歷史建筑混凝土中鋼筋銹蝕問題宏微觀評估分析*

吳小立

(上海市建筑科學(xué)研究院有限公司，上海市工程結(jié)構(gòu)安全重點實驗室，上海 200032)

0 引言

鋼筋銹蝕是混凝土結(jié)構(gòu)最突出的耐久性問題，其對混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力和正常使用均有較大影響。由于歷史建筑建造年代早，混凝土強度普遍偏低，且歷經(jīng)長時間環(huán)境侵蝕，部分混凝土構(gòu)件出現(xiàn)嚴重鋼筋銹蝕問題，導(dǎo)致構(gòu)件失效。為有效保護歷史建筑，需對混凝土中鋼筋銹蝕問題進行準確評估分析，并提出合理的處理建議。

宏觀上，可采用目測、剔鑿鋼筋直接測定鋼筋剩余直徑等方法，檢測混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)[1]，采用回彈法、芯樣法測試評估混凝土抗壓強度。微觀上，經(jīng)鑲嵌研磨拋光后，采用金相顯微鏡觀測取樣鋼筋顯微組織[2]，并采用顯微硬度計測試鋼筋顯微維氏硬度；混凝土砂漿經(jīng)研磨烘干后，采用硝酸銀滴定其蒸餾水析取的過濾液，測試混凝土砂漿中氯離子含量[3]；采用掃描電子顯微鏡掃描，觀測混凝土試樣微觀結(jié)構(gòu)。本文根據(jù)鋼筋銹蝕的宏微觀特性，評估分析多個歷史建筑混凝土中鋼筋銹蝕發(fā)展規(guī)律，提出相應(yīng)檢測評估方法和處理建議，為后續(xù)歷史建筑檢測評估提供參考依據(jù)。

1 工程概況

選取位于沿海不同省市的3處典型歷史建筑，從宏微觀方面全面評估分析混凝土中鋼筋銹蝕問題，各房屋概況如下。

1)上海市黃浦區(qū)某聯(lián)儲大樓建于1928年，距海邊43.5km，屬于英國喬治式折衷主義風(fēng)格，為地下1層、地上8層(屋面局部設(shè)有1層塔樓)的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋，建筑面積約5 854m2，主要用作辦公樓。房屋豎向采用混凝土梁柱承重，樓屋面均采用現(xiàn)澆梁板。

2)山東省青島市某博物館建于1909年，屬于簡約新式建筑，為地下1層(半地下室)、地上3層的獨棟混合結(jié)構(gòu)房屋，建筑面積約2 758m2，臨海建造(距海邊0.2km)，主要用作軍官俱樂部及辦公樓。房屋豎向采用磚墻承重，樓蓋大部分采用現(xiàn)澆梁板，局部樓蓋采用木結(jié)構(gòu)，屋面采用木屋架+木檁條。

3)廣東省吳川市某紀念館建于1931年，屬于仿歐式紀念場所，為地上2層磚混結(jié)構(gòu)房屋，建筑面積約380m2，主要用作紀念館，曾陸續(xù)用作軍營、衛(wèi)生院和繡花廠。房屋豎向采用磚墻承重，樓屋蓋均采用現(xiàn)澆梁板。

