海岸水位變動區(qū)早齡期混凝土耐久性失效防治方法及案例分析

趙程磊 俞鐵勇 張 軍 毛江鴻 宋 鑫

1. 國家電網(wǎng)舟山電力公司 浙江 舟山 316004；2. 浙大寧波理工學(xué)院 浙江 寧波 315100

混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋表面的氯離子濃度達(dá)到一定閾值會造成鋼筋鈍化膜破壞，進(jìn)而發(fā)生銹蝕[1]。隨著銹蝕程度增加，混凝土結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)保護(hù)層開裂剝落、剛度降低、承載能力下降等一系列安全耐久性問題，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的服役性能和壽命。大量國內(nèi)外工程案例表明，由于鋼筋銹蝕而進(jìn)行必要的結(jié)構(gòu)修復(fù)、加固和重建等需要巨大的經(jīng)濟(jì)社會成本[2-4]。海洋環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)非常容易遭受氯離子侵蝕[5]，必須嚴(yán)格控制建造期和服役期的氯離子侵蝕并采取適當(dāng)?shù)哪途眯员Ｕ洗胧?/p>

海洋環(huán)境是一個整體、籠統(tǒng)的概念，根據(jù)其對結(jié)構(gòu)的作用方式與特點(diǎn)，一般可分為水下區(qū)、潮差區(qū)、浪濺區(qū)和大氣區(qū)等[6]。結(jié)構(gòu)處于不同的區(qū)域時，鋼筋銹蝕速率存在較大的差異。在海岸水位變動區(qū)域（潮差區(qū)、浪濺區(qū)），結(jié)構(gòu)受到海水干濕交替的作用，氯離子的侵蝕作用最為嚴(yán)重[7]。當(dāng)海洋水位較高時，氯離子通過毛細(xì)吸附作用不斷侵入混凝土對流區(qū)，并進(jìn)一步通過擴(kuò)散作用向混凝土內(nèi)部移動；當(dāng)海洋水位下降時，混凝土表面由于水分蒸發(fā)而不斷干燥，此時對流區(qū)部位氯離子濃度升高而向內(nèi)部擴(kuò)散[8]。因此，在干濕交替的作用下，水位變動區(qū)混凝土內(nèi)部氯離子不斷快速累積。而對于施工期結(jié)構(gòu)，由于混凝土尚未完全凝結(jié)硬化，極易遭受氯離子侵蝕[9]。金南國等[10]發(fā)現(xiàn)早齡期混凝土內(nèi)部孔隙率和孔徑均較大；朱勁松等[11]和李晗[12]的試驗研究表明，早齡期混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)明顯較大、滲透性較高。因此，對于處于海岸水位變動區(qū)，特別是地基基礎(chǔ)等下部混凝土結(jié)構(gòu)，施工期采取耐久性保障和防治措施尤為重要。

本文分析了水位變動區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性特點(diǎn)和劣化原因，通過工程案例證實了電化學(xué)修復(fù)技術(shù)對提升早齡期混凝土耐久性的有效性，并分析了實際應(yīng)用電化學(xué)方法的技術(shù)要點(diǎn)。

1 水位變動區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性保障措施

一般而言，提升混凝土工程設(shè)施耐久性的主要措施包括：“防”“抗”和“治”[13]。其中：“防”是指在新建結(jié)構(gòu)前，預(yù)先采取適當(dāng)措施防止鋼筋銹蝕，主要包括在混凝土和鋼筋表面涂抹防腐涂層[14-16]、在混凝土拌和物中添加阻銹劑、陰極保護(hù)法等；“抗”是指提升材料和結(jié)構(gòu)自身的性能，抵抗侵蝕性介質(zhì)的影響，主要包括使用耐腐蝕鋼筋、提高混凝土抗?jié)B性、控制原材料氯離子含量等；“治”主要是通過修復(fù)技術(shù)對已建結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)提升，延長使用壽命，主要包括修補(bǔ)法[17]、陰極保護(hù)法、電滲阻銹法[18]等。

對于處于水位變動區(qū)的已建混凝土結(jié)構(gòu)，上述耐久性措施普遍適用。但是對于處于水位變動區(qū)的新建混凝土結(jié)構(gòu)，由于早齡期混凝土抗?jié)B透性差、氯離子污染風(fēng)險高，極易造成施工質(zhì)量檢查不過關(guān)和鋼筋過早腐蝕的情況。電化學(xué)方法的基本原理是通過外加電源，以結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋為陰極，并在結(jié)構(gòu)外電解液中布置金屬網(wǎng)作為陽極，形成外加電場。恰當(dāng)控制外加電流密度、通電時間、增益陽離子種類和濃度等因素可以將結(jié)構(gòu)內(nèi)部的氯離子等陰離子遷移到結(jié)構(gòu)外陽極中，同時也可遷入增益陽離子以增強(qiáng)對鋼筋的防護(hù)作用或提升混凝土的性能，如圖1所示。由于早齡期混凝土的高滲透性，增益陽離子和氯離子的遷移效率都將大幅提升。因此，電化學(xué)修復(fù)技術(shù)對于早齡期混凝土同樣具有很好的使用效果。

