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钢筋混凝土结构的腐蚀与涂层防护

时间:2014-05-27 09:16来源:未知 作者:admin 点击:
 1 前 言

       大兴土木,是一个国家兴旺发达的标志。近三十年来,我国基础设施建设(大型土木工程)进入了一个飞速发展时期。如何保证基础设施安全长久地运行,是国家的长远利益所在。一些国家也曾有过大规模基础设施建设时期,但不久因基础设施不断出问题,大规模的“修复”期提前到来,而其费用远超过初建费,1995年美国腐蚀成本达到3000亿美元,其中1500亿美元是钢筋腐蚀造成的。汲取国外的经验教训,我们应尽力避免重蹈覆辙,高度重视基础设施的耐久性,走出一条积极应对的成功之路。

      
土木工程基础设施主要是钢结构、钢筋混凝土结构,并以后者为主体。公路、铁路桥梁、海港码头、机场、水利电力及能源设施等是国民经济发展的命脉,可持续发展的依托。就环境影响而言,“腐蚀”是基础设施耐久性的主要因素之一,甚至是首要因素。这里仅就钢筋混凝土结构的腐蚀与涂层防护作以分析和讨论。

2 钢筋混凝土结构腐蚀的原因分析

      
混凝土是复合的人工材料,具有多孔性,显微裂缝结构和较粗糙的表面。由于混凝土和钢筋的变形性不同,导致结构表面产生较大的变形,出现局部显微裂缝和大裂缝(0.1~0.3mm)。混凝土表面的粗糙度和多孔性,为其表面吸收水分创造了条件。促使钢筋混凝土腐蚀劣化的原因大约有以下几种:

2.1 中性化

     水泥水化产物中含氢氧化钙较多,因而混凝土是强碱性的,其孔隙内溶液的PH≥12.6。当大气中的CO2遇水后变成酸性液体,不断地渗透侵蚀混凝土,其PH值逐渐降低,水泥水化产物发生分解,导致混凝土胀裂、粉化脱落,使其强度大大降低。这个过程即中性化。其反应如下:

CO2+H2O+Ca(OH)2 →CaCO3+H2O

2.2 冻 害

       在寒冷的地区或季节,混凝土中的水分在0℃以下结冰,这使得其表面和内部由于冰的体积增大而出现胀裂,温度高时冰融化,反复的冻融使混凝土浅表面由于产生裂纹而变得疏松以致脱落。冻融不仅破坏混凝土本身,也使其中的钢筋失去保护而发生腐蚀。因此,冻害也是影响钢筋混凝土结构耐久性的重要因素。

2.3 氯离子侵害

       混凝土的氯盐(Cl -)有两种来源,一是使用了含氯盐的外加剂,如使用海砂,施工用水中含Cl -、加入含Cl -的防冻剂等等。再就是环境中的氯盐,比如海洋环境、城市立交桥冬季使用的“融雪剂”(化冰盐),盐渍土(含较高盐份的土壤)等,通过混凝土表层渗透到达钢筋表面,破坏钝化膜而产生腐蚀,大大缩短了使用寿命。海洋工程中的钢筋混凝土结构往往3~5年就出现腐蚀。如东京湾所作的试验,有无涂装的混凝土在暴露于海洋大气环境下7年时间,未涂装的其钢筋腐蚀面积接近80%,而涂装的几乎未被腐蚀。如图1所示。

2.4 碱-骨料反应(ASR)

       碱-骨料反应是混凝土中某些活性矿物骨料与混凝土孔隙中的碱性溶液之间的反应。碱-骨料反应中,碱与SiO2反应生成的碱硅胶会吸收微孔中的水分,发生体积膨胀。当膨胀压力超过硬化水泥浆的抗拉强度时,就会引起混凝土开裂破坏。

       ASR发生的条件有三个:第一,充分的水(包括混凝土中原有的水和来自外部的水);第二,限量值以上的NaOH浓度(微孔中原有的碱和来自外部的碱),第三,骨料中存在反应性二氧化硅。只要切断产生ASR的其中一个因素,就能抑制ASR。

       对已有建筑而言,反应性SiO2及NaOH已经存在于其中,可控的因素只有水。有报告显示,在湿度≤85%时,即使发生ASR也不会产生膨胀,那么,通过防止外部水分渗入就可以控制ASR。

