鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗鹽堿腐蝕方法

田思琦 戰(zhàn)美秋 吳立志 孫 輝 張 偉 畢 鈺

1吉林建筑大學(xué)（130118）2中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司（510663）

0 引言

全球鹽漬化土地面積約120億畝，鹽堿及濱海的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)極易發(fā)生鹽堿腐蝕性破壞，造成基礎(chǔ)設(shè)施建筑結(jié)構(gòu)耐久性降低、可靠度下降，對人們的生命及財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。適宜、可靠的抗腐蝕技術(shù)及措施方法是解決問題的關(guān)鍵。文章對鋼筋混凝土的鹽堿腐蝕原因及防腐蝕設(shè)計(jì)等進(jìn)行分析，旨在為耐鹽堿腐蝕混凝土技術(shù)的研發(fā)與創(chuàng)新提出指引。

1 耐鹽堿腐蝕混凝土技術(shù)的發(fā)展必要性

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是建設(shè)量最大、最廣泛、最基礎(chǔ)的材料，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)施涵蓋了道路、橋梁、鐵路、管線、海港、機(jī)場、水廠房屋等。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國家對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入加快，大量的基礎(chǔ)設(shè)施工程將投入建設(shè)。鹽堿地中含有大量的硫酸鹽、氯鹽和鎂鹽等介質(zhì)，易與混凝土結(jié)構(gòu)材料發(fā)生結(jié)晶膨脹反應(yīng)，尤其在海水、鹽湖、鹽堿地富水地區(qū)，毛細(xì)作用水分被向上吸附并蒸發(fā)，留下中鹽類并濃縮，如此不斷進(jìn)行，化學(xué)膨脹腐蝕擴(kuò)展迅速?；炷敛牧消}堿膨脹腐蝕致使混凝土強(qiáng)度降低，并使結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋因失去防護(hù)而銹蝕，最終導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的可靠度降低，甚至喪失。我國每年用于鹽堿腐蝕修復(fù)與防護(hù)的費(fèi)用巨大。如圖1、圖2所示。

圖1 混凝土受鹽堿腐蝕

圖2 發(fā)生銹蝕的鋼筋

基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)的耐久性目標(biāo)是“百年大計(jì)”，混凝土防腐蝕技術(shù)開發(fā)應(yīng)用是鹽堿地區(qū)與空間實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施耐久性目標(biāo)的關(guān)鍵。依據(jù)行業(yè)規(guī)范，當(dāng)土體中易溶性鹽含量大于等于0.5%時判別為鹽漬化土地，應(yīng)按照行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)、勘察和施工，并采取適宜的混凝土防腐技術(shù)與措施來保證基礎(chǔ)設(shè)施建筑的耐久性、安全性。根據(jù)混凝土材料腐蝕破壞的原因，目前行業(yè)內(nèi)分析總結(jié)出多種防止混凝土銹蝕的方法[1]。

2 混凝土抗鹽堿腐蝕方法

2.1 提高混凝土自身密實(shí)性，加厚鋼筋保護(hù)層

混凝土材料的強(qiáng)度等級越高，其密實(shí)性越好，能夠很大程度上降低水滲透系數(shù)。提高混凝土的強(qiáng)度等級并增加混凝土的保護(hù)層厚度，可降低腐蝕介質(zhì)的分散速度和滲透性，有效增強(qiáng)鋼筋防護(hù)效果。例如在基礎(chǔ)設(shè)施建筑處于地下基礎(chǔ)的部位，混凝土鋼筋保護(hù)層的厚度可比正常部位增加5～15mm。

2.2 選用適宜的水泥品種

1）宜優(yōu)先選用礬土水泥、抗硫酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，并提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級。值得注意的是，抗硫酸鹽水泥價格偏高，同時其在氯離子和硫酸根離子混合溶液的環(huán)境中的使用效果不理想。

2）聚合物水泥混凝土具有有機(jī)高分子聚合物長分子鏈的空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其大分子中鏈節(jié)可形成一定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,其被引入混凝土后,水泥石內(nèi)部及水泥石與骨料之間的空間黏結(jié)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，當(dāng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的微觀裂縫、孔隙或表面等處聚集了有機(jī)聚合物相后,無機(jī)物之間的連接被加強(qiáng)，無機(jī)物的剛性之間以點(diǎn)、網(wǎng)或膜連接，形成了具有彈性和黏附性的有機(jī)聚合物質(zhì)，使得混凝土的密實(shí)度與致密性大幅度增強(qiáng)，自身彈塑性大大增加，在腐蝕環(huán)境中的抗腐蝕能力顯著增加[2]。

2.3 涂層或包裹防腐

2.3.1 涂層防腐蝕

在混凝土表面涂刷耐腐蝕物質(zhì)，以隔離、阻止氯離子、二氧化碳?xì)怏w等腐蝕性物質(zhì)接觸混凝土材料構(gòu)件。瀝青漆、環(huán)氧封閉底漆、丙烯酸聚氨酯面漆、氟碳漆、脂肪族聚氨酯等材料是常用的耐腐蝕物質(zhì)。此方法更適用于地上基礎(chǔ)設(shè)施建筑，尤其是在外界環(huán)境相對干燥、溫差小、荷載強(qiáng)度及變形小的情況下。在紫外線照射強(qiáng)度大的地區(qū)，涂層易出現(xiàn)老化、脫落和開裂等現(xiàn)象，易導(dǎo)致隔離物質(zhì)失效，可采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施。涂層防腐蝕在實(shí)際施工操作過程中有一定的適用局限性，如灌注樁等構(gòu)筑物施工很難利用混凝土涂層防腐技術(shù)。如圖3所示。

