阻銹劑及硅粉、阻銹劑聯(lián)合應用對防止鋼筋銹蝕效果的研究
2006-08-07 00:00
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1 前言
根據(jù)對我國沿海港口碼頭工程耐久性調(diào)查表明，鋼筋混凝土中因鋼筋銹蝕而造成耐久性問題占80 %以上，許多海工建筑在建后僅3 年～5 年就出現(xiàn)構(gòu)件順筋銹裂和混凝土保護層剝落等現(xiàn)象，不得不提前大修，港口工程耐久年限遠遠小于設計的使用壽命。為此，海港工程建設必須采用有效措施提高鋼筋混凝土的耐久性。
眾所周知，鋼筋混凝土中鋼筋在混凝土的堿性介質(zhì)中表面形成鈍化膜而得到保護。對于海工建筑物，氯離子滲透和濃度的積聚是影響海工結(jié)構(gòu)耐久性的決定因素。當鋼筋周圍混凝土液相中，氯離子濃度達到某一臨界值時，鋼筋鈍化膜就會破壞。南京水科院從20 世紀80 年代起，到90 年代“九五”攻關，開展了大量提高鋼筋混凝土中鋼筋防腐蝕措施的研究。研究證明，采用硅粉、磨細礦渣、優(yōu)質(zhì)粉煤灰與高效減水劑配制的高性能混凝土可有效提高混凝土的密實性，并顯著提高混凝土抗氯離子和二氧化碳侵入的能力，是提高海工建筑物耐久性的重要措施之一。另外，多種阻銹劑的研究結(jié)果表明，在混凝土中加入少量鋼筋阻銹劑，能阻止或減緩鋼筋銹蝕的電化學過程，可提高混凝土護筋性，在有氯離子污染的混凝土中能有效延緩鋼筋腐蝕、延長壽命，是提高海工建筑物耐久性的另一重要措施。
根據(jù)設計，某海軍碼頭采用進口?？螮M920 等級微硅粉與西卡901 阻銹劑聯(lián)用措施以確保工程有足夠的耐久性。與國內(nèi)同類產(chǎn)品比較而言，工程擬采用的混凝土外加劑價格較高。由南京水科院瑞迪高新技術(shù)公司生產(chǎn)的HLC - VIII 混凝土阻銹劑、HLC - XI 硅粉劑，在氯化物污染與混凝土碳化的侵蝕環(huán)境中，具有顯著提高混凝土抗鋼筋銹蝕的優(yōu)點，且價格便宜。為了降低工程成本，在滿足工程設計對混凝土抗鋼筋銹蝕方面要求的前提下，作者對進口的埃肯EM920 等級微硅粉、西卡901 阻銹劑與HLC - XI 硅粉劑、HLC - VIII 阻銹劑的防鋼筋銹蝕效果進行了對比試驗，為國產(chǎn)材料取代進口材料提供試驗依據(jù)。
2 防腐試驗設計
參照《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》（J TJ275 -2000） 及《水運工程混凝土試驗規(guī)程》（J TJ270 - 1998） ，為比較出國內(nèi)外阻銹劑與硅粉的聯(lián)合阻銹效果，設計防腐試驗項目如下：
（1） 在摻有水泥用量0.4 %氯化鈉的砂漿中，摻加不同阻銹劑，測定鋼筋在砂漿拌合物中的陽極極化曲線，判斷阻銹劑對鋼筋陽極極化過程的影響，從而比較它們的阻銹作用。
?。?） 在摻有水泥用量1.8 %氯化鈉的強腐蝕環(huán)境中，摻加不同阻銹劑，進行硬化砂漿陽極極化試驗。在適當加溫條件下加速鋼筋銹蝕，測定鋼筋電化學腐蝕陽極過程的極化強弱，判斷鋼筋表面鈍化膜的狀況，定性比較兩種阻銹劑的阻銹效果。