3 钢筋混凝土结构涂装的经济分析

       基础设施腐蚀损失,在总腐蚀损失中占有很大比例,与钢筋腐蚀相关的约占40%~50%,特别是以桥梁为代表的钢筋混凝土基础设施的腐蚀,成为当今世界突出的问题。

       以跨海大桥为例,杭州湾大桥投资预算为118亿元,其中用于混凝土涂装的费用约1亿多元,约占总投资的1%。该桥的设计使用寿命为100年。已经建成的东海大桥使用寿命也是100年,但刚投入使用不久,已开始出现裂缝;包括苏通大桥,都面临采用涂装保护的严重问题。在盐环境中的常规混凝土(不采取保护措施),虽然初建费用是低一点,但大约15年便开始第一次修复工程,40年内要修复4次,修复费约占初建费的4倍(这与美国桥梁的实际情况相符合)。

       根据日本的经验,选择合适的涂装方案,跨海大桥混凝土防护涂层的预期寿命最高可达60年,一般的方案也在25年以上。采用涂装防护的混凝土结构的维修期,最长的可达50年,普通方案一般在25年。

       综上所述,可以看出主动采取防护措施,虽然初建费略有增加(按最好方案计,涂装费为总造价的2%),但60年的总费用较之不采取防护措施者至少节约40%。而保证大桥安全通行,减少维修期所产生的社会效益也是很可观的。

4 用于海洋环境腐蚀防护的混凝土

涂料介绍

       混凝土的多孔性、显微裂缝和粗糙的表面导致了中性化、冻害、氯离子渗透和碱-骨料反应的发生。采用合适的涂装方案,对混凝土表面进行封闭,切断外界的水气(包括液态水)、氧气、氯离子、酸性液体的渗透途径,就可以防止或延缓腐蚀的发生。国内在水处理系统、工业地坪、化工厂、造纸厂、电站等工程已经有成熟的涂料应用经验,而工程的防护工作时间不长。下面介绍国外在这方面的一些涂料材料和方案供参考。

4.1 混凝土的表面处理

       混凝土表面粗糙多孔,既有基材经受风化侵蚀,表层强度低,可能还有油污和盐份等杂质,必须经过严格的除油,表面打磨或喷水(砂)处理,去除表层疏松部分,以淡水冲洗至PH=7~8。高压喷水法的操作压力可设定为100MPa。基材的处理十分关键,涂层的使用寿命与基材处理的级别直接相关。为确保基材处理质量,国外有专业的表面处理公司承揽大型工程的这一工序。

4.2 底 漆

       采用环氧清漆作底漆是经典的处理方法。低分子量的环氧树脂和改性聚酰胺固化剂粘度小、附着力强、流动性及浸润性好、耐碱,易于渗透进入混凝土的表层,填充并彻底封闭细微的裂缝和孔洞,大大提高了表面的强度和致密度,为下道工序打下良好的基础。底漆用量约为0.1Kg/m2。

       改性聚酰胺固化剂使得底漆具有一定的柔韧性,当混凝土结构承载重力或因温度发生变化而出现细小裂纹(0.05~1mm)时,柔性涂层可以拉伸,随裂纹而“动”,从而保证其阻断功能。

       从H2O、O2、CO2、Cl - 渗透涂层的途径来看,底漆是“最后一道屏障”,为确保其渗透性和润湿性,日本DNT涂料株式会社在喷涂底漆时,还加入一倍的稀释剂,以求“封底”牢固。即使在面漆和中间漆在使用过程中出现老化,底漆还可以继续发挥防止渗透、延缓腐蚀的作用。

       国外也有直接以柔性厚膜型无溶剂环氧树脂作底漆的,其一次喷涂厚膜达150μm,中间涂层与底漆是同一种材料,膜厚也是150μm。

       海工混凝土涂装在国外也才20多年的历史,加之化学工业的快速发展,不断出现一些性能优异的涂料,比如氟树脂。究竟哪种施工方案的耐久性更好,只能等待实践检验结果,实验室模拟环境下的数据与实际腐蚀情况毕竟还有相当距离。

(责任编辑:mastersh)
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