钢筋混凝土结构耐久性提升技术研究进展.pdf
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1、水利水电科技进展,2015,35(5)摇 Tel:02583786335摇 E鄄mail:jz hhu. edu. cn摇 http:/ / www. hehaiqikan. cn 第 35 卷第 5 期 Vol. 35 No. 5 水 利 水 电 科 技 进 展 Advances in Science and Technology of Water Resources 2015 年 9 月 Sep. 2015 基金项目:国家自然科学基金(51408534); 杭州市青蓝计划(20131831K31);浙江省质量技术监督系统科研计划(20140229) 作者简介:金伟良(1961),男,浙江杭
2、州人,教授,博士,主要从事混凝土结构耐久性研究。 E鄄mail:jinwl zju. edu. cn 通信作者:许晨(1984),男,浙江杭州人,助理研究员,主要从事混凝土结构耐久性研究。 E鄄mail:zju_xuchen zju. edu. cn DOI:10. 3880/ j. issn. 10067647. 2015. 05. 009 钢筋混凝土结构耐久性提升技术研究进展 金伟良1,2,吴航通1,许摇 晨1,金摇 骏3 (1. 浙江大学结构工程研究所,浙江 杭州摇 310058; 2. 浙江大学宁波理工学院,浙江 宁波摇 315100; 3. 杭州市质量技术监督检测院,浙江 杭州摇 3
3、10019) 摘要:钢筋混凝土结构耐久性的提升技术可以从“防冶、“抗冶、“治冶3 个方面考虑。 从“治冶的角度出 发,综述了国内外对钢筋混凝土结构的传统修补方法和电化学修复方法的研究,介绍了阴极保护 法、混凝土再碱化法、电沉积修复法、电化学除氯法以及电渗阻锈剂法的基本原理和研究现状,评述 了各种修复方法效果及其影响因素。 重点介绍了在结合电迁移型阻锈剂和电化学除氯技术优势的 基础上提出的双向电渗修复法的概念、基本原理以及目前的研究状况和技术难点。 最后,在双向电 渗的研究基础上提出将纳米材料引入双向电渗的新方法。 关键词:钢筋锈蚀;混凝土再碱化;阴极保护;电沉积;电化学除氯;双向电渗 中图分类
4、号:TU375摇 摇 摇 文献标志码:A摇 摇 摇 文章编号:10067647(2015)05006809 Advances in research of technologies for durability enhancement ofreinforcedconcretestructures/ / JIN Weiliang1, 2, WU Hangtong1, XU Chen1, JIN Jun3(1. Institute of Structural Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China;2. Ningbo Ins
5、titute of Technology, Zhejiang University, Ningbo 315100, China;3. Hangzhou Institute of Test and Calibration for Quality and Technology Supervision, Hangzhou 310019, China) Abstract: Durability enhancement of reinforced concrete structures can be considered from three aspects: protection, resistanc
6、e, and rehabilitation. From the aspect of rehabilitation, this paper reviews the research of the traditional repair and electrochemical methods for rehabilitation of reinforced concrete structures. The principles and current research status of cathodic protection, realkalization of reinforced concre
