登陸點混凝土露筋銹蝕原因分析和對策

李祥銀，代兆立，農(nóng)春江，李 澤，王東勃

1.中國石油冀東油田公司，河北唐山 063004

2.中國石油集團海洋工程有限公司，山東青島 266555

混凝土露筋缺陷在沿岸碼頭等混凝土結(jié)構(gòu)工程中較為常見，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》，露筋現(xiàn)象的定義為：構(gòu)件內(nèi)鋼筋未被混凝土包裹而外露，嚴重缺陷為縱向受力鋼筋有露筋，一般缺陷為其他鋼筋有少量露筋。冀東油田人工島登陸點生產(chǎn)設(shè)施隱患治理工程[1]，是冀東油田人工島建造完成以來，較大規(guī)模的對島體設(shè)施的安全隱患排查及治理的工程項目。經(jīng)過油田日常巡視檢查工作，各人工島登陸點隱患問題逐漸暴露，主要表現(xiàn)為混凝土露筋銹蝕、引橋路面混凝土劣化、混凝土局部破損或有較大裂紋等，給人工島的正常運行造成諸多不便，存在較大的安全隱患。其中以混凝土露筋隱患最為常見，其特點表現(xiàn)為分布廣，數(shù)量大，銹蝕程度不一。本文將對混凝土露筋銹蝕產(chǎn)生的原因進行分析，并提出相應(yīng)的對策。

1 混凝土露筋治理情況

冀東油田現(xiàn)有人工島5 座，分別為NP1-1D 人工島、NP1-2D 人工島、NP1-3D 人工島、NP4-1D人工島和NP4-2D 人工島，其中NP1-1D 人工島通過進海路與陸岸連接，其余各人工島為海上孤島，NP4-1D 人工島通過進島路與登陸點連接，NP4-1D 人工島與NP4-2D 人工島通過連島路連接。該項目主要對4 個人工島混凝土露筋銹蝕（見圖1）進行治理，各島登陸點連島路等混凝土露筋治理數(shù)量如表1 所示。

2 混凝土露筋銹蝕原因分析

2.1 海洋環(huán)境影響

圖1 混凝土露筋銹蝕照片

表1 人工島登陸點混凝土露筋治理數(shù)量

由各島露筋治理數(shù)據(jù)可知，3 座海上人工島的露筋銹蝕數(shù)量較1 座與陸地連接的人工島NP1-D露筋銹蝕量大，可見露筋銹蝕的原因之一為海洋環(huán)境因素的影響。在海洋環(huán)境中，氯離子的濃度相對于陸地環(huán)境下較高，通過混凝土內(nèi)部的孔隙和微裂縫從海洋環(huán)境向內(nèi)傳輸。氯離子的半徑小、活性大、穿透力強，通過滲透、擴散、毛細作用等進入混凝土中，對混凝土鋼筋的腐蝕性增強，導(dǎo)致露筋銹蝕數(shù)量增加；另外，島體結(jié)構(gòu)建造時使用的原材料，如混凝土的細骨料、拌合水、外加劑等可能會含有一定數(shù)量的氯離子（一般要求其質(zhì)量分數(shù)不超過水泥總量的1%），在施工過程中進入混凝土，導(dǎo)致鋼筋銹蝕[2]。

氯離子所引起的鋼筋銹蝕，主要是由于鋼筋表面的鈍化膜被混凝土中的氯離子破壞，在鋼筋表面形成了腐蝕電池，使鋼筋銹蝕。初期銹蝕僅在鋼筋表面局部產(chǎn)生，隨后由于更多的局部銹蝕點的出現(xiàn)，使得銹蝕開始蔓延，布滿鋼筋表面，最終導(dǎo)致整個鋼筋表面銹蝕，使得混凝土保護層脹裂[3]。

由表1 可知該項目的露筋銹蝕長度主要集中在15 ～ 200 cm 的范圍內(nèi)。

根據(jù)相關(guān)文獻的查閱，沿海鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物一般在服役6 ～10 年左右就會出現(xiàn)不同程度的鋼筋銹蝕現(xiàn)象。一旦出現(xiàn)局部露筋銹蝕，銹蝕長度的增加不是線性增加，而是一個加速變化的過程。冀東油田人工島已建成使用8 ～11 年，除了日常的設(shè)施維護并未進行大范圍的露筋銹蝕排查治理。

