鋼筋混凝土梁修補(bǔ)技術(shù)對其鋼筋銹蝕性能的影響

李 悅，辜中偉

（北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；工程抗震與結(jié)構(gòu)診治北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100124）

混凝土中的鋼筋銹蝕是造成混凝土結(jié)構(gòu)耐久性損傷的最重要因素之一［1－2］。在一般情況下，混凝土開裂以前，鋼筋銹蝕量較小。然而一旦混凝土保護(hù)層開裂，鋼筋銹蝕速度顯著加快［3－4］。鋼筋銹蝕影響混凝土結(jié)構(gòu)的服務(wù)年限，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，鋼筋表明形成的銹蝕產(chǎn)物使附近的混凝土產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力導(dǎo)致混凝土開裂，裂縫的形成進(jìn)一步降低了混凝土的強(qiáng)度，并且使鋼筋受到外界銹蝕環(huán)境的影響從而進(jìn)一步擴(kuò)展了裂縫［5］；第二，銹蝕產(chǎn)物的孔隙度比較大，強(qiáng)度比較低［6］，減弱了鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)性能從而影響了結(jié)構(gòu)的正常使用。隨著鋼筋銹蝕加劇，裂縫擴(kuò)展使混凝土剝落，鋼筋外露，嚴(yán)重影響鋼筋混凝土的耐久性，甚至危害結(jié)構(gòu)的安全［7－8］。

因此，如果鋼筋混凝土銹蝕到已不能再滿足結(jié)構(gòu)的正常使用要求時(shí)，必須采用必要的防護(hù)和修復(fù)技術(shù)。目前的研究多集中于鋼筋混凝土中鋼筋的阻銹技術(shù)和阻銹劑［9－10］的研發(fā)，也有少數(shù)針對破損混凝土的修復(fù)技術(shù)的研究，如表面修補(bǔ)法、灌漿法、填充密封法、加固補(bǔ)強(qiáng)法、自修復(fù)法等［11－12］。上述修補(bǔ)方法，雖然都能很好地恢復(fù)甚至于提高鋼筋混凝土構(gòu)件的承載能力，但是存在韌性普遍降低、耐久性未改善等問題。因此，如何選擇最佳修補(bǔ)方法提高混凝土結(jié)構(gòu)開裂后的耐久性至關(guān)重要。此試驗(yàn)針對同一類型破損構(gòu)件采用6種不同的修補(bǔ)方法進(jìn)行了修補(bǔ)加固，并采用線性極化法［13－15］評估了修補(bǔ)后構(gòu)件的鋼筋銹蝕性能，比較上述6種修補(bǔ)方法的有效性。

1 試驗(yàn)原材料與方法

1.1 原材料

1.1.1 制備鋼筋混凝土梁的材料 膠凝材料采用P.O 32.5普通硅酸鹽水泥，3d和28d抗壓強(qiáng)度分別為15.2MPa和36.5MPa，密度3.1g／cm3；細(xì)集料采用河砂，表觀密度2 650kg／m3，細(xì)度模數(shù)為2.8；粗集料采用5～20mm連續(xù)級配碎石，表觀密度2 700kg／m3；減水劑采用萘系固體高效減水劑，減水率為20%，摻量為水泥質(zhì)量的0.6%。

1.1.2 混凝土梁破損試驗(yàn)后采用如下材料進(jìn)行修補(bǔ)

1）P·O 42.5普通硅酸鹽水泥：3d和28d抗壓強(qiáng)度分別為20.3MPa和48.4MPa，密度3.1g／cm3；細(xì)集料采用中國ISO標(biāo)準(zhǔn)砂，符合GB／T 17671－1999標(biāo)準(zhǔn)，最大粒徑為5mm。

2）C40豆石集料普通混凝土：豆石粒徑范圍為5～10mm，新拌混凝土坍落度為10cm，28d抗壓強(qiáng)度為45.5MPa。

3）低黏度型環(huán)氧樹脂灌漿材料：A、B雙組分商品灌漿材料，A組分是以環(huán)氧樹脂為主的體系，B組分為固化體系，漿體密度1.0，初始黏度26MPa·s可操作時(shí)間35min，抗壓強(qiáng)度55MPa，干粘結(jié)強(qiáng)度3.5MPa。

4）環(huán)氧砂漿，成分為低黏度型環(huán)氧樹脂灌漿材料與標(biāo)準(zhǔn)砂，3d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為36MPa和38.5MPa。

