阻銹劑及硅粉、阻銹劑聯(lián)合應(yīng)用對(duì)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(duì)我國(guó)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(wèn)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(hù)層剝落等現(xiàn)象，不得不提前大修，港口工程耐久年限遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)的使用壽命。為此，海港工程建設(shè)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(hù)。對(duì)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(dāng)鋼筋周?chē)炷烈合嘀?，氯離子濃度達(dá)到某一臨界值時(shí)，鋼筋鈍化膜就會(huì)破壞。南京水科院從20 世紀(jì)80 年代起，到90 年代“九五”攻關(guān)，開(kāi)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(xì)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(shí)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(xué)過(guò)程，可提高混凝土護(hù)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(zhǎng)壽命，是提高海工建筑物耐久性的另一重要措施。
根據(jù)設(shè)計(jì)，某海軍碼頭采用進(jìn)口埃肯EM920 等級(jí)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(guó)內(nèi)同類(lèi)產(chǎn)品比較而言，工程擬采用的混凝土外加劑價(jià)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(diǎn)，且價(jià)格便宜。為了降低工程成本，在滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)對(duì)混凝土抗鋼筋銹蝕方面要求的前提下，作者對(duì)進(jìn)口的埃肯EM920 等級(jí)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(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，為國(guó)產(chǎn)材料取代進(jìn)口材料提供試驗(yàn)依據(jù)。
2 防腐試驗(yàn)設(shè)計(jì)
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(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（J TJ270 - 1998） ，為比較出國(guó)內(nèi)外阻銹劑與硅粉的聯(lián)合阻銹效果，設(shè)計(jì)防腐試驗(yàn)項(xiàng)目如下：
?。?） 在摻有水泥用量0.4 %氯化鈉的砂漿中，摻加不同阻銹劑，測(cè)定鋼筋在砂漿拌合物中的陽(yáng)極極化曲線(xiàn)，判斷阻銹劑對(duì)鋼筋陽(yáng)極極化過(guò)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(qiáng)腐蝕環(huán)境中，摻加不同阻銹劑，進(jìn)行硬化砂漿陽(yáng)極極化試驗(yàn)。在適當(dāng)加溫條件下加速鋼筋銹蝕，測(cè)定鋼筋電化學(xué)腐蝕陽(yáng)極過(guò)程的極化強(qiáng)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。
?。?） 電化學(xué)快速測(cè)定氯離子滲透試驗(yàn)，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(yàn)槽之間。用1000Hz 交流電，測(cè)定試件電導(dǎo)和相對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)，來(lái)評(píng)定試件抗氯離子滲透能力。
?。?） 鹽水浸烘試驗(yàn)?zāi)M海工浪濺區(qū)和水位變動(dòng)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(dāng)提高溫度的方法加快腐蝕，能夠反映混凝土密實(shí)性、通氧、通水條件、氯離子滲透、外加劑等因素對(duì)鋼筋腐蝕的綜合作用。可以檢驗(yàn)出不同外加劑及硅粉，在有氯離子環(huán)境下，對(duì)鋼筋腐蝕的影響。為縮短試驗(yàn)周期，作者采用了砂漿試件。
?。?） 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(qiáng)度。
3 試驗(yàn)原材料
3.1 水泥 南京天寶山P·O42.5 級(jí)。
3.2 砂 細(xì)度模數(shù)為2.58 的河砂。成型砂漿試件時(shí)，將砂過(guò)215mm 篩后使用。
3.3 石 5mm～31.5mm 連續(xù)級(jí)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(mǎn)足規(guī)范要求的各種化學(xué)試劑。
4 混凝土中鋼筋腐蝕的電化學(xué)試驗(yàn)（新鮮砂漿陽(yáng)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(yàn)結(jié)果分析
由結(jié)果（圖1） 可見(jiàn)，無(wú)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(shí)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(yán)重破壞，處于活化狀態(tài)。但各組活化強(qiáng)弱不同。根據(jù)規(guī)范，各組鋼筋的活化強(qiáng)弱可由V2 值來(lái)衡量，V2 值越低，活化越強(qiáng)。由表1 可見(jiàn)，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(dòng)，表明鋼筋在阻銹劑作用下通電初期均有不同程度陽(yáng)極極化。陽(yáng)極極化強(qiáng)弱，顯示了它們不同的阻銹效果。從V2 值大小來(lái)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(xué)試驗(yàn)（硬化砂漿陽(yáng)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(yàn)結(jié)果分析
規(guī)范規(guī)定電極通電后，15min 電極電位比2min 時(shí)電極電位的下降值不超過(guò)50mV（V2 - V15 ≯50mV） ，則認(rèn)為此電極是鈍化電極。否則則認(rèn)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(yàn)結(jié)果可見(jiàn)：