圖3 地下室頂板涂膜防腐蝕

2.3.2 用卷材、板、塊材防腐

1）卷材貼面防腐。采用粘貼二氈三油、玻璃鋼等，使混凝土結(jié)構(gòu)表面與腐蝕誘因隔離。玻璃鋼(GFRP)，一般指用玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯、環(huán)氧樹脂與酚醛樹脂基體復(fù)合而成的增強(qiáng)材料，具有質(zhì)輕、性能穩(wěn)定、強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)勢。如圖4所示。

圖4 環(huán)氧玻璃鋼卷材粘貼防腐蝕

2）抹面防腐。在基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)的表層涂刷耐腐蝕的膠泥或砂漿，如環(huán)氧煤焦油、樹脂膠泥等，使混凝土材料結(jié)構(gòu)包裹在其內(nèi)部，可有效隔離環(huán)境中的水、氧、氯離子等，阻隔或減緩腐蝕發(fā)生及腐蝕速度，此種方法的防腐蝕效果受環(huán)境濕度、溫度影響較大。

3）粘貼塊材防腐。采用耐腐蝕膠泥、砂漿等粘貼耐腐板（塊）材，常用板(塊)材有鑄石板、鈦合金板等。氧化鈣（鎂）含量高的塊材耐堿性能好,如白云石、石灰石和大理石等。如圖5所示。此種方法受環(huán)境溫濕度變化影響較大。

圖5 白云石塊材粘貼防腐蝕

2.4 優(yōu)化混凝土材料配比

2.4.1 摻和混合材料

礦物摻合料通常為粉煤灰、硅灰、礦渣、火山灰等，可降低混凝土中的Ca(OH)2含量，從材料構(gòu)成角度減少膨脹腐蝕成因，并提高混凝土的抗?jié)B性,進(jìn)而增強(qiáng)混凝土的抗腐蝕性。爐礦渣的摻量達(dá)到65%～70%時，水泥的耐鹽堿腐蝕性最好。在水泥中摻入粉煤灰、硅灰等高活性細(xì)填料,能有效地改善水泥石內(nèi)部結(jié)構(gòu),提高混凝土的密實(shí)度與強(qiáng)度,顯著提高其耐腐蝕能力，二氧化硅含量越高，其耐酸性能越好。但是，摻和混合材料防腐蝕方法的效果受環(huán)境因素影響較大，不能杜絕腐蝕發(fā)生。

2.4.2 硫磺、硅烷等浸漬水泥砂漿

硅烷是非常好的混凝土材料表面密封劑，抗防腐性好，有優(yōu)異的防水性能。硅烷浸漬混凝土技術(shù)能大幅度緩解混凝土的鹽凍腐蝕問題，并能提高混凝土材料的抗氯離子滲透能力，可以有效減緩腐蝕進(jìn)程[3]。

3 全壽命周期的自修復(fù)混凝土技術(shù)

目前采用的耐鹽堿防腐蝕技術(shù)普遍存在防腐壽命短、后期修復(fù)困難等問題。隨著微生物誘導(dǎo)產(chǎn)生碳酸鈣沉淀（MICP）技術(shù)的研究和探索，混凝土裂縫自修復(fù)理念初步產(chǎn)生。微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)是利用微生物自身的新陳代謝生成碳酸根離子和碳酸氫根離子，其與土壤中的鈣或添加劑鈣質(zhì)相結(jié)合，可以礦化沉淀出碳酸鈣。其中微生物芽孢桿菌是高產(chǎn)脲酶的菌種，在高鹽堿惡劣環(huán)境中可存活100年以上，可自發(fā)調(diào)節(jié)反應(yīng)，反應(yīng)過程是自然界普遍存在的尿素水解過程。礦化沉淀出的碳酸鈣與水泥基相容性好、鹽堿惰性強(qiáng)，可阻隔離子滲透，其化學(xué)惰性能將混凝土材料與鹽堿腐蝕性土壤有效“隔離”，微生物礦化沉淀（MICP）活性還可“修復(fù)”受損混凝土裂縫?！案綦x”與“修復(fù)”可形成主動防腐蝕機(jī)制，可預(yù)期實(shí)現(xiàn)全壽命周期的混凝土基礎(chǔ)設(shè)施抗鹽堿腐蝕。以微生物礦化理論為核心設(shè)計(jì)的全壽命周期混凝土防腐蝕技術(shù)，預(yù)期可應(yīng)用在橋梁、隧道和道路、房屋地基與基礎(chǔ)等建設(shè)中。

目前，微生物誘導(dǎo)產(chǎn)生碳酸鈣沉淀（MICP）技術(shù)在我國耐鹽堿腐蝕方面的應(yīng)用處于初步探索階段，系統(tǒng)研究還處于空白狀態(tài)。目前的研究或應(yīng)用主要在兩個方面:①利用微生物礦化沉淀技術(shù)對鹽堿土壤地基進(jìn)行改性處理；②利用微生物作為“修復(fù)因子”將礦化沉淀出的碳酸鈣作為修復(fù)介質(zhì)。

4 結(jié)語

1）耐鹽堿防腐蝕是一項(xiàng)長期任務(wù)，要結(jié)合工程實(shí)際情況選擇防腐蝕方法，更應(yīng)該從環(huán)境情況、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢等方面去分析解決問題。從研制、生產(chǎn)、使用、維修到再制造階段，制定符合工程特點(diǎn)的防腐蝕戰(zhàn)略是未來人們亟需努力的方向。

2）目前常用的防腐蝕技術(shù)離不開有機(jī)化學(xué)材料的應(yīng)用，使用過程中不可避免地存在環(huán)境污染隱患，更多地研發(fā)滿足工程需求，綠色環(huán)保、安全，符合可持續(xù)發(fā)展理念的防腐蝕技術(shù)是發(fā)展關(guān)鍵。