港工腐蝕鋼筋混凝土結構修復技術研究

徐傳軍

(連云港陽光海灣置業發展有限公司，江蘇連云港 222001)

1 港工結構鋼筋腐蝕現狀

在美國，港工結構最普遍的耐久性破壞形式是混凝土中的鋼筋腐蝕，每年總損失高達60億美元。在英國，根據運輸部門1989年的報告:為解決海洋環境下鋼筋混凝土結構腐蝕與防護問題，每年花費近20億英鎊。阿拉伯海灣地區由于高溫(20℃～50℃)高濕(60%～100%)，大氣中混凝土拌合物骨料和水中氯化物含量高，使得混凝土中鋼筋腐蝕特別嚴重，混凝土結構的平均使用壽命僅約10年～15年。調查表明:鋼筋腐蝕是科威特及其他海灣國家混凝土結構破壞的主要原因。我國交通部等有關單位分別于1963年，1965年，1980年，1996年，針對沿海港口工程混凝土結構破壞狀況組織過四次調查，調查結果指出:80%以上都發生了嚴重或較嚴重的鋼筋腐蝕破壞，有的結構僅5年～10年就出現了鋼筋腐蝕。南京水科院對1980年建成的寧波北侖港10萬t級礦石碼頭進行了調查，發現該碼頭使用不到10年，其上部結構就發生了嚴重的鋼筋腐蝕。天津港客運碼頭1979年建成，使用不到10年，就發現前承臺板有50%左右出現鋼筋腐蝕。天津新港從1958年～1985年共建25個碼頭泊位，岸線長達6 000 m，其結構均為高樁承臺式，使用時間長的有30多年，短的只有5年～6年，在使用過程中不斷發現梁、板、樁等構件有不同程度的損壞，影響碼頭的正常使用。1996年，交通部四航局科研所對1986年后建成的華南地區的C港和E港的20個泊位進行了調查，發現E港大部分縱、橫鋼筋的腐蝕年限均不足10年和5年，在碼頭建成5年～6年后即發現大量腐蝕裂縫。青島理工大學2000年對青島海港工程的耐久性調查表明:氯離子滲入引發鋼筋腐蝕是導致混凝土結構破壞的主要原因。連云港雜貨一、二碼頭1976年建成，1980年就發現腐蝕裂縫。2001年河海大學對連云港西大堤鋼筋混凝土護欄工程進行現場調查，該工程雖運行不足四年，但已出現嚴重鋼筋腐蝕、保護層開裂、混凝土剝落和鋼筋銹斷情況。江蘇省水科所對華東84座沿海混凝土擋潮閘進行了調查，鋼筋腐蝕嚴重需要維修或大修的為71座，其中有些擋潮閘胸墻、啟閉機工作橋大梁鋼筋已經銹斷。

2 港工結構鋼筋腐蝕特點

1)由于港工混凝土結構是處于流動水作用的條件下工作，特別是海水或海洋氣候環境，使得港工混凝土結構的工作環境要比其他建筑物(如工業與民用建筑物)更為復雜和嚴酷，鋼筋腐蝕問題更為突出。2)港工混凝土多為大體積混凝土，水化熱溫升導致溫度裂縫問題比較突出。這些裂縫為氯離子滲透提供快速通道，使得混凝土中鋼筋腐蝕速度加快，鋼筋腐蝕膨脹又促進混凝土裂縫擴展，最終導致混凝土剝落，鋼筋有效截面積減小。3)東南沿海港工混凝土結構凍融作用不是混凝土破壞的主要原因。碳化進展緩慢，相對濕度較高，不利于碳化。綜上所述，從國內外對港口工程調查研究結果來看，混凝土中鋼筋腐蝕導致混凝土結構的過早破壞，是當今影響港口工程混凝土結構耐久性的首要原因，鋼筋腐蝕已經給國民經濟帶來巨大經濟損失。這個局面要求我們盡快大力加強已有港口工程結構鋼筋腐蝕維修技術的研究。

3 國內外研究現狀分析與評價

目前，對腐蝕鋼筋混凝土結構修復的方法主要有挖補法和補強加固法。挖補法即將受損的混凝土保護層清除，對新生面進行必要的處理后，采用修補砂漿進行修補。補強加固法一般是采用高性能合成材料或鋼筋等材料對構件進行補強加固。