查閱資料可知，在我國沿海地區(qū)的碼頭等結(jié)構(gòu)物，因長期受到船舶靠船等負荷的沖擊作用，使混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫或微裂縫開展，這就使氯離子及水分更容易侵入內(nèi)部，從而加劇露筋銹蝕。使用5～10 年后有89%出現(xiàn)鋼筋銹蝕問題；為數(shù)不少的混凝土工程，在遠低于設(shè)計壽命期內(nèi)就發(fā)生嚴重破壞，有的工程僅僅使用10 ～20 年，因鋼筋銹蝕不得不進行大修或重建，對結(jié)構(gòu)物的使用安全及經(jīng)濟損失影響巨大。

在海洋環(huán)境下，由于溫度、濕度及干濕交替作用、海水飛濺、海鹽滲透對混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋銹蝕有明顯的影響，特別是在混凝土存在質(zhì)量缺陷時，外界影響的因素會更突出，露筋腐蝕現(xiàn)象更為明顯[3-4]。

2.2 施工質(zhì)量影響

導(dǎo)致混凝土露筋銹蝕的施工質(zhì)量因素主要包括：混凝土中氯離子的含量，混凝土的密實程度、厚度和完好性，鋼筋安裝位置，鋼筋直徑，水泥品種以及施工過程的質(zhì)量控制等。

混凝土鋼筋銹蝕受氯離子含量影響很大，一般鋼筋混凝土中氯鹽摻量應(yīng)少于無水狀態(tài)水泥重量的1%，而且摻氯鹽的混凝土結(jié)構(gòu)必須振搗密實。

混凝土的保護層厚度和密實度，能夠阻止外界腐蝕介質(zhì)及水分的滲入，也是施工質(zhì)量能否達標的重要因素之一。為了保證鋼筋不銹蝕，混凝土保護層的厚度必須滿足設(shè)計規(guī)范要求，且不宜過厚。過厚的保護層會對混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能產(chǎn)生影響，降低構(gòu)件的極限抗沖擊能力；并且過厚的保護層對施工成本控制不利，不經(jīng)濟。

混凝土的施工質(zhì)量不達標，出現(xiàn)蜂窩孔洞，或養(yǎng)護不善造成開裂，將影響混凝土保護層的完好性。一般情況下，當(dāng)裂縫寬度達到0.2 mm 時，海洋潮濕環(huán)境下氯離子和水進入裂縫內(nèi)，引起鋼筋銹蝕，銹蝕產(chǎn)物體積的膨脹加大保護層的裂縫寬度，反復(fù)惡性循環(huán)將導(dǎo)致保護層徹底剝落，形成露筋點，最終破壞混凝土結(jié)構(gòu)物的性能。在處于海洋環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)物，保護層的完好性不足將對鋼筋的銹蝕有特別明顯的影響，也是最早出現(xiàn)混凝土露筋銹蝕的隱患點。

施工過程的質(zhì)量控制?；炷翝仓r，鋼筋的墊塊移位，或墊塊太少甚至漏放，導(dǎo)致鋼筋緊貼模板，致使拆除后露筋；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)斷面較小，鋼筋過密，大石子卡在鋼筋上，水泥漿不能充滿鋼筋周圍，使鋼筋密集處產(chǎn)生露筋；因材料配合比不當(dāng)，混凝土產(chǎn)生離析，澆搗部位缺漿或模板嚴重漏漿，造成露筋；混凝土保護層振搗不密實，或木模板濕潤不夠，混凝土表面失水過多，或拆模過早等，拆模時混凝土缺棱掉角，造成露筋。此外，鋼筋的應(yīng)力對其銹蝕也是有很大的影響，當(dāng)應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用，將引起低應(yīng)力脆性斷裂，對混凝土的結(jié)構(gòu)破壞程度大，而且這類的破壞通常是毫無先兆的。

3 混凝土露筋銹蝕對策

3.1 修補方案

修補方案的基本原則是在恢復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)使用功能和確保完整性的基礎(chǔ)上，終止鋼筋繼續(xù)銹蝕。同時考慮經(jīng)濟因素，采取成本最佳的方案。

