氯盐侵蚀下锈损钢筋混凝土试件阻锈修复效果试验研究*

王 玲 郭小华 惠云玲 于英俊

(中冶建筑研究总院有限公司，北京 100088)

0 引言

我国建筑结构一般设计基准期为50年，但是由于高温、潮湿、腐蚀等各种不利生产环境的影响，工业建筑及海滨建筑混凝土结构耐久性问题非常突出，大量在役混凝土结构钢筋锈蚀、混凝土劣化严重，使用寿命远小于设计使用年限，有些厂房使用10年左右即出现严重破坏现象，经常的维修使得有些建筑维修费用已超过了原始造价。

引起钢筋锈蚀的主要因素为混凝土中性化和氯离子，在一般大气环境中，混凝土碳化过程相对缓慢，在既有混凝土构件表面做一定的防护处理，可减缓混凝土中性化。但是当混凝土中氯离子含量超过一定限值，会在短短几年时间内使钢筋严重锈蚀引起混凝土破坏。氯离子侵入混凝土的途径有内掺型和外渗型。内掺型氯离子来源于钢筋混凝土成型时使用了含氯的原材料，如海砂、海水或含氯的外加剂及在含盐环境中搅拌、浇筑混凝土等。外渗型是指环境中的氯离子通过构件表面侵入到硬化的混凝土内部，并到达钢筋表面。如某汽车站自建成到投入使用已有5年，结构出现了不同程度的劣化和损伤，部分构件出现了较严重的钢筋锈蚀和混凝土开裂，通过调查检测发现，该建筑混凝土构件内的氯离子主要为渗入型，个别区域也有内掺的特点，如深圳“海盐门”事件，即为采用了未处理干净的海砂。

针对氯离子已经侵入混凝土芯部引起钢筋锈蚀的混凝土构件，“拆”还是“修”都很难解决。因为即使对钢筋周围侵入氯离子的混凝土进行剔凿更换，修复完后构件芯部混凝土中氯离子会再次迁移到钢筋表面，引起钢筋锈蚀。但是对于工业建筑，由于构件拆除再施工工期长，停产引起的经济损失远超过维护费用。

针对以上问题，本文的主要研究内容是结合在钢筋混凝土结构耐久性修复领域的已有研究成果，考虑不同技术的特点，将多种修复方法和技术相结合，对不同浓度氯离子含量混凝土试件进行修复。本次试验以1991年制成的掺入含量为3%、6%、9%和12%氯盐的锈损钢筋混凝土小试件和柱为研究对象，于2010年采用不同修复材料和技术设计修复方案对该批试件进行修复，用电化学法长期监测其修复效果。

1 原有试件评估分析

本次试验选用的7根小试件于1990年制作，分别掺入不同含量氯盐，试件制成后主要存放在室外，尺寸为 150 mm×150 mm×420 mm，钢筋长度为450 mm，试件的其他原始资料如表1所示。

表1 小试件原始资料Table 1 The original information of small specimens

本次选用钢筋混凝土柱试件于1991年11月浇筑制成，含盐量(CaCl2)占水泥用量6%、9%、12%，所有构件混凝土水灰比均为0.58，钢筋均为同批钢筋，每批构件均留有同期同条件养护试件(表2)。柱截面为矩形截面 b×h=160 mm×200 mm，长度为1 200 mm，对称配筋，两侧钢筋均为214，构件尺寸及配筋见图1。

表2 钢筋混凝土柱试件原始资料Table 2 The original information of reinforced concrete column specimens

钢筋是钢筋混凝土结构中的主要受力材料，钢筋截面损失率大小对结构的承载能力有很大影响，严重时甚至会引起结构破坏和性能的降低。在计算锈蚀钢筋的力学性能及对结构的影响时，用截面损失率来考虑更为合理。在结构试验分析中，可以直接通过对构件进行破型，取出钢筋，测量直径的变化，计算截面积损失率来进行分析。本次在修复试验前对各试件钢筋锈蚀后剩余截面进行测量，每根钢筋取5个测试点，并计算锈蚀后钢筋直径的平均值，得出钢筋截面的损失率，如图2所示。

图2 钢筋混凝土试件中钢筋截面面积损失率Fig.2 The loss rate of steel area in reinforced concrete specimens

通过破损方法对钢筋混凝土试件和钢筋混凝土柱钢筋截面面积损失率进行测试，得出以下结论：

1)通过v11与x11对比，在掺入同样含量氯盐情况下，采用普通硅酸盐水泥的混凝土试件的钢筋抗氯盐效果好。

2)通过k3与s32对比，在掺入同样含量氯盐情况下，掺入一定量的阻锈剂能限制延缓钢筋锈蚀。

3)通过 Z13、Z23、Z31、Z33 对比，随着氯离子含量增加1.5倍、2倍时，钢筋截面损失率增大到3～4倍。

2 试验设计

2.1 修复材料及方法选用

2.1.1 阻锈剂

本次选用的阻锈剂为内掺型钢筋阻锈剂，具有以下特点：1)与混凝土一起搅拌，自动向钢筋表面迁移;2)能将活性很强的氯离子从钢筋表面排挤出去后形成分子膜，对钢筋表面进行阴阳极同时保护;3)有效抵抗氯离子的侵蚀，即使在高氯离子环境中也同样有效。

