病害后，及時修復十分重要，否則，不僅所花時間很多，費用也很大。鋼筋銹蝕可能在橋梁的任何部位發(fā)生，特別是經(jīng)常有水浸潤和鋼筋出露的地方，如伸縮縫附近、經(jīng)常被水淋濕的梁腹、橋面及混凝土開裂處等。修復時，首先要清除所有銹蝕區(qū)域的混凝土，然后對鋼筋進行除銹處理，通常采用噴砂法或超高壓水槍噴射除銹。如果鋼筋截面積因銹蝕嚴重減小，可能影響橋梁的承載力時，應(yīng)根據(jù)驗算結(jié)果確定修復部位并增加鋼筋數(shù)量，以確保結(jié)構(gòu)含筋量。上述工作完成后，在打開處澆筑高強度水泥混凝土。當混凝土層較薄無法立模施工時，可采用噴射混凝土澆筑。
7.2處理銹蝕要按照一定的步驟進行
在一般情況的修復是：首先要鑿除松脫、剝離等已損壞部分的混凝土，使鋼筋全部露出；然后用噴砂槍或其他工具對鋼筋作除銹處理，并鑿除混凝土表面上的灰塵；接著對鋼筋除銹后作防銹處理在露出的鋼筋表面涂以環(huán)氧膠液等粘結(jié)劑；最后配料澆筑混凝土，如采用環(huán)氧砂漿、環(huán)氧混凝土或其他防腐材料，對新混凝土進行表面處理。
8.結(jié)語
在混凝土碳化嚴重情況下的修復，有兩種處理方法，一是在結(jié)構(gòu)外補做高密實的混凝土保護層或在結(jié)構(gòu)表面加一層封閉性表面涂層。二是用電極滲透法將強堿性電解質(zhì)溶液向已中性化的結(jié)構(gòu)混凝土保護層內(nèi)滲透，使舊混凝土重新變成堿性，恢復其功效。
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