O.Rio等［1］分別對受壓區和受拉區鋼筋腐蝕，并同時考慮配筋率、鋼筋與混凝土的粘結性能以及箍筋的損失，對修復后構件彎曲性能的影響進行了研究，發現受拉區鋼筋配筋率對梁的延性影響很大，箍筋的損失對構件修復后的使用極限荷載影響不大。S.U.Al-Dulaijan等［2］對除銹方式、修補材料以及腐蝕率對腐蝕鋼筋混凝土梁修補后二次腐蝕和抗彎強度的影響進行了試驗研究。結果表明:不同的除銹方式對梁的抗彎承載力沒有顯著的影響，不同的修復砂漿對梁的抗彎強度也影響不大，而聚合物砂漿和拋丸除銹則能更好地抑制繼續腐蝕速度。P.R.Vassie［3］研究了鋼筋表面處理方式對修復后腐蝕的影響，對鋼筋表面局部腐蝕、全面腐蝕以及坑銹三種情況，分別用鋼絲刷除銹、電動刷除銹、拋丸除銹。結果表明，鋼絲刷除銹、電動刷除銹對鋼筋腐蝕沒有效果，拋丸對坑銹的處理有良好的效果。修復后構件鋼筋表面的清潔程度對其耐久性影響很大。影響腐蝕鋼筋混凝土梁修復效果的因素很多，包括:鋼筋腐蝕率、配筋率、修復材料、銹的類型以及鋼筋的除銹方式。但總體來說，挖補修復是可行的。而Farid Moradi-Marani等［4］在研究碼頭鋼筋混凝土結構的腐蝕和修復時，發現修復區的鋼筋未發生腐蝕，而修復區和未修復區邊界的鋼筋發生了腐蝕和收縮裂縫，修復區和未修復區具有明顯的不相容性。南京水利科學院的洪定海教授［5］在總結國外挖補法用于腐蝕鋼筋混凝土構件修復試驗以及工程應用時提到了同樣的問題，指出進行局部修補不能阻止鋼筋繼續腐蝕，必須將受氯鹽污染的混凝土全部去除。而中國礦業大學的姬永升等［6］對腐蝕鋼筋混凝土結構局部修復的電化學不相容性研究表明，修補區和原混凝土區的電位差是引起電化學不相容的根本原因，而采用環氧樹脂膠泥則可以切斷離子通道，是消除結構局部修復引起的電化學不相容的有效辦法。由此可知，如果修復材料的密實性足夠好，挖補修復是可行的。

在腐蝕鋼筋混凝土梁加固方面，A.H.Al-Saidy等［7］通過試驗研究了不同腐蝕率下鋼筋混凝土梁用CFRP材料加固后的彎曲性能。結果表明，加固梁的承載力有了很大提高，是否修復保護層或使用U型CFRP對加固腐蝕鋼筋混凝土梁正截面承載力以及延性的影響很大，但文中并未對加固后耐久性問題進行研究。Sobhy Masoud［8］對CFRP加固后構件的耐久性問題進行了研究，得出了CFRP加固后梁鋼筋腐蝕速度比未加固梁腐蝕速度小的結論，說明CFRP能夠在一定程度上減小鋼筋腐蝕速度。Rania Al-Hammoud［9］則研究了腐蝕鋼筋混凝土梁用CFRP材料加固后的疲勞性能。試驗結果表明，在錨固區用U型加固方法使梁的承載力大大提高。胡若鄰［10］通過試驗研究了不同層數的CFRP加固腐蝕鋼筋混凝土梁的效果，發現在發生較嚴重腐蝕時，多層CFRP的加固效果要優于單層CFRP的加固效果。但文中沒有研究相應腐蝕率下最經濟層數。