具體修補方案如下：對露筋區(qū)域進行鑿除，鑿除后維修區(qū)域表面粗糙，且無疏松、開裂混凝土；鑿除延伸至未銹蝕區(qū)域，露出區(qū)域內(nèi)鋼筋（見圖2）；鑿除深度應(yīng)保證修復(fù)材料在修復(fù)時可以進入外側(cè)鋼筋后方部位。用鋼絲刷清除表面浮層污物。如露筋較深，則采用人工鑿毛方法，鑿掉表面混凝土，鑿除浮漿部分到露出大石子，清除碎屑，需把松動混凝土石子等清理完畢，用水沖洗干凈。鑿毛務(wù)必徹底全面，但深度也不宜過大，以免損壞混凝土。將需要進行維修的區(qū)域完全鑿開，延伸至未銹蝕區(qū)域，露出維修區(qū)域的所有鋼筋，清除腐蝕鋼筋表面的所有疏松的氧化皮和腐蝕產(chǎn)物。鑿除完成后，用不含有害雜質(zhì)和無酸性的自來水沖洗混凝土鑿除斷面和底面，附著粉狀物的混凝土斷面應(yīng)該用鋼絲刷刨刷，清除松散混凝土塊，保證干凈粗糙的表面以利于新舊混凝土的連接。用電動工具清潔腐蝕鋼筋表面的所有疏松的氧化皮和腐蝕產(chǎn)物。經(jīng)水沖洗的混凝土面應(yīng)在清潔水基本干燥后涂刷專用粘接劑。用聚合物砂漿修補（見圖3），修補砂漿終凝后及時進行養(yǎng)護，保持混凝土表面始終處于潮濕狀態(tài)，養(yǎng)護時間應(yīng)以保證混凝土強度為準。養(yǎng)護完成后涂刷混凝土涂層。

聚合物砂漿有如下優(yōu)點：可明顯改善砂漿的抗?jié)B透，具有超低滲透性，有效防御水、二氧化碳與氯化物的侵蝕；與混凝土基面粘接性能良好；優(yōu)越的收縮補償系統(tǒng)保證長期的系統(tǒng)穩(wěn)定性；不含氯化物。

圖2 鑿除后露出區(qū)域內(nèi)鋼筋

圖3 聚合物砂漿修補

3.2 防治對策

（1） 提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性。提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的關(guān)鍵是：選用與腐蝕類型相適應(yīng)的水泥品種?；炷恋目垢g性能，主要取決于水泥的品種，例如：快硬硅酸鹽水泥用于要求早期強度高的工程、緊急搶修工程、冬季施工混凝土預(yù)制構(gòu)件工程等，具有凝結(jié)硬化快、早期強度增進塊的特點；普通硅酸鹽水泥廣泛用于道路、橋梁等大型工程，具有良好的和易性、保水性、耐磨性和抗凍性；低熱硅酸鹽水泥適用于大體積混凝土施工，具有流動性、強度高、耐久性、超低水化熱的特點；抗硫酸鹽水泥多用于受硫酸鹽侵蝕的海港、水利、道路和橋梁基礎(chǔ)工程，具有抗硫酸鹽侵蝕、抗凍性、耐磨性、耐久性好的特點。

（2） 提高混凝土密實性。正確選擇混凝土的配合比，保證水泥的用量，嚴格控制產(chǎn)品質(zhì)量和施工過程質(zhì)量，是保證混凝土的密實性的重要措施。施工時必須嚴格控制水灰比，振搗密實，嚴格按照規(guī)范的要求進行養(yǎng)護。

（3） 提高混凝土保護層厚度。研究表明，混凝土表層1 ～2 cm 范圍內(nèi)的氯離子含量相對于內(nèi)部要高很多，因此，保護層厚度不宜過低，根據(jù)相關(guān)的標準規(guī)范選用。例如《海港過程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，處于飛濺區(qū)構(gòu)件混凝土的保護層厚度不宜小于65 mm，大氣區(qū)為50 mm，全浸區(qū)為30 mm。同時保護層的厚度不宜過大，否則會導(dǎo)致混凝土開裂而達不到保護的目的。