5）水泥基修補(bǔ)砂漿：主要成分為高鋁水泥、砂、膠粉等，初凝和終凝時(shí)間分別為41min和52min，7d抗壓和抗折強(qiáng)度分別為58.9MPa和9.9MPa，1d基面粘結(jié)強(qiáng)度1.99MPa。

6）界面劑：其主要成分為醋酸乙烯 乙烯，14d剪切粘貼強(qiáng)度1.76MPa。

7）水泥基滲透結(jié)晶型防水材料為自行研究，主要成分為高效減水劑、早強(qiáng)劑、活性陰離子、催化劑、水泥和石英砂等，外觀為灰色粉末，密度為2 000～2 100kg／m3。

8）混凝土保護(hù)劑選用了有機(jī)硅憎水劑。

9）鋅絲選用優(yōu)質(zhì)的0＃純度99.995%，直徑1.0mm。

1.2 試驗(yàn)方法

普通混凝土的力學(xué)性能檢測參照GB／T 50081－2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》，混凝土坍落度測試參照GB／T 50080－2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》。

鋼筋銹蝕試驗(yàn)采用美國阿美特克公司PAR2273儀器對混凝土中的鋼筋銹蝕進(jìn)行測量，儀器基于線性極化原理。電化學(xué)測試為三電極體系，以飽和甘汞電極為參比電極，Pt電極為輔助電極，儀器掃描速率為1mv／s，掃描電位范圍從－20mv到＋20mv。用相應(yīng)的PowerSuite軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。鋼筋測試連接時(shí)，將工作電極連上鋼筋一段，輔助電極連接Pt電極，參比電極連接飽和甘汞電極。

預(yù)制混凝土梁的抗折試驗(yàn)參照GB／T 50152－2012《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》。試驗(yàn)采用分級加載。為獲得精確數(shù)據(jù)，在接近開裂荷載、破壞荷載的計(jì)算值時(shí)，適當(dāng)加密分級。梁開裂前加載的荷載增量為5kN，開裂后加載的荷載增量為10kN。加載設(shè)備采用量程2 000kN的微機(jī)控制液壓萬能試驗(yàn)機(jī)，可以很好地保證加荷速度及荷載的穩(wěn)定性。

1.3 混凝土配合比及梁的構(gòu)造

鋼筋混凝土梁所用的素混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C40，配合比及試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 素混凝土配合比（kg／m3）及試驗(yàn)結(jié)果

制作6根鋼筋混凝土構(gòu)件，參數(shù)如下：梁長L＝1 700mm，b×h＝100mm×170mm；配筋采用 HRB335，上部2φ8，下部2φ12；箍筋采用 HPB235，左右各φ8＠200，配筋加載圖見圖1。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 混凝土梁的物理力學(xué)性能

圖1 混凝土配筋及加載示意圖

圖2 梁破損狀態(tài)

根據(jù)梁的配筋形式及鋼筋實(shí)測抗拉強(qiáng)度fy＝398MPa，由GB 50010－2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》正截面受彎承載力（公式1）計(jì)算得到彎曲荷載為42.3kN；由最大撓度計(jì)算公式（2）得到理論最大撓度（表2），其中公式（2）的P值為實(shí)測彎曲荷載。然后對預(yù)制鋼筋混凝土梁進(jìn)行正截面受彎承載力試驗(yàn)，直至構(gòu)件達(dá)到承載能力極限狀態(tài)，失去承壓能力。試驗(yàn)結(jié)果見表2，梁破損狀態(tài)見圖2。

表2 預(yù)制鋼筋混凝土梁荷載及撓度的計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，混凝土梁的實(shí)際承載力超過計(jì)算值，實(shí)測撓度小于計(jì)算值，均滿足規(guī)范要求。

2.2 破損混凝土梁的修補(bǔ)方案

鋼筋混凝土經(jīng)過受彎承載力試驗(yàn)后受壓區(qū)混凝土出現(xiàn)部分破碎，受拉區(qū)混凝土出現(xiàn)大小不一的裂縫。因此，首先鑿去破損混凝土并露出鋼筋。當(dāng)裂縫寬度大于0.5mm時(shí)，在裂縫表面開槽，然后用高壓水清理混凝土表面，去除混凝土表面的碎片、粉塵（見圖3）。6根梁的具體修補(bǔ)方案見表3。

圖3 梁開槽后的形貌

圖4 L4梁的修補(bǔ)圖

2.3 腐蝕試驗(yàn)及結(jié)果分析

腐蝕試驗(yàn)測試采用了線性極化法中的動(dòng)電位極化方式，測試原理是根據(jù) Stern－Geary方程：Icorr＝B／Rp，B 為 Stern－Geary常數(shù)；Rp為測試的極化電阻，其單位是105Ω·cm2；Icorr為腐蝕電流密度，其單位是μА·cm－2［16］。當(dāng)Rp大于5.2×105Ω·cm2時(shí)，認(rèn)為鋼筋處于鈍化狀態(tài)［17］。