2 混凝土中鋼筋銹蝕的宏微觀特性

2.1 宏觀特性

上海市某聯(lián)儲大樓混凝土抗壓強度推定值為14.9MPa，混凝土碳化深度為5～48mm，屋面部分梁板底鋼筋銹蝕較嚴重(見圖1)。

圖1 上海市某聯(lián)儲大樓混凝土梁鋼筋銹蝕、保護層脫落

青島市某博物館混凝土抗壓強度推定值為20.4MPa，混凝土碳化深度為12～31mm，地下室頂梁板底部鋼筋普遍銹蝕嚴重(見圖2)。

圖2 青島市某博物館混凝土樓板鋼筋銹蝕、保護層脫落

吳川市某紀念館混凝土抗壓強度推定值為12.9MPa，混凝土碳化深度為70～120mm，2層樓面梁板鋼筋普遍銹蝕嚴重，混凝土起拱(見圖3)。

圖3 吳川市某紀念館梁和樓板鋼筋銹蝕、混凝土起拱

歷史建筑普遍存在混凝土中鋼筋銹蝕、保護層脫落的損傷，上海市某聯(lián)儲大樓損傷主要分布在屋面及使用環(huán)境較潮濕的區(qū)域，青島市某博物館損傷主要集中在地下室頂板區(qū)域，吳川市某紀念館損傷在2層樓面較普遍，且存在嚴重鋼筋銹蝕、混凝土起拱。各混凝土構(gòu)件碳化深度普遍較大，且混凝土強度普遍偏低，混凝土密實性普遍較差，部分混凝土芯樣存在明顯孔洞缺陷(見圖4)。

圖4 部分混凝土芯樣孔洞缺陷

2.2 微觀特性

采用滴定法對混凝土中砂漿氯離子含量進行測試，結(jié)果如表1所示，由于混凝土配合比未知，結(jié)果存在一定負向誤差。由表1可知，混凝土砂漿中氯離子質(zhì)量百分比為0.08%～0.24%，部分高出海岸環(huán)境規(guī)范限值(0.1%)，其中吳川市某紀念館2層混凝土樓板氯離子超出規(guī)范限值1倍多。

表1 混凝土砂漿中氯離子含量

將現(xiàn)場取樣鋼筋經(jīng)鑲嵌研磨拋光后置于金相顯微鏡下進行觀察，結(jié)果如圖5，6所示。由圖5，6可知，鋼筋樣品拋光狀態(tài)下存在非金屬夾雜物，顯微組織為鐵素體+極少量珠光體。同時，采用顯微硬度計對青島市某博物館取樣鋼筋進行顯微硬度檢驗，測得顯微維氏硬度值為117～135，換算抗拉極限強度為437～489MPa。

圖5 青島市某博物館鋼筋樣品微觀形態(tài)

圖6 吳川市某紀念館鋼筋樣品微觀形態(tài)

不同放大倍數(shù)下掃描電子顯微鏡測得的混凝土膠凝微觀結(jié)構(gòu)如圖7所示。由圖7可知，混凝土膠凝微觀成像材料分布呈片狀，局部孔隙率較大，晶體結(jié)構(gòu)散亂、無規(guī)則，整體呈顆粒狀，Ca(OH)2凝膠體和C-S-H凝膠體相對較少，且C-S-H凝膠體呈不規(guī)則簇狀。已有研究表明[4-5]，混凝土碳化會改變其微觀結(jié)構(gòu)，排列致密的蠕蟲狀C-S-H凝膠結(jié)構(gòu)會轉(zhuǎn)變成不規(guī)則簇狀，臨界孔徑增大，孔隙連通性提高，造成外界有害離子(包括氯離子)更易進入混凝土內(nèi)部。

圖7 吳川市某紀念館混凝土膠凝微觀結(jié)構(gòu)

3 混凝土中鋼筋銹蝕評估分析

3.1 銹蝕機理

混凝土中鋼筋銹蝕一般發(fā)生在潮濕環(huán)境及氯離子侵蝕環(huán)境中。當一般大氣濕度為45%～80%時，混凝土中鋼筋銹蝕較易發(fā)生，當干濕交替或環(huán)境中有腐蝕介質(zhì)時，會加快鋼筋銹蝕。一般環(huán)境下，由于碳化導(dǎo)致混凝土中性化和堿度降低，造成鋼筋脫鈍，在充足氧和水條件下發(fā)生鋼筋銹蝕。而在氯鹽侵蝕環(huán)境下，滲入及存在于混凝土中的氯離子到達鋼筋表面后迅速破壞鈍化膜，形成腐蝕電池，并通過催化作用、去極化作用和導(dǎo)電作用使混凝土中鋼筋電化學(xué)反應(yīng)加快，而混凝土中氯離子濃度越高，鋼筋銹蝕危險性越大[6]。