（4） 使用鋼筋阻銹劑。鋼筋阻銹劑不是阻止環(huán)境中的氯離子進入混凝土中，而是通過延緩、抑制、阻止鋼筋腐蝕的電化學(xué)過程，以達到保護鋼筋的作用。對于施工條件不利的工程，當(dāng)混凝土拌和料中氯離子含量達不到要求或保護層厚度不足時，可使用阻銹劑摻加到混凝土中。鋼筋阻銹劑一次使用長期有效，與環(huán)氧涂層、陰極保護相比，施工簡便、成本較低，使用期間不需要維護，經(jīng)濟效益明顯[5]。

（5） 混凝土涂層。有研究表明，有混凝土涂層的結(jié)構(gòu)區(qū)域，露筋銹蝕的程度較小，或未發(fā)現(xiàn)露筋銹蝕。而在同一環(huán)境下的相同結(jié)構(gòu)中，涂層被破壞區(qū)域出現(xiàn)露筋銹蝕的概率較高且鋼筋銹蝕的程度也較嚴重。涂層材料可以有效地阻止氯離子侵入混凝土內(nèi)部，延長混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，也是海洋工程防腐蝕的主要措施之一，冀東油田人工島碼頭露筋銹蝕治理后采用該方法防護。在海洋環(huán)境中涂層一般有效防護年限為8 ～10 年，后期需再次涂刷，但存在混凝土表面不易清理等施工問題，綜合考慮，經(jīng)濟性不高，僅適用小范圍的維修防護。

（6） 高性能混凝土。高性能混凝土在配置上的特點是采用低水膠比，選用優(yōu)質(zhì)原材料，且必須摻加足夠數(shù)量的摻合料（礦物細摻料） 和高效外加劑。目前，在各類高等級的工程建筑中廣泛使用。但是，一般意義上的高性能混凝土并非專門針對海洋工程的特點而設(shè)計，需要其他輔助措施。另外，還需考慮工程的經(jīng)濟適用性和效益問題[6]。

（7） 控制施工質(zhì)量。澆灌混凝土?xí)r，應(yīng)保證鋼筋位置和保護層厚度正確，并加強檢查；鋼筋密集時，應(yīng)選用適當(dāng)粒徑的石子，保證混凝土配合比準確和良好的和易性；澆灌高度超過2 m，應(yīng)用串筒、或溜槽進行下料，以防止離析；模板應(yīng)充分濕潤并認真堵好縫隙；混凝土振搗嚴禁撞擊鋼筋，操作時，避免踩踏鋼筋，如有踩彎或脫扣等，及時調(diào)整直正；保護層混凝土要振搗密實；正確掌握脫模時間，防止過早拆模，碰壞棱角。

（8） 定期檢測。定期檢查主要對碼頭設(shè)施混凝土的外觀、整體結(jié)構(gòu)變化和附屬設(shè)施的狀況進行周期性的檢查。同時，應(yīng)根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)類別、竣工年限、使用環(huán)境等確定。人工島主要設(shè)施的檢查周期建議如表2 所示。當(dāng)遇到大潮汛、風(fēng)暴潮、臺風(fēng)等特殊情況，應(yīng)增加檢查次數(shù)。

4 結(jié)束語

海洋環(huán)境下的混泥土露筋銹蝕是一個長期銹蝕產(chǎn)生的結(jié)果，是氯離子在混凝土內(nèi)部鋼筋不斷累積的結(jié)果，影響的因素包括結(jié)構(gòu)物所處的環(huán)境位置、混凝土保護層的厚度、原材料的因素（拌合水、外加劑等）、施工過程質(zhì)量控制的因素等，是多因素綜合的結(jié)果。應(yīng)在銹蝕發(fā)生的早期及時處理，在不影響結(jié)構(gòu)物安全使用前及時采取修補等措施進行維護，阻隔氯離子的進入，否則大量露筋銹蝕將對混凝土結(jié)構(gòu)造成破壞，長期將會影響結(jié)構(gòu)的耐久性，使結(jié)構(gòu)物安全性能降低，嚴重的可能使混凝土結(jié)構(gòu)造成倒塌，導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。在沿海地區(qū)，海洋環(huán)境中氯離子侵蝕引起混凝土構(gòu)件露筋銹蝕，破壞結(jié)構(gòu)物的耐久性，產(chǎn)生的后果是很嚴重的。同時，我國在這方面的研究還不是很完善。建議對人工島設(shè)施每年進行露筋觀測，根據(jù)觀測結(jié)果采取相應(yīng)的隱患治理。

表2 人工島主要設(shè)施檢查周期