鹽漬土環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性措施
摘 要：鹽漬土和海水都含有氯離子(Cl-)，是影響砼結(jié)構(gòu)耐久性降低的根本原因。本文根據(jù)建設(shè)工程應(yīng)用實際，分析其腐蝕原因并提出預(yù)防處理措施。
關(guān)鍵詞：鹽漬土;結(jié)構(gòu)耐久性;鋼筋銹蝕;高性能混凝土;鋼筋阻銹;保護層厚度
鹽漬土和海水一樣內(nèi)含的氯離子(Cl-)是影響砼結(jié)構(gòu)耐久性的根本原因。砼中鋼筋銹蝕可由兩種因素誘發(fā)，首先是鹽漬土及海水中Cl-侵蝕，其次是大氣中的CO2使砼產(chǎn)生中性化。國內(nèi)外大量工程調(diào)查和科學(xué)研究結(jié)果表明，鹽漬土和海水環(huán)境下導(dǎo)致砼結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕破壞的主要因素是Cl-進(jìn)入砼中，并在鋼筋表面聚集，導(dǎo)致鋼筋產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。鹽漬土和海水通常含有3%的鹽，其中主要成分是氯離子。以Cl-計，鹽漬土和海水中的含量約為19000mg/L左右。
1、氯離子對鋼筋的銹蝕
Cl-進(jìn)入砼中通常有兩種途徑：①“混入”，如施工時摻用含氯離子外加劑、施工用水含氯離子、在含鹽環(huán)境中拌制和澆筑砼等;②“滲入”，環(huán)境中的氯離子通過砼的宏觀、微觀缺陷滲入到砼中，并通過長期滲透到達(dá)鋼筋表面。“混入”現(xiàn)象大都是施工管理的問題;而“滲入”現(xiàn)象則是砼表面裂縫等技術(shù)問題，與砼材料的多孔性、密實性、工程質(zhì)量以及鋼筋表面砼保護層厚度，使用現(xiàn)場環(huán)境等多種因素相關(guān)。
1.1 破壞鋼筋表面鈍化膜，水泥水化的高堿性使砼內(nèi)鋼筋表面產(chǎn)生一層致密的鈍化膜。鈍化膜只有在高堿性環(huán)境中才是穩(wěn)定的，當(dāng)pH<11.5時，膜層就開始不穩(wěn)定;當(dāng)pH<9.88時該鈍化膜生成困難，或?qū)⒁呀?jīng)生存的鈍化膜逐漸破壞。Cl-是極強的去鈍化劑，Cl-進(jìn)入砼到達(dá)鋼筋表面吸附于局部鈍化膜處時，可使鋼筋表面pH值降低到4以下，從而破壞鋼筋表面的鈍化膜，使鋼筋表面逐漸產(chǎn)生腐蝕。
1.2 鋼筋表面逐漸形成腐蝕電池，如果在大面積的鋼筋表面上形成高濃度氯化物，則氯化物所引起的腐蝕可能是均勻性腐蝕，但是在不均質(zhì)的砼中，常見的是局部坑狀腐蝕。腐蝕電池作用的結(jié)果是，在鋼筋表面產(chǎn)生蝕坑，由于大陰極對應(yīng)于小陰極，蝕坑發(fā)展迅速很快。
1.3 加速了去極化作用，Cl-不僅促成了鋼筋表面的腐蝕電池，而且加速了電池的作用。砼中Cl-的存在強化了離子通道，降低了陰陽極之間的歐姆電阻，提高了腐蝕電池的效率，從而加速了電化學(xué)腐蝕過程，使鋼筋承載力大幅度下降。
2、提高砼耐久性的技術(shù)措施
2.1 結(jié)構(gòu)采用高性能混凝土。現(xiàn)今高性能砼以耐久性作為首要指標(biāo)，就鹽漬土及海水工程而言，側(cè)重于高性能、抗?jié)B性、體積穩(wěn)定性、強度等。目前，國內(nèi)外在鹽漬土工程采用高性能砼的研究與應(yīng)用極其重視。如荷蘭，對已使用3～63年的64座海工結(jié)構(gòu)(其中90%的結(jié)構(gòu)采用磨細(xì)礦渣砼)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)基本完好，氯離子擴散系數(shù)僅為普通砼的1/10～1/15。典型事例為東謝爾德?lián)醭遍l工程，其設(shè)計使用壽命是250年，80年不維修，其基本防腐措施就是采用水膠比為0.4的大摻量(65% )磨細(xì)礦渣混凝土。在英、美、加、日和中東等國家和地區(qū)，也都有類似的成功工程應(yīng)用實例。