7、te, electrodeposition, electrochemical chloride extraction (ECE), and inhibitor electromigration anticorrosion technology are introduced, and their effects and factors are also discussed, with emphasis placed on bidirectional electromigration rehabilitation (BIEM), which combines the advantages of E
8、CE and inhibitor electromigration anticorrosion technology, as well as its key technical problems. Moreover, based on the research on nanomaterials, the new method of using nanomaterials in BIEM is proposed. Key words: reinforcement corrosion; realkalization of reinforced concrete; cathodic protecti
9、on; electrodeposition; electrochemical chloride extraction; bidirectional electromigration 摇 摇 钢筋和混凝土的组合被誉为土木工程结构发展 史中一次重大技术革命,两者实现优势互补,钢筋有 效改善了混凝土的韧性,提高了其抗拉、抗弯性能, 而混凝土的碱性环境则保持了钢筋表层的钝化,同 时又隔离了钢筋与外界,特别是侵蚀性介质的接触, 防止钢筋的锈蚀。 因此,这类组合材料形成的混凝 土结构已成为世界上应用最为广泛的结构形式。 但 是,随着时间的推移,钢筋混凝土结构的耐久性问题 日益突出。 由于钢筋锈蚀引起混凝土
10、结构的过早破 坏,已成为全世界关注的一大灾害。 美国标准局 (NBS)的调查显示:美国在 1975 年因各种腐蚀而造 成的损失高达 700 亿美元,1985 年则达到 1 680 亿 美元,目前整个混凝土工程的价值约为 6 万亿美元, 今后每年用于维修或重建的费用预计高达 3000 亿 美元1。 英国统计了271 个混凝土结构劣化破坏事 例,就引起破坏的原因与发生频率而言,钢筋锈蚀占 全部事例的 55%,是引起钢筋混凝土结构破坏的主 要因素,其中,环境中氯盐的污染引起钢筋锈蚀占全 部破坏事例的 33%,属首要破坏因素。 英格兰岛中 部环形快车道上的11 座混凝土高架桥,初始造价为 2800 万
11、英镑。 为了保证高架桥在冬季正常通行而 撒于路面的除冰盐,导致钢筋发生了严重锈蚀。 仅 在建成后的 15a 里,由于修补所支出的费用就已达 到初始造价的 1郾 6 倍,近 4500 万英镑;估计在今后 86 水利水电科技进展,2015,35(5)摇 Tel:02583786335摇 E鄄mail:jz hhu. edu. cn摇 http:/ / www. hehaiqikan. cn 15 a 内,维护费用将达到 1郾 2 亿英镑,累计接近初始 造价的 6 倍2。 而在四面临海的日本,海岸附近的 钢筋混凝土结构,由于受到含有大量盐分的海水和 水汽的影响,结构中钢筋锈蚀严重。 针对日本境内 1
12、03 座混凝土海港码头的调查发现,使用 20 a 以上 的码头均存在大量顺筋裂缝现象2鄄3。 我国有着广阔的海域和漫长的海岸线,而沿海 地区又是大规模经济建设的集中地,有着大量的钢 筋混凝土建筑结构。 我国交通部四航局科研所曾于 1980 年主持了对华南地区 18 座码头的调查4,结 果发现 80%以上的码头在使用 5 10 a 后都发生了 较为严重的钢筋锈蚀现象。 20012004 年间,浙江 大学结构工程研究所对浙江省内 37 座现役桥梁和 11 座码头开展了大量而广泛的耐久性调研工 作5鄄7,结果发现钢筋锈蚀及由此引发的保护层开裂 现象非常普遍,对结构的安全和正常使用造成了严 重危害。
