浅议海水环境下增强混凝土耐久性方法.docx
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浅议海水环境下增强混凝土耐久性方法
浅议海水环境下增强混凝土耐久性方法
摘要:
在国内海水环境下增强混凝土耐久性方法大致有五种:
预应力混凝土、高性能混凝土、内掺钢筋阻锈剂、涂料涂装爱惜、涂层钢筋等。
针对这五种方法增强混凝土耐久性方法,结合工程应用实例对其原理进行了分析,总结出其技术特点,为工程应用提供指导和帮忙。
关键词:
海水环境混凝土耐久性方法
一、前言
随着水运工程技术的不断进展,海水环境中码头的耐久性问题愈来愈受到研究人员的重视和关注。
在海港环境中,砼侵蚀破坏要紧表现为cl–的渗透致使钢筋锈胀,进而引发砼开裂加速钢筋锈蚀。
因此,如何提高砼的抗氯离子渗透性,减小砼电通量,已经成为提高砼抗侵蚀能力的关键问题[1],[2]。
二、增强混凝土耐久性方法
1.预应力混凝土
预应力混凝土构件能有效地操纵裂痕的产生,阻止“先裂后锈”和“锈裂互动”现象的发生和蔓延;且预应力混凝土构件的爱惜层厚度、配合比、水灰比等参数指标的标准要求均高于其他钢筋混凝土构件。
因此,相对而言,预应力混凝土的质量与耐久性优于其他钢筋混凝土。
可是一旦预应力混凝土构件发生侵蚀与破坏后,由于不能大范围凿除已遭氯离子污染的混凝土,因此预应力混凝土构件的可修复程度与修补成效均远低于其他钢筋混凝土构件,目前通常采取整个构件改换的方式。
例如,在1990年投产的北仑二期集装箱码头5#、6#泊位后方引桥的预应力“T”型梁上,利用12年后亦发觉诸多“锈斑”,说明其内部钢筋已开始锈蚀。
可见单凭设计采纳预应力混凝土方法,也不能专门好的解决防侵蚀耐久性问题,必需多种技术方法并举,联合施治,方能达到耐久之目的。
2.高性能混凝土
区别于传统混凝土,高性能混凝土以耐久性作为首要指标,可有重点地予以保证其耐久性、工作性、强度、体积稳固性和经济性等。
就海港码头工程而言,偏重于高性能、抗渗性、体积稳固性、强度与优良的抗冲击疲劳性等。
目前,国内外海工高性能混凝土的研究与应用方兴未艾[3]。
在荷兰,对已利用3~63年的64座海工结构(其中90%的结构采纳磨细矿渣混凝土)调查发觉,结构大体完好,氯离子扩散系数仅为一般混凝土的1/10~1/15。
典型事例为东谢尔德挡潮闸工程,其设计利用寿命是250年,80年不维修,其大体防腐方法确实是采纳水胶比为的大渗量(65%)磨细矿渣混凝土。
在英、美、加、日和中东等国家和地域,也都有类似的成功工程应用实例。
在我国,高效减水剂与粉煤灰双掺技术,别离于1987年应用于厦门高集跨海公路大桥和1997年应用于厦门海沧大桥,在上海南浦大桥、杨浦大桥和黄浦江越江隧道等工程中,也取得了应用。
国内外有关实验研究和工程实践证明,养护对高性能混凝土的质量和耐久性十分重要。
常温下养护不够,对高性能混凝土的质量与耐久性的阻碍程度有时乃至重于一般混凝土,因此,及时、充分地湿养护是其取得高强度、低孔隙率和高抗氯离子扩散能力所必不可少的。
据此,高性能混凝土十分适合养护条件优良的专业性与预制场制作的构件。
而养护条件较差的现场现浇构件,设计采纳高性能混凝土时,除采取调整相应的技术方法外,尚需在现场配备专门的养护设施,确保不中断湿养护14天~21天。