國內(nèi)外有關(guān)實驗研究和工程實踐證明，養(yǎng)護對高性能砼的質(zhì)量和耐久性十分重要。常溫下養(yǎng)護不夠，對高性能砼的質(zhì)量與耐久性的影響程度有時甚至高于普通砼。因此，及時、充分的濕養(yǎng)護是使其獲得高強度、低孔隙率和高抗氯離子擴散能力所必不可少的。另外高性能砼相對于普通砼在攪拌時間、振搗、拆模時間上都有區(qū)別。因此在高性能砼實施前需要根據(jù)其特點制定專門的質(zhì)量控制措施，不能按常規(guī)砼的方法攪拌、施工和養(yǎng)護。
2.2 鋼筋要經(jīng)阻銹劑處理。鹽漬土及海水砼中鋼筋的腐蝕，其實也是一種電化學(xué)腐蝕，其陰、陽極反應(yīng)都在鋼筋與電解質(zhì)界面上發(fā)生。若能阻止其中任何一種界面反應(yīng)，就能抑制腐蝕。使用阻銹劑時，首先應(yīng)控制開裂程度，尤其是對梁類構(gòu)件的受彎拉區(qū)域。因此，宜采用高性能砼來控制裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，再用鋼筋阻銹劑抑制腐蝕，最后用具有一定彈性的涂層封閉涂裝，以起到協(xié)同保護作用。這樣鋼筋阻銹劑起到“拾遺補缺”的作用，有效地阻止鋼筋腐蝕發(fā)生，從而延長鋼筋砼的使用耐久壽命。
2.3 涂料涂刷結(jié)構(gòu)表面層保護。海洋工程鋼筋砼中實施涂料涂裝保護是一種經(jīng)濟實用的防腐蝕技術(shù)措施。但涂裝質(zhì)量的控制十分關(guān)鍵，一旦局部存在各種缺陷與針孔被氯離子突破，則在一定范圍內(nèi)涂層的封閉保護作用將會喪失。因此，實施涂料涂裝的鋼筋混凝土構(gòu)件，首先必須進(jìn)行控裂設(shè)計，至少達(dá)到構(gòu)件在不同工況條件下受拉彎區(qū)裂縫的縫寬基本不變，以確保涂層保護的效果。完好的砼保護涂層具有阻擋腐蝕性介質(zhì)與砼表面的接觸特點，從而延長砼和鋼筋混凝土的使用壽命。
同時對鋼筋進(jìn)行涂層處理，由于海水環(huán)境中的氯鹽對不受凍地區(qū)的素砼是無害的，腐蝕破壞是通過對鋼筋砼結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕銹脹實現(xiàn)的。因此，若將鋼筋表面預(yù)先施加一層不腐蝕或耐腐蝕的涂層來阻擋或隔離氯離子的侵蝕，是最為直接的技術(shù)措施。環(huán)氧涂層鋼筋是在嚴(yán)格控制的鋼廠流水線上涂覆的，可以保證涂層高質(zhì)量。涂層可以將鋼筋與周圍的砼完全隔開，即使氯離子和氧氣等已經(jīng)大量侵入砼，它還是可以長期保護鋼筋，使鋼筋免遭腐蝕。環(huán)氧涂層鋼筋的儲運、安裝和綁扎過程中，不允許存在任何隱患與缺陷，否則就會局部顯著地加劇鋼筋腐蝕，最終導(dǎo)致混凝土保護層開裂使環(huán)氧涂層鋼筋遭受腐蝕。因此須慎重使用。
2.4 增加混凝土保護層厚度。增加砼保護層厚度，這是提高劣質(zhì)土及海洋工程鋼筋砼使用壽命的最為直接、簡單而且經(jīng)濟有效的方法。但是保護層厚度并不能無限制地增加。當(dāng)保護層厚度過厚時，砼材料本身的脆性和收縮會導(dǎo)致砼保護層出現(xiàn)裂縫反而削弱其對鋼筋的保護作用，在正常情況下接觸鹽漬土或海水的結(jié)構(gòu)件保護層厚度不小于40mm為宜。
3、上述方案優(yōu)缺點比較
不同處理方法措施增強砼耐久性優(yōu)劣升的對比見表1。
4、高性能混凝土的質(zhì)量保證措施
為確保混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的目標(biāo)，須從三大環(huán)節(jié)進(jìn)行控制：
4.1 切實在了解工程背景、使用環(huán)境以及砼材料在鹽漬土及海水環(huán)境中的性能特點的基礎(chǔ)上，必須進(jìn)行質(zhì)量控制與使用評估，通過對材料性能的試驗研究，建立砼結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計的數(shù)據(jù)和依據(jù)，并預(yù)測砼結(jié)構(gòu)的實際使用性能及影響程度。
4.2 充分考慮各種可變因素對鋼筋砼結(jié)構(gòu)使用壽命的影響，如環(huán)境條件及溫度、砼內(nèi)應(yīng)力、裂縫等，以建立使用壽命預(yù)測系統(tǒng)，為耐久性方案的設(shè)計提供指導(dǎo)和依據(jù)。再以使用壽命預(yù)測系統(tǒng)為基礎(chǔ)，制定有針對性的耐久性解決方案。
