关键词:混凝土 防腐蚀 涂层 耐久性
从20世纪80年代后期至今,经过十几年的建设,上海的道路交通设施发生了巨大的变化,建成了内环高架道路、延安路高架道路、南北高架道路、南浦大桥、杨浦大桥、徐浦大桥和高架明珠轨道线等。在这些工程中,钢筋混凝土构筑物的量不断增加,就目前所修的桥梁结构而言,绝大部分为钢筋混凝土或预应力钢筋混凝土结构。根据目前对上海地区范围内立交桥和高架道路的初步观察发现,混凝土构筑物在耐久性方面存在着不同程度的问题,严重影响混凝土结构正常的使用寿命,主要表现特征为某些部位的混凝土开裂,钢筋锈蚀,混凝土钢筋保护层太薄,混凝土抗水、有害离子渗透性及抗碳化性能差等等。如不予以重视,不尽早根据其使用状况和应用环境采取必要的保护措施,不久的将来会对国家和人民的财产和安全带来严重的后果。混凝土腐蚀劣化过程一般经过两个阶段。初始阶段和扩展阶段,在初始阶段没有显著的材料弱化或结构功能退化现象出现,但某些保护层被侵蚀介质破坏。而在扩展阶段
,将出现主动性的损伤并加速发展,如钢筋腐蚀。到目前为止,如何减缓和防止混凝土桥梁腐蚀,以提高混凝土桥梁耐久性能,延长其使用寿命还没有一套有效的方法。因此,本文就保护材料及工艺,保护技术方面加以研究,并提出一套有效的混凝土防腐蚀保护技术。
1 试 验
1．1 原材料水
泥采用ＰＯ32．5普通硅酸盐水泥,砂采用细度模数为2．6的中砂,粗集料采用5～38ｍｍ的石灰石。混凝土配合比见表1。
聚合物涂层采用纯丙乳液(ＡＣ)、苯丙乳液(ＰＡ)、叔碳酸盐乳液(ＴＣ)和有机硅(ＯＳ)等四种聚合物。
1．2 试验方法
混凝土碳化试验按照《普通混凝土长期性能和耐久性能实验方法》(ＧＢＪ82-85)中快速碳化试验进行。采用100ｍｍ×100ｍｍ×300ｍｍ长方体试件,标准养护26ｄ,在60℃烘48ｈ取出测试。
混凝土气体渗透试验按照ＲＩＬＥＭＴＣ116-ＰＣＤ[1]步骤进行。每组2块,试块采用直径150ｍｍ,高度为50ｍｍ的圆柱体。养护时尽量减少试块与外界环境的水分交换。养护在2
0℃的室内进行,立即将试块密封保存。采用氮气作为渗透气体。渗透压力分别为1．5×105、2．0×105、3．0×105Ｐａ(绝对压力)。计算各压力下的Ｋｉ,取平均值即得各配比混凝土的渗透系数Ｋ。混凝土氯离子渗透性能采用ＡＳＴＭＣ1202[2]建议的电量法测定。试件为直径100ｍｍ,高度50ｍｍ的圆柱状混凝土。
2 试验结果与分析
2．1 钢筋混凝土桥梁耐久性劣化现状和力学性能现状
我们调查了上海公路系统的团港桥、内港河桥、医院桥、五灶港桥和六灶港桥等钢筋混凝土桥梁。这些桥梁均有不同程度腐蚀破坏。从现场进行钻孔取样,并根据要求制样,以测定其氯离子渗透性、碳化深度和强度。
2．1．1 钢筋混凝土氯离子渗透性的检测
从表2中可见,桥梁内侧和外侧的混凝土试样抗氯离子渗透性明显比中部试样差,内外侧试样的导电量大部分超过4000Ｃ,说明混凝土的抗氯离子渗透性能已经很差,混凝土耐久性受到严重劣化,混凝土对钢筋的保护作用已经很弱。中部试样的导电量大约为两侧混凝土导电量的3 4,说明中部混凝土的抗氯离子渗透性也受到了较严重的劣化。
表2 桥梁取芯试样氯离子渗透性样
2．1．2 钢筋混凝土碳化深度的检测
表3显示五座桥均受到一定程度的碳化腐蚀,其中团港桥的外侧和六灶港桥的内侧尤其严重,碳化深度分别为19．5ｍｍ和18．0ｍｍ。从表2和表3中可见,混凝土的氯离子渗透性和碳化深度有很好的相关性,说明氯离子渗透性和碳化深度对混凝土耐久性的评价是一致的。
表3 桥梁取芯碳化深度
2．1．3 钢筋混凝土抗压强度测试
从表4中可以看出,原设计强度为Ｃ30的混凝土现在的强度都有大幅度降低,抗压强度最低只有14．8ＭＰａ,回弹强度只能达到14．6ＭＰａ。同时结合氯离子渗透和碳化深度测试的结果发现,强度低的试样其抗氯离子渗透性差,同时已被碳化的深度大。
表4 桥梁取芯试样抗压强度样
2．2 钢筋混凝土桥梁防腐技术措施研究以