將修復(fù)好的梁置于室溫20±3℃的環(huán)境下灑水養(yǎng)護(hù)60d后，將其浸泡在質(zhì)量濃度為5%硫酸鎂溶液中，浸泡1d后進(jìn)行第1次線性極化測試試驗(yàn)，測試指標(biāo)包括極化電阻和電流密度，其結(jié)果作為基準(zhǔn)點(diǎn)，此后每隔30d測定一次。各修補(bǔ)梁中鋼筋的極化電阻隨腐蝕時(shí)間變化趨勢見圖5。

圖5 各梁中鋼筋的極化電阻隨腐蝕時(shí)間變化圖

從圖5可以得出：

1）L1～L6初始鋼筋的極化電阻相差不大，且均大于5.2×105Ω·cm2，表明鋼筋開始處于鈍化狀態(tài)。浸泡30d時(shí)，L1的極化電阻降幅最大，L2次之。盡管L1和L2是目前混凝土裂縫修補(bǔ)常用的方法，但其修補(bǔ)材料本身抗侵蝕性或修補(bǔ)材料與基體界面的粘結(jié)效果差，而且寬度d≤0.15mm的裂縫僅采用水灰比為0.36的水泥漿進(jìn)行表面封閉，導(dǎo)致整體抗硫酸鹽侵蝕性差，腐蝕性溶液迅速進(jìn)入混凝土內(nèi)部，造成鋼筋快速腐蝕。L4的極化電阻降低幅度最小，其余梁的極化電阻降幅介于L2和L4之間。

2）在浸泡周期30～150d時(shí)，L1的極化電阻一直最小，L2的極化電阻略大于L1且降低幅度最大；L4仍然在各組中保持最大，且隨腐蝕時(shí)間變化最為平緩。說明L4的修復(fù)措施對于提高構(gòu)件的抗鋼筋銹蝕效果最為明顯。

3）在浸泡150d時(shí)，L1、L2的極化電阻僅為0.44及2×105Ω·cm2，遠(yuǎn)低于5.2×105Ω·cm2，說明此時(shí)L1及L2銹蝕嚴(yán)重。L6和L3的極化電阻分別為5.2及5.36×105Ω·cm2，已經(jīng)接近銹蝕。L4的極化電阻最大為8.16×105Ω·cm2，鋼筋仍處于鈍化狀態(tài)。上述結(jié)果說明L4具有優(yōu)異抗銹蝕的原因，除了修補(bǔ)材料本身及其與基體界面良好的抗腐蝕性之外，鋅網(wǎng)套的犧牲陽極保護(hù)法起了重要作用。構(gòu)件表面涂刷水泥基滲透結(jié)晶材料的L5梁和有機(jī)硅憎水劑的L6梁在混凝土表面形成了保護(hù)層，阻止了硫酸鎂溶液滲入混凝土內(nèi)部造成鋼筋銹蝕，然而由于保護(hù)層會(huì)緩慢受到外界環(huán)境的影響而破損，其阻止溶液滲透的效果會(huì)慢慢減弱，鋼筋仍將發(fā)生緩慢銹蝕。

3 防腐蝕機(jī)理及分析

3.1 混凝土的硫酸鹽侵蝕機(jī)理

硫酸鹽浸泡150d以后，取L1表面下層2cm左右的混凝土顆粒進(jìn)行SEM觀察（圖6）。可以看出，混凝土微觀結(jié)構(gòu)相對致密的，但存在一些較小孔洞，且可以清晰看出AFt晶體。將圖6中的A區(qū)放大后，可以看出，大部分的C－S－H凝膠基本上是致密且連續(xù)，但部分C－S－H凝膠變得松散，而且可以觀察到石膏晶體（圖7）。對圖7中X點(diǎn)進(jìn)行X－射線能譜分析（EDS），發(fā)現(xiàn)Mg和S元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到了4.3%和3%，說明環(huán)境中的MgSO4已經(jīng)侵入混凝土基體中。

圖6 150d混凝土5 000×SEM圖

圖7 150d混凝土10 000×SEM圖

水泥的水化產(chǎn)物由C－S－H凝膠、Ca（OH）2、鈣礬石（AFt）和AFm等構(gòu)成。環(huán)境中的硫酸根離子侵入到混凝土中會(huì)與其水化產(chǎn)物反應(yīng)生成石膏、Mg（OH）2和硅膠等產(chǎn)物。其反應(yīng)的化學(xué)方程式如下：