另外高性能混凝土相关于一般混凝土在搅拌时刻、震捣、拆模时刻上都有区别,因此在高性能混凝土实施前需要依照其特点制定专门的质量操纵方法。
3.内掺钢筋阻锈剂
海工混凝土中钢筋的侵蚀,事实上是一种电化学侵蚀,其阴、阳极反映都在钢筋电解质界面上发生,假设能阻止其中任何一种界面反映,就能够抑制侵蚀。
若是某种(或某些)化学物质能够优先参与并阻止上述两种或其中一种界面反映,且能长期维持稳固状态,那么用此类化学物质就可有效地阻止钢筋锈蚀,这种在混凝土拌制进程中掺加少量化学物质(外加剂),通过阻碍上述界面电化学反映来阻止钢筋侵蚀的方式是简便易行的,这种化学物质(外加剂),对钢筋而言,确实是阻锈剂。
按阻锈机理,可分为阳极型,阴极型和混合型三类;按材质种类可分为有机类和无机类两种。
以往大规模工程应用的亚硝酸钙,属阳极型阻锈剂。
苯甲酸钠、重铬酸、氯化亚锡等也是阳极型阻锈剂。
近来,开发了大量的有机类阻锈剂,和有机胺盐类与亚硝酸钠的复合阻锈剂。
1970年起我国在湛江浪溅区进行了为期10年的钢筋混凝土试件暴露实验,发此刻水灰比大()、爱惜层薄(15mm)的试件中,内掺占水泥用量2%的亚硝酸钠,可使钢筋锈积率从89%减少到%,显示出优良的长期阻锈成效,钾、钠的重铬酸盐成效亦然。
在山东三山岛金矿工程和江苏东台县方塘河挡潮闸等工程中,也有初期成功应用的实例。
2000年,在粤海通道琼州海峡铁路轮渡工程的钢筋混凝土结构中,成功地利用了GF——01型钢筋阻锈剂重达近百吨。
由上可见,内掺亚硝酸钙和复合型亚硝酸钙钢筋阻锈剂,是一种经太长期实验研究和工程实践的经济有效的钢筋爱惜方法。
与预估钢筋周围混凝土中氯化物含量相较,通过对实际利用的水泥砂石料和拌合用水的实验研究,确保小于必然值,就可使钢筋长期处于钝态。
可是,当混凝土存在裂痕时,开裂处的钢筋阻锈剂会否流失,假设然,对阻锈成效的阻碍程度如何?
人们对此心存疑虑。
Berke用三点加荷法使裂痕宽度为的裂痕达到试件的“全裂”与“半裂”,并用空白试件进行了为期30个月的加速实验,结论是掺亚硝酸钙的实验梁中,钢筋开始侵蚀的时刻,是“全裂”的比“半裂”的早;一样是“全裂”或“半裂”的实验梁,与不裂的空白实验件相较,掺亚硝酸钙可显著的推延侵蚀起动时刻与侵蚀效率。
由此可见,利用亚硝酸钙类阻锈剂时,第一应操纵开裂程度,尤其是对梁类构件的受弯拉区域。
因此,宜采纳预应力混凝土来操纵裂痕的产生与进展,再用钢筋阻锈剂抑制侵蚀,最后用具有必然弹性的涂层封锁涂装,以起到协同爱惜作用。
这时,钢筋阻锈剂起到“拾遗补缺”和“消防队员”的作用。
同时,未裂试件室内加速浸烘实验说明,采纳高性能混凝土和一般混凝土内掺钢筋阻锈剂相较,在浸烘16个周期后,钢筋锈蚀面积率和钢筋周围氯离子含量相当,采纳钢筋阻锈剂试件的钢筋锈蚀失重率是采纳高性能混凝土试件的3倍左右,可见,仅靠内掺钢筋阻锈剂的防侵蚀成效仍是有限的。
4.涂料涂装爱惜
混凝土表面实施涂料涂装爱惜,可阻止或减缓环境介质中氯离子的侵入,也起到装饰成效。
但必需解决涂层中的耐碱性和附着力等两方面的问题、受阳光直射部位表面的耐光老化问题、和潮湿表面实施时的湿固化与湿面附着力问题。
底层涂料(封锁漆),应具有低粘度和高渗透能力,能渗透到混凝土内起到封锁孔隙和提高后续涂层附着力的作用,是混凝土表面涂装爱惜的关键和质量操纵步骤。