上对取芯试样的测试结果表明:受调查的上海地区这几座桥梁的混凝土均受到了相当严重的腐蚀。可以推测其他桥梁也应该受到一定程度的影响,所以如何防止钢筋混凝土桥梁的腐蚀应该成为一个迫在眉睫的重大课题。本文就此提出钢筋混凝土防腐技术措施,并对其作出评价。试验分别对不涂涂层的基准混凝土(ＮＯ)和涂有不同聚合物涂层:纯丙乳液(ＡＣ)、苯丙乳液(ＰＡ)、叔碳酸盐乳液(ＴＣ)和有机硅(ＯＳ)的混凝土的氯离子渗透性、抗碳化性能和气体渗透性进行了研究。并且对不同厚度的苯丙乳液(ＰＡ)涂层对耐久性的影响进行了研究。
2．2．1 不同涂层对混凝土氯离子渗透性的影响
氯离子渗透性对于钢筋混凝土桥梁结构的耐久性是一个重要考察指标。氯离子即使在高碱度下,对破坏钢筋的钝化膜都有特殊的能力。钢筋的锈蚀最终会导致混凝土强度大大降低,这对于钢筋混凝土结构来说是一个潜在的巨大威胁。试验表明,基准混凝土通过的电量为1233Ｃ。而涂有各种涂层的混凝土的氯离子渗透性得到显著改善,对比表5所列的ＡＳＴＭＣ1202标准,通过的电量基本可以忽略。其中涂有苯丙乳液(ＰＡ)的混凝土渗透性接近于0。
表5 混凝土渗透性评价(ＡＳＴＭＣ1202)
2．2．2 不同涂层对混凝土气体渗透性的影响
图1中可见涂有不同涂层的混凝土气体渗透系数相差很大。与基准混凝土相比,纯丙乳液涂层可以使混凝土气体渗透系数降低1个数量级,叔碳酸盐涂层可以使渗透系数降低2个数量级以上,而涂有苯丙乳液的混凝土根本就不透气。有机硅对混凝土的气体渗透性影响很小。2．2．3 不同涂层对混凝土碳化深度的影响
混凝土碳化是指空气中的二氧化碳气体不断透过混凝土毛细孔扩散到混凝土内部,气相扩散到混凝土内部充水的
毛细孔中与其中的孔隙液所溶解的氢氧化钙进行中和反应,生成碳酸盐或其他物质的现象。从总体上可以把混凝土碳化过程分成两个步骤:第一个步骤是二氧化碳气体扩散到混凝
土孔隙中;第二个步骤是二氧化碳与混凝土中物质发生反应。很明显,前者是发生碳化腐蚀的前提条件。利用涂层包裹混凝土的表面,从而形成致密的保护层可以防止二氧化碳气体的扩散。从表6的数据可见,除了有机硅涂层外,其他涂层对防止混凝土的碳化都有很好的效果,基准混凝土28ｄ碳化深度为24．7ｍｍ,而涂有苯丙乳液的混凝土28ｄ碳化深度最小仅为0．7ｍｍ,纯丙乳液次之为2．7ｍｍ,叔碳酸盐再次之为5．9ｍｍ。从碳化的发展速度来看,基准混凝土和涂有纯丙乳液、叔碳酸盐涂层的混凝土早期碳化发展较快,后期较慢。这是因为碳化产生了不溶于水的碳酸钙填充了混凝土的部分空隙[3],使得二氧化碳气体扩散变得更难,所以减缓了碳化速度。而涂有苯丙乳液涂层的混凝土碳化速度均匀,是因为涂层本身对二氧化碳的渗透性就几乎为零,所以碳化产生很少的碳酸钙不至于影响碳化速度。
表6 不同涂层对碳化深度的影响
2．2．4 不同厚度的涂层对混凝土耐久性的影响
分别调整苯丙乳液涂层的厚度为0．7ｍｍ、1．0ｍｍ和1．3ｍｍ,进行混凝土氯离子渗透、气渗、碳化深度测试。试验结果见图2。由试验结果可以发现,混凝土28ｄ的碳化深度随涂层厚度的增加而明显减小。其中1．0ｍｍ涂层的混凝土碳化深度为0．8ｍｍ,而0．7ｍｍ涂层的混凝土碳化深度增加到3．2ｍｍ。而涂层厚度对混凝土气渗和氯离子渗透几乎没有影响,综合考虑经济与效果两方面因素,建议选择涂层厚度为1．0ｍｍ。
3 结 论
1)桥梁混凝土现场取样试验结果表明,原设计强度为Ｃ30的混凝土强度和耐久性都有惊人的下降,如不立即采取桥梁防腐措施,后果不堪设想。
2)不同涂层对混凝土的氯离子渗透性、气体渗透性和防碳化方面都有显著的效果,其中苯丙乳液最理想,可以使混凝土的气渗系数降低至0,抗氯离子渗透性能提高3个数量级,碳化深度下降到1 35。
3)苯丙乳液涂层厚度对混凝土气渗和氯离子渗透几乎没有影响,而混凝土28ｄ的碳化深度随涂层厚度增加而明显减小。综合考虑经济与效果,建议苯丙涂层的厚度为1．0ｍｍ。震及竖向荷载作用下避免严重垮塌。对此,本文提出了“强转换”、“强底梁、强节点”、“强剪弱弯”的抗震设计总原则。
