鋼筋混凝土結構的腐蝕狀態與修補材料選擇分析

蘇加強，田 甜，胡優耀

（1.云南省公路科學技術研究院，云南 昆明 650051；2.湖南固特邦土木技術發展有限公司，湖南 長沙 410205；3.上海市房屋建筑設計院有限公司，上海 200062）

混凝土中鋼筋銹蝕通常是一個電化學過程。當濕度合適、有氧氣存在以及水溶液中含有高于0.4%水泥質量的氯離子時，腐蝕就會加速[1]。氯離子極易誘發鋼筋腐蝕，需對鋼筋結構進行局部修補，由于修補材料與原結構材料的抗滲性、溶解氧濃度和氯離子含量等的差異，鋼筋間腐蝕電位差導致了界面腐蝕電流的加劇，這是引起結構局部修補電化學不相容的根本原因[2，3]。

對于鋼筋腐蝕引起的混凝土破壞，修補方式一般是清除破壞處混凝土，將銹蝕鋼筋打磨干凈或替換生銹嚴重的鋼筋，再用優質混凝土、砂漿或聚合物砂漿修補。然而，實際工程調查發現，完成局部修補的鋼筋混凝土結構，修補區域的周圍原混凝土內部往往會產生新的銹蝕或銹蝕加劇[4]。

修補工程中，修補材料多種多樣，不同材料與基體混凝土的電化學相容性差異直接影響到修復結構的耐久性。為此，有必要研究不同腐蝕狀態下不同材料性能差異對修補結構鋼筋銹蝕的影響，為修補工程材料的選擇提供借鑒。

1 修補實驗

1.1 實驗方案

為了研究材料抗滲性、電阻率等的差異對鋼筋銹蝕的影響，考查了3種腐蝕狀態、3種不同修補材料，共9組試件的試驗方案，試件編號如表1所示，材料配合比如表2所示。采用質量損失法測量鋼筋的質量損失率及腐蝕速率。

表1 鋼筋混凝土局部修補試件列表Tab.1 A list of specimens for local repairing of reinforced concrete

表2 材料的配合比Tab.2 List of material mixing ratio

1.2 實驗步驟

（1）截取120 mm的Ф8鋼筋若干段，鋼筋表面打磨干凈后，對鋼筋編號并稱重。然后在中間段留80 mm空白處，其余地方涂上環氧樹脂密封。

（ 2）澆 注 1組 100 mm×100 mm×100 mm的混凝土試件，預埋處理好的鋼筋，鋼筋2端分別留出10 mm（下同）；澆注9組100 mm×100 mm×50 mm混凝土試件，插入處理的鋼筋，標準養護21 d后，打磨頂面，在其上面分別澆注環氧砂漿、聚合物改性水泥砂漿和普通水泥砂漿。再分別按標準養護7 d。

（3）為了加速鋼筋的腐蝕，將A、B、C組試件放在真空干燥箱中干燥24 h，然后將整個試件浸泡在水中72 h為一個循環。

（4）放置180 d后將試件破碎，取出鋼筋將表面的鐵銹打磨干凈后稱量，計算鋼筋的失重率。

1.3 腐蝕速率計算方法

式（1）為腐蝕速率計算公式。

式中：K—常數；T—試驗周期（h）；Δm—腐蝕試驗中鋼筋的質量損失（g）；D—試驗材料的密度（g/cm3）；A—鋼筋的腐蝕面積（m2）。

2 結果與分析

試件中鋼筋腐蝕前后的質量及質量損失率如表3和圖1、圖2所示。

表3 鋼筋腐蝕前后的質量及質量損失率Tab.3 Mass before corrosion and mass loss rate after corrosion

圖1 鋼筋腐蝕質量損失率Fig.1 Mass loss rate of reinforcement corrosion

圖2 鋼筋腐蝕速率Fig.2 Corrosion rate of reinforcement

在狀態1條件下，所有的試件均未發生明顯腐蝕現象；而狀態2中所有試件中的鋼筋均發生腐蝕，B1與B2中基體混凝土與修補材料包裹部分均能看到腐蝕，尤其在基體混凝土中腐蝕更甚。鋼筋銹蝕總量B2相對最大，B1次之，B3內的鋼筋僅在混凝土基體包裹部分發生了腐蝕而在環氧砂漿包裹部分并未發現明顯的腐蝕點（見圖3）。狀態3中觀察到的現象與狀態2基本一致（見圖4）。