（3） 電化學快速測定氯離子滲透試驗，試件尺寸為 10cm×5cm。試件固定在兩邊分別裝有3 %NaCl 及1.2 %NaOH 溶液的試驗槽之間。用1000Hz 交流電，測定試件電導和相對氯離子擴散系數(shù)，來評定試件抗氯離子滲透能力。
（4） 鹽水浸烘試驗模擬海工浪濺區(qū)和水位變動區(qū)混凝土中鋼筋的腐蝕環(huán)境（即海水干濕交替） ，并且用適當提高溫度的方法加快腐蝕，能夠反映混凝土密實性、通氧、通水條件、氯離子滲透、外加劑等因素對鋼筋腐蝕的綜合作用?？梢詸z驗出不同外加劑及硅粉，在有氯離子環(huán)境下，對鋼筋腐蝕的影響。為縮短試驗周期，作者采用了砂漿試件。
（5） 參照工程提供的C40 混凝土的兩種配合比，采用不同的阻銹劑及硅粉，比較混凝土的抗壓強度。
3 試驗原材料
3.1 水泥 南京天寶山P·O42.5 級。
3.2 砂 細度模數(shù)為2.58 的河砂。成型砂漿試件時，將砂過215mm 篩后使用。
3.3 石 5mm～31.5mm 連續(xù)級配碎石。
3.4 阻銹劑
3.4.1 西卡901 阻銹劑
3.4.2 HLC - VIII 混凝土阻銹劑
3.5 硅粉
3.5.1 ?？衔⒐璺?20D
3.5.2 HLC - XI 硅粉劑
3.6 其他 滿足規(guī)范要求的各種化學試劑。
4 混凝土中鋼筋腐蝕的電化學試驗（新鮮砂漿陽極極化法）
4.1 試樣制備
灰砂比為1∶2.2 ，水灰比為0.5 。為比較阻銹劑緩蝕效果，新鮮砂漿中均摻加0.14 %NaCl。
4.2 試驗結(jié)果分析
由結(jié)果（圖1） 可見，無論摻不摻阻銹劑，鋼筋在摻0.4 %NaCl 砂漿拌合物中，電極通電后，在2min 時電極電位V2 小于+ 650mV ，并且又很快大幅度下降，表明鋼筋鈍化膜均已嚴重破壞，處于活化狀態(tài)。但各組活化強弱不同。根據(jù)規(guī)范，各組鋼筋的活化強弱可由V2 值來衡量，V2 值越低，活化越強。由表1 可見，砂漿摻入阻銹劑后，鋼筋通電2min 電極電位V2 均明顯向正方向移動，表明鋼筋在阻銹劑作用下通電初期均有不同程度陽極極化。陽極極化強弱，顯示了它們不同的阻銹效果。從V2 值大小來看，2 %HLC - VIII 阻銹效果最大，4 %901次之，2.4 %901 最小。
5 混凝土中鋼筋腐蝕的電化學試驗（硬化砂漿陽極極化法）
5.1 試樣制備
灰砂比1∶2.5 ，水灰比0.5 。
5.2 試驗結(jié)果分析
規(guī)范規(guī)定電極通電后，15min 電極電位比2min 時電極電位的下降值不超過50mV（V2 - V15 ≯50mV） ，則認為此電極是鈍化電極。否則則認為此種電極是處于鈍化和活化之間，其鋼筋的鈍化膜已受損壞。
 由表2 的試驗結(jié)果可見：
?。?） 空白砂漿試件J - 1 ，V2 - V15為3mV ，未超過50mV ，說明電極處于鈍化狀態(tài)，鋼筋鈍化膜完好。
?。?） 摻入1.8 %氯化鈉、未摻阻銹劑的砂漿試件J - 2 ，V2 -V15大于50mV ，說明電極已經(jīng)處于鈍化和活化之間，包裹在砂漿中的鋼筋的鈍化膜已受損壞。在砂漿試件中摻加1.8 %氯化鈉，促進了鋼筋腐蝕。
?。?）J - 3 、J - 4 為摻入1.8 %氯化鈉的同時， 分別摻加2.4 %及4 %901 阻銹劑的砂漿試件，V2 - V15均大于50mV ，說明電極已經(jīng)處于鈍化和活化之間，包裹在砂漿中的鋼筋鈍化膜已損壞，901 阻銹劑未能阻止氯離子對鈍化膜的破壞作用。
