不銹鋼覆層鋼筋在混凝土結(jié)構(gòu)耐久性提升中的應(yīng)用

葛海芳，杜隆基

宿遷市高速鐵路建設(shè)發(fā)展有限公司，江蘇 宿遷 223800

混凝土結(jié)構(gòu)是工程建設(shè)中運(yùn)用最廣泛的結(jié)構(gòu)形式，然而鋼筋發(fā)生銹蝕或裂縫、剝落導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)耐久性下降的問(wèn)題一直沒(méi)有得到很好的解決?；炷两Y(jié)構(gòu)耐久性下降的原因存在于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工及維護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)[1]。

通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外的研究成果發(fā)現(xiàn)，混凝土結(jié)構(gòu)由于耐久性下降產(chǎn)生了大量的損失。甚至有混凝土結(jié)構(gòu)在維修過(guò)程中產(chǎn)生的費(fèi)用超過(guò)了其自身的造價(jià)。國(guó)外學(xué)者曾用“五倍定律”來(lái)描述混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題[1]：設(shè)計(jì)時(shí)在鋼筋防銹蝕方面減少1美元的支出，那么在后期的結(jié)構(gòu)維修防護(hù)時(shí)，如果出現(xiàn)鋼筋銹蝕將產(chǎn)生5美元的額外支出；如果演化成了順筋開裂，將產(chǎn)生25美元的額外支出；如果導(dǎo)致了嚴(yán)重的混凝土破壞，將產(chǎn)生125美元的額外支出。為此，工程師在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)越來(lái)越重視混凝土的結(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題，并且持續(xù)推出更加嚴(yán)格的檢測(cè)評(píng)價(jià)方法和更先進(jìn)的監(jiān)控防護(hù)措施。根據(jù)調(diào)研，在嚴(yán)酷的環(huán)境下使用了7～25年的橋梁中，有89%出現(xiàn)鋼筋銹蝕問(wèn)題[2]。由此可見，在嚴(yán)酷環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題非常突出，需要繼續(xù)深入研究。

1 混凝土中鋼筋銹蝕的機(jī)理

水泥石由水化硅酸鈣 2Cao?SiO2?nH2O，氫氧化鈣 Ca(OH)2，含水的鐵鋁酸三鈣3Cao?Al2O3?6H2O以及含水的鐵鋁酸鈣4CaO?Al2O3?Fe2O3?nH2O等組成。氫氧化鈣等物質(zhì)的存在，使混凝土的孔隙間溶液pH值可以保持在12.5以上[3]，表現(xiàn)出強(qiáng)堿性。此強(qiáng)堿性環(huán)境將促使鋼筋表面生成一層鈍化膜，從而阻止鋼筋的銹蝕。

周圍環(huán)境中的酸性物質(zhì)（如CO2、SO2、HCl、Cl2等）進(jìn)入混凝土后，會(huì)使混凝土出現(xiàn)中性化現(xiàn)象[1]，并使混凝土中孔隙液的pH值降低。下面以空氣中的CO2進(jìn)入混凝土后的反應(yīng)為例，分析混凝土中性化的機(jī)理[4]：

中性化后的混凝土無(wú)法對(duì)鋼筋進(jìn)行保護(hù)，鋼筋鈍化層無(wú)法穩(wěn)定存在，鋼筋容易出現(xiàn)銹蝕。此時(shí)，鋼筋表面發(fā)生的銹蝕反應(yīng)分為兩種，即化學(xué)銹蝕和電化學(xué)銹蝕，其中絕大部分都屬于電化學(xué)銹蝕。電化學(xué)腐蝕過(guò)程及產(chǎn)物如圖1所示[4]。

圖1 鋼筋表面電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程及產(chǎn)物

在水分的作用下，電化學(xué)反應(yīng)生成結(jié)構(gòu)疏松的產(chǎn)物(mFe3O4?nFe2O3?rH2O)并覆蓋在鋼筋表面，由于銹蝕產(chǎn)物的體積較之前會(huì)發(fā)生數(shù)倍的增大，對(duì)周圍的混凝土產(chǎn)生壓應(yīng)力，使混凝土沿鋼筋方向開裂，保護(hù)層進(jìn)而脫落，鋼筋外露，此狀態(tài)下鋼筋的銹蝕反應(yīng)將進(jìn)一步加速。

由此可見，水、氧氣與鋼筋發(fā)生接觸并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致了鋼筋的銹蝕，而鋼筋鈍化膜的破壞是間接原因。因此，如果避免鋼筋與水和氧氣接觸，可以實(shí)現(xiàn)鋼筋的防銹蝕目標(biāo)。

在惡劣的高氯離子環(huán)境下，混凝土耐久性將面臨更大的挑戰(zhàn)。在氯離子的作用下，混凝土表面的鈍化膜將被破壞，氯離子作為電解質(zhì)將在鋼筋表面形成腐蝕電池，同時(shí)氯離子的去極化作用和導(dǎo)電作用將加速鋼筋的銹蝕[5]。