圖3 B3組試件鋼筋銹蝕Fig.3 Corrosion state of steel bar specimen in B3 group

圖4 C1組試件鋼筋銹蝕Fig.4 Corrosion state of steel bar specimen in C1 group

根據鋼筋腐蝕理論[5，6]，鋼筋銹蝕的總電流是包括微觀腐蝕和修補材料與混凝土之間抗滲性不同引起的宏觀腐蝕。丁苯改性水泥砂漿與混凝土的抗滲性較普通水泥砂漿差異更大，宏觀腐蝕相對嚴重，總體表現的腐蝕也更甚。但本試驗用聚合物改性砂漿的聚灰比僅為5%，未能將其自身抗滲性與普通水泥砂漿明顯區分開，外界的氧氣、水侵入后，2種修補材區域和基體混凝土區的氧氣濃度差異并不大，而且不同組試件中氯離子的濃度相同，濃度差異也很小，最終電位差相差當然也很小，所以沒能看到明顯的加速腐蝕現象。B3、C3中鋼筋腐蝕程度相對最小，雖然環氧砂漿的抗滲性遠遠超過基體混凝土，但其不導電、不透氣以及腐蝕性介質（水、氧氣、氯離子等）無法到達鋼筋表面，對鋼筋不產生化學作用，故修補區內的鋼筋實際處于絕緣狀態，即使產生宏觀腐蝕電位，由于環氧砂漿電阻極大，離子回路內的腐蝕電流也會很小，故鋼筋的腐蝕速率將較大程度地放緩。

對比狀態2和狀態3的試驗結果可以發現，狀態2修補區未摻入氯化鈉鹽，鋼筋的微觀腐蝕應該比狀態3小，但2種狀態鋼筋的總腐蝕程度接近，分析其原因可能是因為狀態2的修補材料和基體內的氧濃度不同，而且氯離子濃度差異較大，導致的宏觀腐蝕亦較大，最終結果是狀態2和狀態3鋼筋的總腐蝕量差異不明顯。

3 工程實例

栗樹橋位于云南省保山市騰沖螞黑線（S310）K142+994處，橋面總寬9.00 m，車行道寬7.00 m，上部結構為8 m×20 m的預應力混凝土空心板。該橋于2008年建成通車，2016年改造加固前橋梁空心板已存在順筋裂縫，腐蝕鋼筋的浮銹斑擴散到周圍混凝土，混凝土也出現銹附著，但鋼筋整體未見明顯腐蝕缺損（見圖5）。通過分析，現場鑿除了破損及裂縫周邊的混凝土至露出鋼筋（見圖6），鋼筋用電動鋼絲刷除銹至鐵白，再在嚴格質量控制條件下用環氧砂漿進行修復。經過720 d的觀察，基體老混凝土與修補區域混凝土均較為完好，未發現任何二次腐蝕破壞跡象（見圖7、8）。

圖5 鋼筋銹斑擴散Fig.5 Diffusion of rust spots of steel bar

圖6 鑿除破損混凝土Fig.6 Image after chiseling damaged concrete

圖7 局部修補Fig.7 Local repairing

圖8 板底修補Fig.8 Plate bottom repairing

4 結論

（1）對于局部修補的鋼筋混凝土結構，修補材料和基體混凝土的抗滲性不同，會使得修補區和基體混凝土內氧濃度、氯離子含量不同，造成在修補區和基體混凝土區域內的鋼筋產生宏觀腐蝕電位，從而產生宏觀腐蝕電流，加速腐蝕。

（2）雖然修補區和基體混凝土區的鋼筋應該也存在腐蝕電位差，但修補區與基體區若沒有氯離子侵蝕，鋼筋一直處于鈍化狀態，存在的腐蝕電位也不一定有明顯的腐蝕現象出現。

（3）氯離子誘發的鋼筋混凝土銹蝕的局部修補中，必須將達到臨界值的氯離子濃度區域完全清除，否則修補區周圍鋼筋還會繼續腐蝕，而且腐蝕速率可能會增加。

（4）雖然在處理氯離子誘發的鋼筋混凝土銹蝕局部修補中，應選擇滲透性相近的修補材料以盡量減少宏觀腐蝕電位，但環氧砂漿因其良好的致密性和電絕緣性，仍然使得修補后鋼筋總腐蝕速率相對最小。

（5）通過高速公路橋梁養護維修的施工實例，驗證了環氧材料適用于混凝土結構漏筋的修補。

[1]蔣正武,龍廣城,孫振平.混凝土修補原理、技術與材料[M].北京:化學工業出版社,2008.

[2]姬永升,袁迎曙,丁北斗.鋼筋混凝土結構局部修補電化學不相容試驗研究[J].混凝土,2004,6:3-6.

[3]Gu P,Beaudion J J,Tumidajski P J,et al.Electrochemical incompatibility of patches in reinforced concrete[J].Concrete international,1997,19(8):68-72.

[4]洪定海.鹽污染混凝土結構鋼筋腐蝕破壞的局部修復[J].建筑材料學報,1998,1(2):164-169.

[5]龔敏,余祖孝,陳琳.金屬腐蝕理論及腐蝕控制[M].北京:化學工業出版社,2009,1.

[6]張偉平,王曉剛,顧祥林.加速銹蝕與自然銹蝕鋼筋混凝土梁受力性能比較分析[J].東南大學學報,2006,36(2):140-144.