2 工程案例分析

2.1 工程概況

江蘇南通某工業(yè)廠房位于黃海海岸，基礎(chǔ)形式為柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50 a?；A(chǔ)及主要混凝土構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度為C30。該廠房的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在施工建設(shè)中使用了氯離子含量超標(biāo)的海砂，且在回填土開挖后海水滲出現(xiàn)象明顯，水位快速升高?；A(chǔ)承臺、承臺柱等部位已受到海水浸泡。根據(jù)業(yè)主方提供的檢測報告，抽檢的基礎(chǔ)承臺、承臺柱的氯離子含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）為0.337%、0.308%，均已超過規(guī)范要求（≤0.20%）。該廠房尚處于施工養(yǎng)護(hù)期，雖還未出現(xiàn)明顯的耐久性劣化現(xiàn)象，但若不采取有效措施，后續(xù)的正常使用性能將受到嚴(yán)重危害。

2.2 現(xiàn)場病害調(diào)研

技術(shù)人員現(xiàn)場隨機(jī)抽取2處承臺及3處承臺柱，各鉆取1根芯樣，如表1所示。取樣深度大于鋼筋保護(hù)層厚度，樣品密封保存和運(yùn)輸，根據(jù)JGJ/T 322—2013《混凝土中氯離子含量檢測技術(shù)規(guī)程》，采用電位滴定方法進(jìn)行氯離子含量的測定。

表1 氯離子含量檢測結(jié)果

mw—混凝土配合比中每立方米混凝土的用水量，kg。從表1可知，抽檢的5處位置保護(hù)層深度以內(nèi)混凝土中氯離子含量占膠凝材料質(zhì)量的百分比均超過規(guī)范的規(guī)定。

2.3 電化學(xué)修復(fù)實施要點(diǎn)

1）分塊修復(fù)。由于待修復(fù)區(qū)域較大，不同位置混凝土電阻率差異較大且電源負(fù)荷能力有限，需進(jìn)行區(qū)域劃分以保證修復(fù)效果。電化學(xué)修復(fù)之前，首先應(yīng)根據(jù)設(shè)計施工圖紙查明各構(gòu)件中鋼筋的位置、直徑、數(shù)量、長度特征以及混凝土保護(hù)層厚度，以便計算修復(fù)參數(shù)和確定電源連接位置。修復(fù)區(qū)域劃分與參數(shù)設(shè)計主要考慮構(gòu)件內(nèi)鋼筋特征、混凝土電阻率、直流電源最大功率與場地情況等多個影響因素。電遷區(qū)域尺寸設(shè)計按式（3）、式（4）計算：

不同位置的承臺與承臺柱中鋼筋特征、混凝土電阻率的差異較大，因此不同位置的構(gòu)件采用不同的電遷參數(shù)，電遷參數(shù)的設(shè)計計算如表2所示。

表2 電遷參數(shù)設(shè)計

2）裝置安裝和檢查。先將建筑毯切割成塊，按劃分的區(qū)域包裹住構(gòu)件表面，再把鋼絲網(wǎng)緊貼在建筑毯上。在建筑毯上均勻澆水，至建筑毯完全濕潤后，蓋上塑料膜減少水分蒸發(fā)。鉆開混凝土保護(hù)層，用導(dǎo)線分別將鋼絲網(wǎng)和鋼筋連接至直流電源正負(fù)極。

修復(fù)裝置安裝完成后，將直流電源集中放置，便于管理。由于電源長時間處于滿負(fù)荷工作狀態(tài)，部分電源可能會出現(xiàn)故障或電流不穩(wěn)定，每日定期巡檢，及時發(fā)現(xiàn)并更換故障電源，調(diào)整電流密度以精準(zhǔn)控制通電時長。修復(fù)期間還應(yīng)定期澆水，保證修復(fù)區(qū)域高濕潤度。

2.4 修復(fù)效果分析

在所有修復(fù)區(qū)域達(dá)到通電時間后，再次對抽檢構(gòu)件進(jìn)行氯離子含量檢測以判斷修復(fù)效果。檢測方法與修復(fù)前相同，取芯位置為修復(fù)前的臨近位置。氯離子含量的檢測結(jié)果如表3所示。

表3 電化學(xué)修復(fù)后氯離子含量檢測結(jié)果

由表3可知，氯離子遷出效率為60%～69%，修復(fù)后氯離子含量均滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)語

1）綜述了腐蝕性服役環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性保障措施。對于處于水位變動區(qū)的早齡期混凝土滲透性較高，可利用電化學(xué)修復(fù)技術(shù)遷出氯離子，有效保障結(jié)構(gòu)的耐久性。

2）結(jié)合工程案例，對海岸水位變動區(qū)早齡期混凝土耐久性失效時，電化學(xué)修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)分析，包括修復(fù)區(qū)域分塊、參數(shù)設(shè)計、裝置安裝與維護(hù)等。電化學(xué)方法的有效性也得到了驗證，本工程所采用的電化學(xué)方法對氯離子的遷出效率可達(dá)60%以上。