2 提高鋼筋耐腐蝕性的方法

提高鋼筋耐久性的思路可以從原材料組成或結(jié)構(gòu)角度切入，通過(guò)一些特別的制作工藝調(diào)整鋼筋的基本組成或者結(jié)構(gòu)，從而提高鋼筋的耐久性能。

從鋼筋的材料角度來(lái)看，早些年國(guó)內(nèi)外一些研究人員通過(guò)改變鋼筋的成分，制造合金的方法提升鋼筋的耐久性，如美國(guó)的Cu-P-Ni-Cr系合金、日本的Mu-Cu-Ni-Cr系合金[6-7]，我國(guó)的武鋼也曾測(cè)試過(guò)在冶煉過(guò)程中添加P、Cu等成分，這些方法都是通過(guò)在鋼材冶煉的過(guò)程中加入耐腐蝕的合金元素從而提升耐久性，雖然有一定的作用，但普遍成本過(guò)高，難以推廣。

現(xiàn)今，采用涂層、復(fù)合等工藝改善鋼筋耐久性成為主要的研究方向，其中不銹鋼包覆鋼筋、不銹鋼鋼筋、涂層鋼筋、MMFX鋼筋[8]等工藝較為成熟。這幾種耐腐蝕鋼筋的特點(diǎn)如表1所示。

表1 不同耐腐蝕鋼筋的特點(diǎn)

通過(guò)對(duì)比可看出，不銹鋼包覆鋼筋的耐腐蝕性能好、壽命長(zhǎng)、價(jià)格成本相對(duì)合理、力學(xué)性能更好。目前不銹鋼覆層鋼筋生產(chǎn)中遇到的問(wèn)題主要如下：不銹鋼覆層鋼筋中不銹鋼/碳鋼無(wú)法緊密結(jié)合的問(wèn)題，覆層厚度不均勻的問(wèn)題，高效率、低成本生產(chǎn)的問(wèn)題。通過(guò)提升生產(chǎn)工藝不斷改進(jìn)其性能并降低成本，不銹鋼覆層鋼筋的市場(chǎng)前景比較廣闊。

3 耐久性試驗(yàn)

湖南三泰新材料股份有限公司針對(duì)不銹鋼覆層鋼筋開展了混凝土耐久性測(cè)試試驗(yàn)[9]，設(shè)置由不銹鋼覆層鋼筋與普通碳素鋼筋形成的對(duì)照構(gòu)件，采用海拌海養(yǎng)海砂鋼筋混凝土（NaCl濃度為15%），模擬一般室外使用環(huán)境。通過(guò)3年的放置試驗(yàn)，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 放置實(shí)驗(yàn)后形貌照片

從圖2可看出，普通碳素鋼筋表層已出現(xiàn)了大量銹蝕，周圍混凝土出現(xiàn)了寬度約1mm的裂紋；不銹鋼覆層鋼筋沒(méi)有發(fā)生肉眼可見的腐蝕，鋼筋與周圍混凝土結(jié)合牢靠。

國(guó)外學(xué)者通過(guò)開展實(shí)驗(yàn)，得到了海洋環(huán)境下各種鋼筋抗腐蝕性能：316不銹鋼鋼筋≈Stelax（不銹鋼覆層鋼筋）＞220不銹鋼鋼筋＞MMFX-II?鋼筋＞3Cr12鋼筋＞Black Bar（普通碳鋼鋼筋）[10]?？梢奡telax不銹鋼覆層鋼筋的抗腐蝕性能與316不銹鋼鋼筋的性能相當(dāng)。同時(shí)相比于316純不銹鋼鋼筋，不銹鋼覆層鋼筋由于內(nèi)部的碳鋼作用，其屈服強(qiáng)度比前者高出約50%，在滿足耐久性的同時(shí)，可以更好地滿足混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

鋼筋銹蝕導(dǎo)致的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題已經(jīng)成為當(dāng)今眾多工程師關(guān)注的重大問(wèn)題。不銹鋼覆層鋼筋的應(yīng)用可以極大地減少銹蝕造成的結(jié)構(gòu)退化問(wèn)題，雖然增加了鋼筋的成本，但延長(zhǎng)了混凝土結(jié)構(gòu)的壽命，提升了綜合經(jīng)濟(jì)效益。

不銹鋼覆層鋼筋的應(yīng)用可以減少混凝土結(jié)構(gòu)保護(hù)層的厚度，減少不銹鋼的用量，并減少鋼筋的用量（使用高強(qiáng)度不銹鋼覆層鋼筋），從而降低施工難度，加快施工速度，降低維修養(yǎng)護(hù)成本，減少維修養(yǎng)護(hù)的工作量，提升工程結(jié)構(gòu)的安全性，降低全壽命周期的結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)。