13、如浙东某国家重点工程 10 万 t 级矿石中 转码头不到 10 a 就不得不进行腐蚀修补,造成的损 失令人痛心。 南部沿海几十座服役3 25a 的码头, 因钢筋锈蚀造成的耐久性问题占 80 % 以上, 有的 仅使用 3 7 a 即出现顺筋开裂8鄄10。 近年来,南海 问题已经成为国内政治经济的一大热点问题,要在 南海建设岛礁必然面对氯盐腐蚀下钢筋混凝土的锈 蚀问题。 由此可见,钢筋锈蚀破坏,特别是由于氯盐 污染引起的钢筋锈蚀破坏,已成为严重威胁钢筋混 凝土结构耐久性的最主要和最普遍的危害因素。 目前,在混凝土耐久性提升技术方面,国内外学 者主要从“防冶、“抗冶、“治冶3 个角度开展研究。 涂
14、层 阻锈法是从“防冶的角度对新建结构进行防护或 是对已有结构进行维护,特种钢筋是从“抗冶的角度 提高结构材料本身抵抗介质侵蚀的能力,电化学修 复法则是从“治冶的角度对已腐蚀的混凝土结构进 行修复治理。 在防锈 涂层法中,渗入型阻锈材料由 于比普通阻锈材料具有更好的阻锈效果而得到广泛 的应用,但是当保护层厚度较大、密实性较高时,这 类阻锈材料往往因不能达到钢筋表面而起不到应有 的阻锈效果,因此其在混凝土保护层厚度较大、密实 度较高的沿海混凝土基础设施结构中尚未得到有效 的应用。 电化学修复法在使用过程中也存在一定问 题,如果电流密度或电通量控制不当,不仅会使钢筋 混凝土黏结面局部变软、钢筋表面析
15、氢,甚至还会诱 发碱集料反应,从而增加混凝土结构内部缺陷。 因 此,尽管国内外在电化学除盐方法和阻锈材料研发 等方面已开展了大量的研究工作,但如何最大化地 提高受氯盐侵蚀的混凝土结构耐久性病害维修效率 仍是工程界的一大难题。 因此,开展混凝土钢筋锈蚀的修复和防治研究 是一项急切和必要的课题,而对于正在服役且遭受 氯离子侵害作用的钢筋混凝土建筑物,如何采取技 术上可行、经济上合理的修复方法是工程界迫切需 要解决的问题。 本文主要从混凝土结构耐久性提升 技术中的“治冶出发,综述国内外传统修补和电化学 修复方法的研究,并对目前研究热点双向电渗技术 进行了重点论述。 最后,结合前沿的纳米修复技术, 探
16、讨其与双向电渗修复技术相结合的可能性。 1摇 国内外研究与应用现状 1. 1摇 传统修补法 钢筋混凝土在使用过程中自然损坏或受到外力 破坏,造成如麻面、露筋、孔洞、裂缝、钢筋锈蚀等缺 陷,传统修复手段主要是先凿除已经劣化的混凝土 保护层,对钢筋进行除锈防锈处理。 对严重锈蚀的 钢筋,进行旁焊补强或更换,然后对锈蚀的钢筋做除 锈及阻锈处理,再使用环丙砂浆、丙乳砂浆等进行填 补。 传统修补法11存在的主要问题在于修复效果 难以满足长期耐久性要求,尤其对于已遭受氯盐侵 蚀的海洋环境中的钢筋混凝土结构。 其主要原因是 钢筋处于新旧混凝土的交界处,修补会造成钢筋表 面产生电位差,且处于钢筋内侧的混凝土中
17、氯离子 难以被彻底去除,钢筋仍有再次锈蚀的可能。 美国 俄勒冈州 Alsea 海湾上的多拱大桥在钢筋发生严重 锈蚀后,即采用了传统修补法对破坏处进行修补,然 而不久却发现其附近钢筋锈蚀加剧1。 1. 2摇 常用电化学修复方法 1. 2. 1摇 阴极保护法 阴极保护技术12是以抑制钢筋表面形成腐蚀 电池为目的的电化学防腐方法,主要包括牺牲阳极 法和外加电流辅助阳极法。 其基本原理是对钢筋持 续施加一定的阴极电流,将其极化到一定程度,从而 使得钢筋上的阳极反应降低到非常小的程度。 根据 欧洲标准(2006 年)EN12696 规定:对于 Ag/ AgCl/ 0郾 5 mol/ L KCl 参 比
18、电 极, 瞬 时 断 电 位 应 大 于 -720 mV,以避免“氢脆冶的发生。 外加电流辅助阳极法以直流电源的负极与被保 护的钢筋相接,正极与难溶性辅助阳极相接,从而提 供保护电流。 自 1973 年美国在已遭受氯盐污染的 钢筋混凝土公路桥的桥面板上成功地安装了外加电 流阴极保护系统后,此方法得以迅速发展。 1985 年 6 月,美国俄勒冈新港区的 Yaquina 海湾桥实施外加 电流阴极保护13;1995 年沙特阿拉伯 Jubail 海水进 口混凝土结构物的水上部分完成外加电流保护14, 1996 年澳大利亚悉尼歌剧院西宽行道下部结构实 96 水利水电科技进展,2015,35(5)摇 Te
19、l:02583786335摇 E鄄mail:jz hhu. edu. cn摇 http:/ / www. hehaiqikan. cn 施外加电流阴极保护15。 对采用外加电流阴极保 护的钢筋混凝土结构调查16表明,大多数结构可长 期可靠地抑制钢筋的腐蚀,大大降低维修成本。 牺牲阳极的阴极保护方法就是在混凝土内的钢 筋上连接一种电极电位更负的金属或合金,通过牺 牲阳极的自我溶解和消耗,使得钢筋得到阴极电流 而受到保护。 与外加电流辅助阳极法相比,牺牲阳 极的阴极保护方法施工简便,无需提供辅助电源,维 护管理更加容易,而且不易引起预应力钢筋产生 “氢脆冶危险。 因此,20 世纪 80 年代后,国