（4）J - 5 砂漿試件在摻入1.8 %氯化鈉的同時，摻加2 %HLC - VIII 阻銹劑的砂漿，V2 - V15 < 50mV ，說明電極仍然處于鈍化的狀態(tài)，HLC - VIII 阻銹劑是陽極抑制型阻銹劑。
6 砂漿抗氯離子滲透快速試驗
6.1 試樣制備
6.2 試驗結(jié)果分析
本試驗由試件的電導值和相對氯離子擴散系數(shù)，來比較試件抗氯離子滲透性能，試驗結(jié)果見圖2 。試件電導值及相對氯離子擴散系數(shù)越大，說明透過砂漿的氯離子量將越多，砂漿抵抗氯離子侵蝕的性能越差。
  6.2.1 摻加901 阻銹劑（L - 2） 砂漿試件比空白（L - 1） 砂漿試件的抗氯離子的能力降低14.6 % ，而摻加HLC - VIII 阻銹劑（L - 3） 的砂漿試件比空白（L - 1） 砂漿試件的抗氯離子能力提高22.5 %。
6.2.2 硅粉的加入對砂漿抗氯離子滲透能力有大幅度的提高。
?。?） 摻加901 阻銹劑及?？衔⒐璺郏↙ - 4） 砂漿試件比空白（L - 1） 砂漿試件的抗氯離子的能力提高9.8 % ，比單摻901阻銹劑（L - 2） 砂漿試件的抗氯離子的能力提高21.2 %。
?。?） 摻加HLC - VIII 阻銹劑+ HLC - XI 硅粉劑（L - 5） 與摻加HLC - VIII 阻銹劑+ ?？衔⒐璺鄣纳皾{試件（L - 6） 抗氯離子滲透能力的提高幅度差不多（L - 5 略好） ，均比空白（L -1） 砂漿試件提高50 %以上。
6.2.3 由于硅粉良好的幾何外形和微小的尺寸，能有效地填充水泥漿體內(nèi)和骨料界面區(qū)的空隙，硅粉中高度分散二氧化硅組分又與水泥水化時釋放出來的氫氧化鈣晶體反應生成C - S- H 凝膠，使?jié){體均勻性更好，有利于形成不連通的毛細孔，使混凝土更加密實，因而在混凝土中僅參加8 %的硅粉就使混凝土的抗氯離子滲透能力得到大幅度的提高。
7 鹽水浸烘試驗（砂漿中鋼筋腐蝕快速試驗（海水） ）
7.1 試樣制備  7.2 試驗結(jié)果分析
試驗時，以試件浸3.5 %NaCl 溶液24h ，60 ℃烘6d 為一循環(huán)。按此循環(huán)不斷往復，經(jīng)過一定循環(huán)次數(shù)后，敲開砂漿試件觀察鋼筋銹況。同樣循環(huán)次數(shù)下鋼筋銹積率（銹蝕面積/ 鋼筋總面積） 及失重率（將腐蝕產(chǎn)物洗掉后鋼筋重量與鋼筋初始重量的比值） 越小，則說明砂漿中所使用的阻銹劑阻銹效果越好。表6 、表7 的試驗結(jié)果均為試件經(jīng)過12 次循環(huán)后測試而得。
7.2.1 兩次試驗結(jié)果表明，空白組的鋼筋經(jīng)過12 次循環(huán)發(fā)生了嚴重的腐蝕，超過50 %的鋼筋表面覆蓋了銹蝕層。
7.2.2 H1 組砂漿的試驗結(jié)果表明，在保持砂漿流動度不變（160mm ±5mm） 摻入兩種阻銹劑，經(jīng)過12 次循環(huán)后，鋼筋失重率均僅為空白組的1.22 %。摻入4 %的901 （H1 - 2） 鋼筋的銹蝕面積為0.38 % ，摻入2 %HLC - VIII （H1 - 3） 鋼筋的銹蝕面積為0.91 % ，僅為空白組的0.69 %和1.64 % ，說明摻入這兩種阻銹劑對鋼筋均有顯著的緩蝕效果。雖然H1 - 2 銹積率比H1 - 3 小，但在同樣的失重率下，H1 - 2 比H1 - 3 組鋼筋銹蝕深度要深。