Alfarabi Sharifa等［11］在研究卸載和不卸載對軸心荷載下腐蝕鋼筋混凝土柱修復效果時，發現卸載后修復的鋼筋混凝土柱在重新承受荷載時，修復區和原混凝土區的荷載是通過材料的彈性模量和面積進行分配的，而未卸載的情況下，其荷載的分配只在有新荷載增加的情況下才進行分配，并且新荷載按材料的彈性模量和面積進行分配。S.Soleimania［12］通過數值模擬技術模擬了用挖補法修補鋼筋混凝土構件后其腐蝕情況，并對照了Barkey’s的試驗結果。模擬結果和試驗結果相一致:在修補界面附近2 cm～5 cm的原混凝土區域產生萌生陽極，陽極的電流密度有明顯的峰值，且其大小接近于修補前的電流密度。原混凝土的電阻和修補材料的電阻是影響萌生陽極的重要因素。而修復的尺寸和保護層大小并不影響萌生陽極的性質。因此，在修補時應盡量將受氯離子污染的混凝土全部清除，修補材料宜與原混凝土電阻相當，以保證其相容性。考慮到柱作為最主要的承重構件，保證承載力是第一要位的，所以專家學者將研究的重點放在了加固上。Al-Ain［13］通過試驗和理論分析研究了腐蝕鋼筋混凝土柱用CFRP進行加固后在壓彎組合作用下的力學性能。試驗發現，完全包裹CFRP加固方法使得柱的偏心率在0.3時，其承載力相對于控制柱最大可提高40%，并且隨著偏心距的增大，提高幅度越小。偏心率為0.3時，部分包裹CFRP柱比完全包裹CFRP柱的承載力小8%，但是承載力提高幅度隨著偏心率的變化并無明顯的變化。C.Lee［14］同樣研究了腐蝕鋼筋混凝土柱用CFRP加固后的承載力性能，同時又對加固后的耐久性做了研究，在二次腐蝕中，通過對腐蝕電位和電流的測量發現在二次腐蝕，FRP修復梁要比未修復梁腐蝕速度小50%。但是，并未對二次腐蝕后柱的承載力進行研究。S.P.Tastani［15］對不規則(菱形)腐蝕柱在修復后，并二次腐蝕后的性能進行了研究。試驗采用三種修復方法:挖補法、FRP加固、兩種方法綜合使用。試驗結果表明，方案三能夠有效地防止構件內鋼筋繼續腐蝕，各個方案都使得構件的承載力和變形能力有很大的改善，用CFRP加固的柱破壞為脆性破壞，其峰值應變和極限應變相差不大，并且均小于普通鋼筋混凝土柱用CFRP加固后的應變。CFRP的加固效果要優于GFRP，因為其加固后延性較好。Han-Seung Lee［16］在研究鋼筋混凝土柱用碳纖維布加固后抗剪性能時發現，用碳纖維布加固腐蝕柱能提高腐蝕柱的延性，限制粘結滑移裂縫的產生，阻止剪切裂縫的發展。鄧宗才［17］研究了碳纖維復合材料用于腐蝕鋼筋混凝土構件修復時的粘結性能和防腐蝕能力。試驗結果表明，碳纖維復合材料修復腐蝕鋼筋混凝土柱能有效阻止構件內部鋼筋繼續腐蝕，并且能夠改善鋼筋與混凝土之間的粘結性能，其阻銹能力優于聚合物砂漿和硅烷。

相對于梁和柱，在腐蝕鋼筋混凝土板的修復和加固研究方面就顯得較少。H.Tatematsua［18］介紹了鹽吸附劑(阻銹劑的一種)在板挖補修復中的應用，修復后在長期(7年)的暴露之后，通過半電池電位法測得修復區域與未修復區域的電位，發現這種材料在防腐蝕方面具有良好的效果，并且應用到了地鐵結構中。意大利學者Luca Pelà［19］研究了腐蝕鋼筋混凝土板在綜合應用挖補法和補強加固法進行修復后的性能。研究結果表明，這種綜合的修復方法能夠明顯提高板的極限承載力。從板的破壞模式來看，修復效果很大程度上取決于修復砂漿的性質，具有良好粘結性能的修復砂漿是修復材料的首選。由于板的混凝土保護層相對于梁柱較小，鋼筋更容易發生腐蝕，因此對板的修復加固必須得到重視。

4 修復技術存在問題與研究展望

到目前為止國內外對腐蝕鋼筋混凝土構件修復進行了較多的研究，取得了許多研究成果。但是，對不同腐蝕率下鋼筋混凝土構件修復設計方法以及修復后耐久性能及其評價方法研究很少。工程應用中缺乏理論依據，甚至存在“壞了修、修了壞”的現象。

因此，今后應重點研究不同腐蝕率下的鋼筋混凝土構件修復加固后承載力、變形性能和耐久性能，提出腐蝕鋼筋混凝土構件修復加固設計與施工技術指南，為港口工程腐蝕鋼筋混凝土結構維修提供理論依據。具體包括:對腐蝕鋼筋混凝土構件修復材料選擇進行了研究，試驗研究所選修復材料與舊混凝土之間的粘結性能;對腐蝕鋼筋混凝土梁修復前抗彎力學性能進行試驗研究，分析縱向鋼筋腐蝕率對梁抗彎承載力、變形等力學性能的影響;對采用普通砂漿和環氧砂漿修復后的腐蝕鋼筋混凝土梁抗彎力學性能進行了試驗研究，分析了不同鋼筋腐蝕率下的修復效果以及不同修復方式對梁力學性能的影響;對采用普通砂漿修復后的腐蝕鋼筋混凝土梁進行了干濕交替的耐久性試驗研究，分析了普通砂漿修復后的腐蝕鋼筋混凝土梁電位、電阻率的變化;對腐蝕鋼筋混凝土梁FRP加固前后力學性能進行了試驗研究，分析鋼筋腐蝕率對結構承載力、變形等力學性能的影響。對港工腐蝕鋼筋混凝土結構修復和加固設計方法進行了研究，制定相應的設計與施工技術指南。

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