阻銹劑及硅粉、阻銹劑聯(lián)合應(yīng)用對防止鋼筋銹蝕效果的研究

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(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?！　”娝苤?，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)鋼筋周圍混凝土液相中，氯離子濃度達(dá)到某一臨界值時(shí)，鋼筋鈍化膜就會破壞。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?？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(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，在滿足工程設(shè)計(jì)對混凝土抗鋼筋銹蝕方面要求的前提下，作者對進(jìn)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(jìn)行了對比試驗(yàn)，為國產(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》及《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》，為比較出國內(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(qiáng)腐蝕環(huán)境中，摻加不同阻銹劑，進(jìn)行硬化砂漿陽極極化試驗(yàn)。在適當(dāng)加溫條件下加速鋼筋銹蝕，測定鋼筋電化學(xué)腐蝕陽極過程的極化強(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，測定試件電導(dǎo)和相對氯離子擴(kuò)散系數(shù)，來評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)和水位變動區(qū)混凝土中鋼筋的腐蝕環(huán)境，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。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 　埃肯微硅粉920D3.5.2 　HLC - XI 硅粉劑3.6 　其他　滿足規(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)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(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 值來衡量，V2 值越低，活化越強(qiáng)。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(qiáng)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(xué)試驗(yàn)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?！　　　　　∮杀? 的試驗(yàn)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(jìn)了鋼筋腐蝕?！　 - 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?！　 - 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(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)值和相對氯離子擴(kuò)散系數(shù)，來比較試件抗氯離子滲透性能，試驗(yàn)結(jié)果見圖2 。試件電導(dǎo)值及相對氯離子擴(kuò)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 阻銹劑砂漿試件比空白砂漿試件的抗氯離子的能力降低14.6 % ，而摻加HLC - VIII 阻銹劑的砂漿試件比空白砂漿試件的抗氯離子能力提高22.5 %?！　?.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?砂漿試件比空白砂漿試件的抗氯離子的能力提高9.8 % ，比單摻901阻銹劑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 硅粉劑與摻加HLC - VIII 阻銹劑+ 埃肯微硅粉的砂漿試件抗氯離子滲透能力的提高幅度差不多，均比空白砂漿試件提高50 %以上?！　?.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) ）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)下鋼筋銹積率及失重率越小，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(yàn)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(yàn)結(jié)果表明，空白組的鋼筋經(jīng)過12 次循環(huán)發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕，超過50 %的鋼筋表面覆蓋了銹蝕層?！　?.2.2 　H1 組砂漿的試驗(yàn)結(jié)果表明，在保持砂漿流動度不變摻入兩種阻銹劑，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 鋼筋的銹蝕面積為0.38 % ，摻入2 %HLC - VIII 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?！　?.2.3 　H2 組砂漿的試驗(yàn)結(jié)果表明，在保持水膠比不變、增加流動度的情況下，阻銹劑與硅粉聯(lián)合應(yīng)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 %?！　≌f明HLC - VIII 與CSi 聯(lián)合應(yīng)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(yīng)用對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(qiáng)度較相近，而硅粉混凝土28d 強(qiáng)度有較大增長，說明兩類阻銹劑對混凝土力學(xué)性能無不利影響。9 　結(jié)論　　混凝土中鋼筋腐蝕的電化學(xué)試驗(yàn) 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(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) 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(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，對混凝土的強(qiáng)度無不利影響?！　?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買減水劑的費(fèi)用。因此，HLC - VIII 與HLC - XI 聯(lián)合應(yīng)用與國外進(jìn)口材料相比，可體現(xiàn)出其顯著的經(jīng)濟(jì)性?！　【C上所述，901 與HLC - VIII 的加入對鋼筋均有著明顯的緩蝕效果，且對混凝土的強(qiáng)度無不利影響。HLC - VIII 的加入，對混凝土抗氯離子滲透及阻止鋼筋銹蝕的效果均優(yōu)于901 。在混凝土中加入硅粉與阻銹劑聯(lián)合應(yīng)用，對提高混凝土本身的密實(shí)性，提高混凝土抗氯離子滲透及防鋼筋的腐蝕效果更加明顯。比較試驗(yàn)所用的材料，HLC - VIII 阻銹劑與HLC- XI 硅粉劑不僅經(jīng)濟(jì)，而且聯(lián)合應(yīng)用將對鋼筋混凝土的阻銹，提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性達(dá)到最好的效果。

原作者：祝燁然李克亮王　冬溫金寶盧安琪王昌義