就耐碱性而言,呋喃树脂优于环氧树脂,耐碱性好的封锁漆有利于涂层长期附着性能。
国内海港码头工程中利用涂层爱惜的工程实例已较多,但尚未专门好解决底漆的渗透与附着力问题。
初期部份工程在利用几年后,就显现涂层的析碱、开裂乃至脱落问题。
南京水利科学研究院别离于1997年和1999年,对海军獭山驱逐舰码头约13000m2和北仑港区万吨级矿石装船码头约1200m2构件表面,实施了FH系列的呋喃改性环氧封锁底漆+环氧煤沥青中间漆与面漆的涂装爱惜。
涂层性能查验结果说明,涂层附着力(拉开法)≥混凝土本体抗拉强度,通常达到左右;呋喃改性环氧封锁底漆的渗透深度达1~3mm;抗氯离子渗透实验说明,未发觉任何脱落与开裂现象。
由上可见,海港工程钢筋混凝土中实施涂料涂装爱惜是一种经济有效的防侵蚀技术方法。
但涂装质量的操纵十分关键,一旦局部存在各类缺点与针孔被氯离子冲破,那么在必然范围内涂层的封锁爱惜作用将会丧失。
潮湿面涂装时,设计选材十分关键,因为任何一种封锁底漆在干燥面与潮湿面的附着力存在明显的不同,因此,必要时需辅以其他方法提高构件表面的干燥程度。
另外,目前市售涂料品种,均不能有效地克服活动性裂痕,除非是专项设计生产的弹性涂层。
因此,实施涂料涂装的钢筋混凝土构件,第一必需进行控裂设计,至少达到构件在不同工况条件下,受拉弯区裂痕的缝宽大体不变,以确保涂层爱惜的成效。
再者,预制件采取岸上涂装封锁,那么存在吊运安装进程中局部损坏和现场补口问题;现浇构件那么存在减少海水初期污染和涂装机会问题;另外涂层设计利用年限通常只有10到15年,受阳光直射部位的面漆耐紫外线老化设计年限通常不到10年,届时,后继防腐技术方法如何,二者的匹配性如何等问题,这些在设计或组织实施中,均应充分考虑。
5.涂(镀)层钢筋
海水环境中的氯盐对不受冻地域的素混凝土而言是无害的,侵蚀破坏是通过对钢筋混凝土结构中钢筋的侵蚀锈胀实现的。
因此,假设将钢筋表面预先实施一层不侵蚀或耐侵蚀的涂(镀)层来阻挡或隔离氯离子的侵蚀,是最为直接的技术方法,涂镀层钢筋目前要紧有环氧涂层钢筋和热镀锌钢筋两种。
从1970年起,美国联邦公路治理局(FHWA)针对撒除冰盐引发高速公路桥梁异样严峻的钢筋侵蚀破坏问题,委托起国家标准局(NSA)的研究人员,通过历时3年的实验研究,从56种聚合物涂层中挑选出一种最理想的静电喷涂环氧粉末涂层钢筋,又名环氧涂层钢筋(EBAR)。
至1991年,EBAR已占其钢筋总用量的5%。
但在1988年,在侵蚀环境较为恶劣的美国佛罗里达州Keys地域的两座利用EBAR跨海大桥上,仅利用4~6年就显现了异样严峻的侵蚀破坏,并进行了专项调查研究。
加拿大公路战略研究打算对19座采纳EBAR结构调查与研究说明,19座结构中,有5座在利用8年就发生了钢筋侵蚀引发的破坏。
其要紧缘故是涂层质量,尤其是弯曲部位涂层质量问题,和吊装储运进程中局部破损与现场补口问题等。
对是不是继续采纳EBAR,国际上目前仍有争议,有的以为不宜利用;但另一些人以为只要提高质量标准,增强全进程监控,仍不失为盐污染环境中一种提高性能的有效方法。
我国目前已有EBAR的专业厂家,在上海宝钢所属的马迹山矿石中转码头上曾大规模利用,并已制定了相应的标准条款。
基于在数量庞大的钢筋及钢筋笼的储运、安装和绑扎进程中,不许诺存在任何隐患与缺点,不然就会局部显著的加重钢筋侵蚀,最终致使混凝土爱惜层开裂使EBAR蒙受进一步的侵蚀。