7.2.3 H2 組砂漿的試驗結(jié)果表明，在保持水膠比不變、增加流動度的情況下，阻銹劑與硅粉聯(lián)合應用對鋼筋緩蝕效果顯著。摻加ESi 的H2 - 2、H2 - 4 組混凝土中鋼筋的銹積率與失重率差不多，比空白組分別減少了81.8 %和91.1 %以上。而摻加CSi 的H2 - 3 組混凝土對鋼筋緩蝕的效果更加明顯，其銹積率與失重率比空白組混凝土分別減少了91.4 %和99.4 %。
說明HLC - VIII 與CSi 聯(lián)合應用的效果最好。需要說明的是，若H2 組與H1 組一樣保持流動度不變而減小水膠比，聯(lián)合應用對鋼筋緩蝕的效果將更加顯著。
8 抗壓強度
8.1 試樣制備
混凝土配合比以現(xiàn)場的施工配合比為依據(jù)，根據(jù)混凝土坍落度的不同控制混凝土用水量。
8.2 試驗結(jié)果分析
從表8 試驗結(jié)果可以看出，混凝土中摻入阻銹劑后的7d、28d 強度均較空白混凝土（Q - 1） 有所上升，無論是普通混凝土或硅粉混凝土，摻入兩種阻銹劑后，混凝土的7d 強度較相近，而硅粉混凝土28d 強度有較大增長，說明兩類阻銹劑對混凝土力學性能無不利影響。
9 結(jié)論
?。?） 混凝土中鋼筋腐蝕的電化學試驗（新鮮砂漿陽極極化法） 表明砂漿中摻入阻銹劑后，鋼筋活化性能均有不同程度的減弱，對阻止鋼筋陽極反應的效果，摻入2 %HLC - VIII 阻銹效果最大，4 %901 次之，2.4 %901 最小。
?。?） 混凝土中鋼筋腐蝕的電化學試驗（硬化砂漿陽極極化法） 結(jié)果反映出HLC - VIII 阻銹劑阻止了氯離子破壞鈍化膜的作用，屬陽極抑制型阻銹劑。而901 阻銹劑則未能體現(xiàn)阻銹效果。
?。?） 摻加HLC - VIII 阻銹劑砂漿抗氯離子滲透能力可以提高22.5 % ，單摻901 阻銹劑會使砂漿抗氯離子滲透能力降低。硅粉與HLC - VIII 共摻后，砂漿抗氯離子滲透能力可以提高50 %以上。
?。?） 鹽水浸烘循環(huán)的試驗結(jié)果顯示出加入阻銹劑或阻銹劑與硅粉聯(lián)合應用對鋼筋的緩蝕作用顯著。HLC - VIII 的摻量比901 低且阻銹效果優(yōu)于901 。HLC - VIII 與CSi 聯(lián)合應用的緩蝕效果也優(yōu)于901 與ESi 聯(lián)合應用的效果。
?。?） 阻銹劑901 及HLC - VIII 的加入，對混凝土的強度無不利影響。
（6） HLC - VIII 的價格為901 的1/ 4 ，且摻量低。HLC -XI 硅粉劑的價格與西卡微硅粉的價格相近，且在使用時由于其減水作用而不需另用減水劑，可免去使用微硅粉還需另外購買減水劑的費用。因此，HLC - VIII 與HLC - XI 聯(lián)合應用與國外進口材料相比，可體現(xiàn)出其顯著的經(jīng)濟性。
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| 原作者： 祝燁然 李克亮 王 冬 溫金寶 盧安琪 王昌義 |
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