20、内外对混 凝土牺牲阳极的阴极保护法的研究日益广泛和深 入。 Redaelli 等17认为牺牲阳极的阴极保护法对混 凝土中的钢筋有较好的保护效果。 Funahashi 等18 指出阳极材料对阴极保护效果影响较大,较差的阳 极材料会使阴极保护电流分布不均匀,而且会使阳 极混凝土表面产酸,研究表明涂有钛的金属氧化物 材料作为阳极具有较好的应用效果。 2002 年,在天 津港的工程中采用高效牺牲阳极的阴极保护法钢桩 技术阳极材料 A1鄄Zn鄄In 系合金中加入 Mg鄄Ti 合金, 使阳极的电化学性能得到大大提高19。 阴极保护法应用于钢筋混凝土结构中,总体是 可行的,但该方法不仅从结构建设期就需要专人
21、管 理和维护,并且需要长期维护,成本较高,因此其推 广应用受到了一定的限制20。 此外,阴极保护技术 主要应用于在建结构物,对于已经建成并已经出现 钢筋锈蚀的结构物其应用效果仍有待进一步研究。 1. 2. 2摇 电化学再碱化法 电化学再碱化法21是 20 世纪 70 年代末在美 国和欧洲兴起的一种用于修复碳化混凝土内钢筋腐 蚀的重要方法,它主要通过无损伤的电化学手段来 提高被碳化混凝土保护层的碱性,使其 pH 值恢复 到 11郾 5 以上,从而降低钢筋腐蚀活性,使钢筋表面 恢复钝化,以减缓或阻止锈蚀钢筋的继续腐蚀22。 其基本原理是在混凝土试件表面上的外部电极和钢 筋之间通直流电,以钢筋作为阴
22、极,以外部电极作为 阳极,对钢筋进行阴极极化(图 1)。 在钢筋上(阴 极)的主要电化学反应为:2H2O+O2+4e-=4OH-;在 外部电极上(阳极) 的主要电化学反应为 4OH-= 2H2O+O2+4e-。 在电场和浓度梯度的作用下,混凝 土中阴极反应产物 OH-由钢筋表面向混凝土表面 及内部迁移、扩散,阳离子(Ca2+)由阳极向阴极迁 移。 由于 OH-的持续产生和移动,使得钢筋周围已 碳化混凝土的 pH 值逐渐升高22。 电化学再碱化,可以用于所有碳化的混凝土构 筑物,已经成为世界各国公认的事实。 目前国内外 对再碱化技术研究结果不尽相同:朱雅仙23认为在 图 1摇 混凝土再碱化原理示
23、意图 电位的作用下,阴极反应产物 OH-由钢筋向混凝土 表面迁移,阳离子(Na+、K+和 Ca2+)由阳极向阴极迁 移。 阴极钢筋处产生的 OH-除迁移一部分外,还有 一部分 OH-滞留在钢筋周围的混凝土,使得钢筋周 围碳化混凝土 pH 值升高,从而达到再碱化的目的。 Velibasakis 等24认为外部的碱性溶液通过电渗作 用渗透到混凝土内部,达到钢筋附近,恢复钢筋周围 混凝土的碱性环境,从而实现再碱化的目的,如果电 渗不能进行,只通过电化学反应也能达到再碱化的 目的。 Andrade 等25鄄26认为碳化混凝土的再碱化是 同时通过电化学反应和电渗作用实现的。 童芸芸 等27研究了碳化混凝
24、土板内钢筋腐蚀程度对电化 学再碱化处理效果的影响,结果表明无论钢筋初始 腐蚀程度如何,外加电源式电化学再碱化处理均是 有效的。 1. 2. 3摇 电沉积修复法 电沉积修复法是最近兴起的一种修复混凝土裂 缝的新方法28。 其基本原理是利用钢筋混凝土的 特性与水环境条件,把带裂缝的混凝土结构中的钢 筋作为阴极,以溶在水或海水中的各类矿物化合物 (或加入合适的矿物质)作为电解质,并在混凝土结 构附近设置一定面积的阳极,在两者之间施加微弱 的低压直流电。 因为混凝土是一种多孔材料,而其 孔隙液中就有一种电解质,所以在混凝土中就会发 生电迁移,在混凝土结构的表面和裂缝处就有沉积 物如 CaCO3和 Mg
25、(OH)2等生成,填充、密实混凝土 的裂缝,封闭混凝土的表面,进而达到修复的效果。 电沉积修复法主要应用于化工、微电子、陶瓷、 新材料等产业之中。 20 世纪 90 年代的初期,日本 学者 Sasaki 等29首先尝试利用电沉积修复法修复 海工混凝土结构的裂缝,取得了不错的成效。 由于 海水本身就是良好的电沉积溶液,因此电沉积修复 法用于海工和水工结构都有很好的修复效果。 但当 该技术应用于陆地混凝土结构裂缝的修复时,仍存 在一定的局限性。 日本、美国近年来对电沉积修复 法修复陆上混凝土裂缝的可行性及经电沉积修复法 07 水利水电科技进展,2015,35(5)摇 Tel:02583786335
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