因此,必需慎用。
何况其造价是一般钢筋的倍以上,再加上专门的远程储运费用和增加用筋的费用等,其经济优势不明显。
再有,在达到设计利用年限后,后继的修复变得十分困难。
镀锌钢筋作为一种经济有效的护筋方法,有资料介绍始于二十世纪30年代,但工程实践说明,处于海洋环境中的结构,并非必然能够提供长期靠得住的爱惜。
钢筋镀锌层有两种,一种是在不含硅的钢上迅速冷却,其表面存在一层有必然厚度的纯锌层,称为光亮的热浸镀锌层(简称光亮镀锌层);另一种是含硅的钢在热浸锌后缓慢冷却,使纯锌层过量的消耗转化为ζ锌/铁层,使纯锌层很薄,失去光泽,称为灰锌镀层。
由于锌是一种两性金属,当pH值小于6或大于13时,都会发生反映而遭侵蚀;在两值之间时,因锌侵蚀产物使表面密封而受到爱惜。
镀锌钢筋浇筑到混凝土中后,锌与混凝土中碱性组份间的反映,在混凝土硬化后就停止。
目前,镀锌层的性质及其微观结构对镀锌钢筋在混凝土中侵蚀行为的阻碍,已取得了普遍的研究。
结果说明:
为了使镀锌层钝化,说明具有足够的纯锌储蓄是重要的,亦即光亮镀锌层的性能明显优于灰镀锌层;
相对而言,镀锌层去钝化的氯离子浓度比一般钢的高出倍以上;
假设混凝土质量较差,环境侵蚀条件恶劣,那么整个镀锌层在利用期内衰减得很多,寿命很短,不足以提供长期爱惜的成效。
反之,假设混凝土质量较高,环境侵蚀性较弱,那么镀锌层可显著的提高混凝土结构的利用寿命。
总之,光亮镀锌层可延长钢筋的利用寿命,但在海水环境中,假设混凝土质量较差,那么作用甚微。
三、几种方案优缺点比选
不同类型增强混凝土耐久性方法好坏性对照见表1。
表1混凝土耐久性方法对照
方案
优势
缺点
预应力混凝土
施工操作方便,工艺成熟.与一般混凝土比耐久性性较好。
侵蚀破坏后修补困难。
高性能混凝土
一、有必然的技术保障,且有成功实例;
二、混凝土的耐久性显著提高并具有良好的工作性能;
3、尤其适用于海水环境。
一、对施工厂地要求高,必需确保养护时刻大于15天;
二、在施工前须做配合比实验,并做大小样浇注实验,需要和必然的人力财力和时刻。
阻锈剂
可有效地阻止钢筋锈蚀
一、增加费用较多;
二、对砼结构要采取必然的限裂方法。
涂料涂装爱惜
一、经济合理;
二、技术成熟;
3、对氯离子渗透起到必然延缓作用。
一、涂料耐久性差;
二、质量操纵要求高。
涂层钢筋
从全然上解决钢筋防腐大大提高建筑物的利用年限
一、施工要求高,不许诺钢筋涂层显现局部破损,不然会加重钢筋局部侵蚀;
二、大大提高工程造价涂层钢筋是一般钢筋造价的倍。
四、结语
由上述分析可见,预应力混凝土的防裂性好,高性能混凝土抗氯离子渗透能力强,而内掺钢筋阻锈剂、采纳涂(镀)层钢筋和表面涂层方案均有防侵蚀成效及其耐久性不足等局限性。
因此,各类防侵蚀技术方法各有特点,适用处合有异,必需针对实际情形,采纳多技术方法并举,联合施治的方式,方能最大限度的实现科学合理、经济耐久的防侵蚀耐久性设计。
参考文献
[1]吴中伟.高性能混凝土(HPC)的进展趋势与问题.建筑技术1998年.
[2]吴中伟,廉慧珍.高性能混凝土.中国铁道出版社.1999年.
[3]孙正平,张冠伦.高性能混凝土的研究.混凝土1996
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