3.2 宏微觀評估分析

檢測評估的3處歷史建筑混凝土構(gòu)件普遍存在碳化深度偏大現(xiàn)象，多數(shù)已達鋼筋表層。由于部分房屋因距海較近或使用過程中可能存在氯鹽侵蝕環(huán)境，造成部分混凝土氯離子含量偏高。因此，混凝土中鋼筋銹蝕較普遍，且使用環(huán)境潮濕區(qū)域和混凝土含較高氯離子區(qū)域，鋼筋銹蝕更嚴重。上海市某聯(lián)儲大樓使用環(huán)境相對較好，且距海較遠，未受明顯氯離子侵蝕，但部分構(gòu)件碳化深度較大，因此在屋面及受潮區(qū)域存在一定鋼筋銹蝕現(xiàn)象。青島市某博物館由于距海近，地下室頂板受鹽霧侵蝕，混凝土中氯離子含量較高，因此該區(qū)域普遍出現(xiàn)嚴重鋼筋銹蝕和混凝土保護層脫落現(xiàn)象。吳川市某紀念館距海較遠，但2層樓板混凝土氯離子含量偏高，相應(yīng)區(qū)域鋼筋銹蝕嚴重，且混凝土存在嚴重起拱現(xiàn)象，這可能與該房屋曾用作衛(wèi)生院而存在氯離子侵蝕環(huán)境有關(guān)，同時混凝土碳化深度較大，加速了氯離子滲透。

鋼筋微觀觀測顯示，歷史建筑混凝土中鋼筋普遍采用碳素鋼，且部分含有一定非金屬雜質(zhì)，其強度較低，耐候性較差，而由顯微維氏硬度值換算的極限抗拉強度與Q235級鋼筋基本相當。混凝土芯樣及掃描電子顯微鏡觀測結(jié)果顯示，部分混凝土孔隙率較大，而混凝土膠凝晶體結(jié)構(gòu)散亂、無規(guī)則，局部微觀呈顆粒狀，因此整體強度偏低，且易碳化，易受氯離子侵蝕。

3.3 檢測評估建議

根據(jù)混凝土中鋼筋銹蝕機理及宏微觀評估分析結(jié)果可知，由于建造年代久遠，建造水準較低，歷史建筑混凝土強度低、密實性差，鋼筋強度低、耐候性較差，鋼筋銹蝕問題較普遍，檢測評估過程中應(yīng)特別重視混凝土中鋼筋銹蝕問題。

混凝土碳化及氯離子侵蝕為鋼筋銹蝕的主要影響因素，當二者同時作用時，鋼筋銹蝕更易發(fā)生。因此，應(yīng)對歷史建筑混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)、混凝土碳化深度及氯離子含量進行必要的檢測評估。當鋼筋銹蝕僅由碳化和使用環(huán)境潮濕所致，且銹蝕不嚴重時，可僅進行必要的除銹防銹處理和適當加固。但當混凝土中氯離子含量較高，且鋼筋銹蝕較嚴重時，鋼筋銹蝕問題難以從根本上解決，存在嚴重安全隱患，應(yīng)在符合歷史建筑保護要求的前提下考慮進行混凝土構(gòu)件整體更換。

氯離子含量滴定法包含水溶性氯離子含量測定法和酸溶性氯離子含量測定法，部分研究表明[7]，滴定法會由于滴定終點判斷不準造成低濃度氯離子溶液測試結(jié)果存在偏差。國外規(guī)范對氯離子含量限值的規(guī)定較國內(nèi)規(guī)范寬松[8]，因此氯離子含量測定需選擇合適方法，進行限值判定時，需結(jié)合宏觀銹蝕狀態(tài)綜合分析。

4 結(jié)語

1)沿海城市歷史建筑混凝土中鋼筋銹蝕問題較普遍，且混凝土強度偏低，密實性較差，碳化深度較大，部分混凝土氯離子含量超限。

2)微觀觀測結(jié)果顯示，歷史建筑混凝土中鋼筋普遍采用碳素鋼，且部分含有一定非金屬雜質(zhì)。混凝土膠凝晶體結(jié)構(gòu)散亂、無規(guī)則，局部微觀呈顆粒狀，易碳化，易受氯離子侵蝕。

3)為有效保護歷史建筑，應(yīng)加強對混凝土碳化深度、鋼筋銹蝕狀態(tài)及混凝土氯離子含量的檢測評估，并根據(jù)鋼筋銹蝕程度及混凝土氯離子含量提出相應(yīng)的處理措施。