4.3 在質(zhì)量控制與評估過程中，方案的實施過程是如何控制各個方面的質(zhì)量以及如何對已完成部分的質(zhì)量進(jìn)行評估，需要確立各種質(zhì)量控制措施和實施標(biāo)準(zhǔn)，建立各種性能試驗的評價體系，保證混凝土性能符合方案設(shè)計要求。在實際施工過程中，質(zhì)量控制與評估將是重中之重。相對普通砼的質(zhì)量控制而言，高性能砼施工質(zhì)量控制主要涉及原材料選擇質(zhì)量、配合比、拌和時間、施工工藝過程、保護層厚度控制、養(yǎng)護方法等方面，其重點和難點在于保護層厚度和養(yǎng)護措施等。首先高性能砼保護層墊塊采用變形多面體形式，工程塑料夾或用高性能細(xì)石砼預(yù)制，墊塊材料的強度及抗?jié)B透性均不低于本體高性能砼的標(biāo)準(zhǔn)強度。其次，對高性能砼的表面砼由于陽光直射，溫度較高產(chǎn)生溫差過大的現(xiàn)象，同時由于風(fēng)速較大也容易造成砼表面失水過快，促使砼表面收縮較大而導(dǎo)致砼開裂。為此，在工程實際施工過程中，砼澆筑完畢后即將表面盡快收壓平整，在常溫下立即加蓋塑料薄膜以保證濕溫度不散失。
5、氯離子浸蝕工程混凝土耐久性對策
根據(jù)以上淺要分析，從使用材質(zhì)本身的性能出發(fā)，對主因和導(dǎo)因?qū)ΠY施治，在處于海水環(huán)境的砼梁、板、墻、柱采用強度不低于42.5MPa的硅酸鹽水泥，要求水泥中C3A含量不超過8%，水泥細(xì)度不超過350m2/kg，游離氧化鈣不超過5%。強度等級為C40時，最大水灰比為0.45，最小水泥用量320kg/m3，最大堿含量3kg/m3，最大氯離子含量0.1%。添加了有機胺鹽類與亞硝酸鈉的復(fù)合阻銹劑，并輔助JS復(fù)合材料。為保證砼的均勻性，攪拌砼采用臥軸式攪拌機，泵送砼的坍落度不能過大，以避免離析和泌水。要求在混合使用膨脹劑、阻銹劑及其他防腐劑時，應(yīng)事先專門測定它們之間的相容性，嚴(yán)格控制外加劑中的氯離子含量不得大于砼中膠凝材料總重的0.02%。砼保護層為50mm，保護層定位采用工程塑料夾，墊塊的尺寸和形狀必須滿足保護層厚度和定位的允差要求，墊塊的強度應(yīng)高于構(gòu)件本體砼，水膠比不大于0.4。
施工澆筑砼前，應(yīng)仔細(xì)檢查定位夾，并應(yīng)指定專人做重復(fù)性檢查以提高保護層厚度尺寸的施工質(zhì)量保證率。綁扎墊塊和鋼筋的鐵絲頭不得伸入保護層內(nèi)。在新澆砼表面應(yīng)及時澆水或覆蓋濕麻袋進(jìn)行養(yǎng)護，在砼升溫階段采用噴霧養(yǎng)護，確保搭接處的密封，保證模板連接縫處不至于失水干燥。與海水接觸框架柱的受力縱筋采用環(huán)氧樹脂涂層鋼筋。應(yīng)用實踐表明，采用高性能砼是在鹽漬土及海水環(huán)境下提高結(jié)構(gòu)耐久性的基本措施，然后根據(jù)不同構(gòu)件和部位，提高鋼筋保護層厚度(一般不小于50mm)，某些部位還可復(fù)合采用保護涂層或阻銹劑等輔助措施，形成以高性能海工砼為基礎(chǔ)的綜合防護策略，有效提高海工砼結(jié)構(gòu)的使用壽命。因此，設(shè)計遵循的基本方案是：首先，砼結(jié)構(gòu)耐久性基本措施是采用高性能砼，同時依據(jù)砼構(gòu)件所處結(jié)構(gòu)部位及使用環(huán)境條件，采用必要的補充防腐措施，如內(nèi)摻鋼筋阻銹劑、砼外保護涂層并提出養(yǎng)護要求等。在保證施工質(zhì)量和原材料品質(zhì)的前提下，使鹽漬土及海水中的砼結(jié)構(gòu)的耐久性達(dá)到設(shè)計要求。
綜上所述，鹽漬土及海水中結(jié)構(gòu)砼耐久性的首要因素是砼的Cl-滲透方式及速度。針對這一具體情況，并考慮當(dāng)?shù)厮幍沫h(huán)境實際情況―如原材料的可行性、工藝設(shè)備的可行性等，以及經(jīng)濟上的合理性，采取以高性能砼技術(shù)為核心的綜合耐久性對策和方案。確保工程實際使用中技術(shù)水平的提高，施工措施和質(zhì)量保證措施以保證在惡劣環(huán)境下砼構(gòu)件的設(shè)計達(dá)到使用年限。
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