2.1.2 修补砂浆

本次试验采用两种修补砂浆，一种是具有阻锈功能的修补砂浆A，另一种是普通修补砂浆B，下面对两种砂浆做详细介绍。

1)修补砂浆A是双组分纤维增强修补砂浆，它是由含有阻锈离子的水泥基粉剂和RMB水溶性无毒液体树脂构成。拌和后形成和易性良好的砂浆，可用镘刀或常规工具进行施工，还可用砂浆喷射机施工。砂浆硬化后产生很高的强度和黏结力，收缩小，防水性好，同时不影响混凝土的自由呼吸，具有接触性和迁移性阻锈的功能，防止钢筋锈蚀的发生，耐久性极好，从而提高了修补质量，延长了结构的使用寿命。

2)修补砂浆 B是由多种高分子聚合物、多种砂浆改性材料、抗裂纤维、高性能矿物与各种外加剂、合理级配高强砂及高性能水泥所组成的高强、高性能的聚合物砂浆。它既具有有机高分子聚合物的各种优良性能，又具有无机胶凝材料的优良本性。

2.1.3 钢筋保护剂

钢筋保护剂是一种双组分阻锈材料，拌和后形成独特的水泥灰浆料，其主要成分是：水硬性胶凝材料、渗透介质及高效钝化剂和迁移性阻锈剂。直接涂刷于钢筋表面，具有很高的钝化性，在钢筋表面形成保护屏障，有效阻止钢筋锈蚀的发生。

2.1.4 钢不锈保护系统

目前主要的阴极保护技术有牺牲阳极法和外加电流阴极保护法。本次试验采XP钢不锈保护系统是一种牺牲阳极的保护方法。“钢不锈”阳极包括锌阳极核心、一对熔铸在两端的钢导线和水泥基外壳。阳极被塑造成棋子状，直径约64 mm，厚约25 mm，两端的钢导线用来将阳极拴在钢筋上。“钢不锈”阳极有效半径范围为50～75 cm，使用年限10年以上，视环境条件和钢筋密度而变化。

2.2 试件修复设计及分组

为了较为全面地反映本次试验方法的准确性，对几种修复方案的修复效果进行比较，本次试验设计方案如表3所示。

表3 修复方案Table 3 Repair schemes

3 试验结果

混凝土中钢筋锈蚀是一个电化学过程，本次试验主要通过锈蚀电位变化状态反映钢筋锈蚀的程度，用电化学方法通过测定钢筋/混凝土锈蚀体系的电化学特性来确定混凝土中钢筋锈蚀程度。该方法具有测试速度快、灵敏度高、可连续跟踪和原位测量等优点。

本次检测分别于 2010、2014、2016、2017 年采用钢筋锈蚀仪对试件每根钢筋的锈蚀电位进行了测量，每个试件钢筋锈蚀电位变化趋势测量结果见图3—图 7。

图3 方案1未修复试件u12钢筋锈蚀电位变化趋势Fig.3 The corrosion potential trend of the unrepaired specimens

4 修复效果评估

通过外观检查、锈蚀电位测量评价修复效果，得出如下结论：

1)当氯离子含量超过6%，采用普通砂浆中掺入阻锈剂的方法无法阻止钢筋锈蚀，但可暂时延缓钢筋锈蚀，修复寿命在5年左右。

2)当氯离子含量达到12%，对已经锈蚀的钢筋进行除锈处理并在表面涂刷钢筋保护剂，再用具有阻锈性能的修复砂浆修复，修复效果良好，可达到完全阻锈的效果。

图4 采用修复方案2试件的钢筋锈蚀电位变化趋势Fig.4 The corrosion potential trend of the specimens in the repair scheme 2

图6 采用修复方案4试件的钢筋锈蚀电位变化趋势Fig.6 The corrosion potential trend of the specimens in the repair scheme 4

3)当氯离子含量达到3%，在钢筋上绑“牺牲阳极”再采用普通砂浆修复，在很长一段时间能起到阻锈的效果，但是当氯离子含量达到9%，采用该方法修复效果在5年左右，5年后钢筋继续锈蚀。

4)对于氯离子含量为3%左右的试件，采用普通砂浆修复能起到一定的修复效果，但是对于氯离子含量超过6%的试件，采用普通砂浆修复，5年左右后钢筋开始锈蚀，构件出现开裂的情况。

图7 采用修复方案5试件的钢筋锈蚀电位变化趋势Fig.7 The corrosion potential trend of the specimens in the repair scheme 5

5 结束语

通过对掺入不同浓度的氯盐采用不同的修复技术并进行长期暴露试验，得出如下结论：

1)对于受高浓度氯盐侵蚀的混凝土结构，且结构因钢筋锈蚀引起混凝土开裂，建议采用钢筋再钝化并采用高性能的修复砂浆修复至原截面，可延长结构使用寿命。不建议采用普通砂浆进行修复，使用几年后钢筋会再次锈蚀，引起结构破坏。

2)对于受较高浓度氯盐侵蚀的混凝土结构，建议在修复时剔凿钢筋周围受侵蚀的混凝土，更换为黏结性能好的修复砂浆。

3)采用“牺牲阳极”的修复技术，对于受低浓度侵蚀的混凝土结构，延长结构使用寿命较长;对于受高浓度侵蚀的混凝土结构，延长结构使用寿命5年左右，不建议采用该方法对受高浓度侵蚀的混凝土结构进行修复。

4)对于受较高浓度氯盐侵蚀的混凝土结构，采用在普通修复砂浆中掺入阻锈剂进行修复，不能起到长久的修复效果，不建议采用该方法进行修复。

总之，对受氯盐侵蚀的混凝土结构进行耐久性修复时，首先应对结构进行安全性和耐久性评估，根据评估结果采用对应的修复方法。如果构件劣化很严重引起构件承载力明显下降，建议采用更换构件的方法;如果构件承载力下降不明显，建议采用结构加固和修复相结合的方法。