（1） 空白砂漿試件J - 1 ，V2 - V15為3mV ，未超過(guò)50mV ，說(shuō)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(shuō)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(jìn)了鋼筋腐蝕。
?。?）J - 3 、J - 4 為摻入1.8 %氯化鈉的同時(shí)， 分別摻加2.4 %及4 %901 阻銹劑的砂漿試件，V2 - V15均大于50mV ，說(shuō)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(duì)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(shí)，摻加2 %HLC - VIII 阻銹劑的砂漿，V2 - V15 < 50mV ，說(shuō)明電極仍然處于鈍化的狀態(tài)，HLC - VIII 阻銹劑是陽(yáng)極抑制型阻銹劑。
6 砂漿抗氯離子滲透快速試驗(yàn)
6.1 試樣制備
6.2 試驗(yàn)結(jié)果分析
本試驗(yàn)由試件的電導(dǎo)值和相對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)，來(lái)比較試件抗氯離子滲透性能，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2 。試件電導(dǎo)值及相對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)越大，說(shuō)明透過(guò)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(duì)砂漿抗氯離子滲透能力有大幅度的提高。
（1） 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(shí)釋放出來(lái)的氫氧化鈣晶體反應(yīng)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(xì)孔，使混凝土更加密實(shí)，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(yàn)（砂漿中鋼筋腐蝕快速試驗(yàn)（海水） ）
7.1 試樣制備  7.2 試驗(yàn)結(jié)果分析
試驗(yàn)時(shí)，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(fù)，經(jīng)過(guò)一定循環(huán)次數(shù)后，敲開(kāi)砂漿試件觀(guān)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(shuō)明砂漿中所使用的阻銹劑阻銹效果越好。表6 、表7 的試驗(yàn)結(jié)果均為試件經(jīng)過(guò)12 次循環(huán)后測(cè)試而得。
7.2.1 兩次試驗(yàn)結(jié)果表明，空白組的鋼筋經(jīng)過(guò)12 次循環(huán)發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕，超過(guò)50 %的鋼筋表面覆蓋了銹蝕層。
7.2.2 H1 組砂漿的試驗(yàn)結(jié)果表明，在保持砂漿流動(dòng)度不變（160mm ±5mm） 摻入兩種阻銹劑，經(jīng)過(guò)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(shuō)明摻入這兩種阻銹劑對(duì)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(yàn)結(jié)果表明，在保持水膠比不變、增加流動(dòng)度的情況下，阻銹劑與硅粉聯(lián)合應(yīng)用對(duì)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(duì)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(shuō)明HLC - VIII 與CSi 聯(lián)合應(yīng)用的效果最好。需要說(shuō)明的是，若H2 組與H1 組一樣保持流動(dòng)度不變而減小水膠比，聯(lián)合應(yīng)用對(duì)鋼筋緩蝕的效果將更加顯著。
8 抗壓強(qiáng)度
8.1 試樣制備
混凝土配合比以現(xiàn)場(chǎng)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(yàn)結(jié)果分析
從表8 試驗(yàn)結(jié)果可以看出，混凝土中摻入阻銹劑后的7d、28d 強(qiáng)度均較空白混凝土（Q - 1） 有所上升，無(wú)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(qiáng)度較相近，而硅粉混凝土28d 強(qiáng)度有較大增長(zhǎng)，說(shuō)明兩類(lèi)阻銹劑對(duì)混凝土力學(xué)性能無(wú)不利影響。
9 結(jié)論
?。?） 混凝土中鋼筋腐蝕的電化學(xué)試驗(yàn)（新鮮砂漿陽(yáng)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(duì)阻止鋼筋陽(yáng)極反應(yīng)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(xué)試驗(yàn)（硬化砂漿陽(yáng)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(yáng)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(huì)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。
（4） 鹽水浸烘循環(huán)的試驗(yàn)結(jié)果顯示出加入阻銹劑或阻銹劑與硅粉聯(lián)合應(yīng)用對(duì)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(yīng)用的緩蝕效果也優(yōu)于901 與ESi 聯(lián)合應(yīng)用的效果。
?。?） 阻銹劑901 及HLC - VIII 的加入，對(duì)混凝土的強(qiáng)度無(wú)不利影響。
?。?） HLC - VIII 的價(jià)格為901 的1/ 4 ，且摻量低。HLC -XI 硅粉劑的價(jià)格與西卡微硅粉的價(jià)格相近，且在使用時(shí)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(gòu)買(mǎi)減水劑的費(fèi)用。因此，HLC - VIII 與HLC - XI 聯(lián)合應(yīng)用與國(guó)外進(jìn)口材料相比，可體現(xiàn)出其顯著的經(jīng)濟(jì)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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