由于C－S－H凝膠會(huì)被硫酸鎂分解，使混凝土強(qiáng)度和粘接性降低，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土極易開裂影響了混凝土的耐久性［18］。上述原因造成采用普通混凝土作為修補(bǔ)材料的抗硫酸鹽侵蝕效果不良。

3.2 環(huán)氧砂漿、水泥基滲透結(jié)晶材料、有機(jī)硅防水涂料及陽極保護(hù)的作用機(jī)理

L2采用環(huán)氧砂漿修補(bǔ)破損部位，由于環(huán)氧砂漿的熱膨脹系數(shù)一般為25～30×10－6／℃，約為混凝土的2.5～3倍。環(huán)氧砂漿在凝固階段會(huì)大量放熱，冷卻后產(chǎn)生溫度收縮，同時(shí)環(huán)氧砂漿固化后自身體積也會(huì)產(chǎn)生固化收縮。上述原因的共同作用導(dǎo)致修補(bǔ)部位特別是環(huán)氧砂漿與混凝土的結(jié)合界面容易產(chǎn)生收縮裂紋，導(dǎo)致侵蝕介質(zhì)滲入構(gòu)件中降低其耐久性。

水泥基滲透結(jié)晶材料以水泥、石英粉等為主要基材，并含有多種活性化學(xué)物質(zhì)，與水反應(yīng)后形成具有防滲透功能的無機(jī)型防水層。有機(jī)硅防水涂料是以硅橡膠乳及其納米復(fù)合乳液為主要基料，摻入無機(jī)填料及各種助劑而制成的水性環(huán)保型防水涂料。兩者都能在混凝土表面形成防水層，具有抗裂、抗?jié)B、防水等功效。但隨著侵蝕溶液的持續(xù)作用，或受外力磕碰等因素的影響，容易造成防水層脫落及破壞，影響了混凝土的耐久性。

陽極保護(hù)系統(tǒng)是一種犧牲性保護(hù)系統(tǒng)。因?yàn)殇\比鐵更為活潑且易于腐蝕，這樣就能保護(hù)混凝土中的鋼筋不發(fā)生銹蝕，保證混凝土結(jié)構(gòu)不發(fā)生銹脹開裂，保持了結(jié)構(gòu)的完整性。

4 極化電阻和銹蝕電流密度進(jìn)行了相關(guān)性分析

試驗(yàn)同時(shí)檢測了各修補(bǔ)混凝土梁在不同浸泡時(shí)間下的鋼筋銹蝕電流密度。對各構(gòu)件的極化電阻和銹蝕電流密度進(jìn)行了相關(guān)性分析，擬合結(jié)果見圖8及下式。

圖8 極化電阻和電流密度的關(guān)系

式中：Rp為極化電阻（105Ω·cm2），Icorr為電流密度（μA·cm－2），公式相關(guān)系數(shù)R2＝0.925。

可以看出，極化電阻和銹蝕電流密度之間存在著明顯的對數(shù)關(guān)系，隨著極化電阻的增加，腐蝕電流會(huì)迅速降低。

5 結(jié) 論

采用了6種修補(bǔ)材料及其配套方法對已經(jīng)受彎損傷的鋼筋混凝土梁進(jìn)行了修補(bǔ)，采用線性極化法評價(jià)了上述修補(bǔ)混凝土構(gòu)件在5%硫酸鎂溶液浸泡下鋼筋在不同齡期的銹蝕情況，結(jié)果表明：

1）采用梁L4的修補(bǔ)材料及方法，可使構(gòu)件的極化電阻最大且隨腐蝕時(shí)間變化最為平緩，對于提高構(gòu)件鋼筋的抗硫酸鹽侵蝕效果最為明顯。

2）采用梁L1和L2的修補(bǔ)材料及方法，會(huì)造成鋼筋隨腐蝕時(shí)間的延長極化電阻顯著降低，抗硫酸鹽侵蝕效果不好。

3）在構(gòu)件修補(bǔ)之后涂抹水泥基滲透結(jié)晶材料或有機(jī)硅憎水劑能夠在構(gòu)件表面形成保護(hù)層，在一定時(shí)間內(nèi)有效地防止腐蝕溶液的滲入，但長期效果不明顯。

4）極化電阻和銹蝕電流密度之間存在對數(shù)關(guān)系，通過數(shù)據(jù)擬合得到了極化電阻和電流密度之間的關(guān)系式。

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