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混凝土构件的钢筋锈胀破坏成因及加固方式的探讨

钢筋混凝土结构锈胀概述 

    所谓混凝土构件的钢筋锈胀破坏:是指由于埋在混凝土中的钢筋发生锈蚀以后,其产生铁锈的体积是相应钢筋体积的2~4倍,因而会向四周膨胀,而钢筋四周的混凝土则限制它的膨胀,产生了交界面上的压力(即钢筋锈胀力),钢筋锈胀力会影响钢筋与混凝土的粘结性能,而且将导致混凝土保护层受拉而开裂破坏,而钢筋混凝土构件一旦受锈胀力纵裂以后,钢筋锈蚀速度加快,使钢筋混凝土构件的承载力、耐久性下降至使构建破坏等严重后果。钢筋的锈胀如不及时采取措施往往会导致建筑物不能正常使用、严重的导致建筑倒塌,这样的工程事例国内外有很多。

以上为大面积钢筋锈蚀导致的楼房倒塌。

在混凝土结构的近百年中,各国对钢筋锈蚀的研究总结中主要的控制体系体现在建筑物混凝土耐久性控制中,简单说即对各混凝土建筑物在所处环境中对各构件的钢筋保护层和混凝土材料的要求。在我国现行规范对建筑物耐久性的控制主要分为:  

1、构筑物的混凝土结构的环境类别

混凝土结构的环境类别

 

 

 

环境类别

条     件

室内正常环境

a

室内潮湿环境;非严寒和非严寒地区的露天环境与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境

b

严寒和寒冷地区的露天环境与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境

使用除冰盐水的环境;严寒和寒冷地区冬季水位变动的环境;滨海室外环境

海水环境

受人为或自然的侵蚀性物质影响的环境

注:严寒和寒冷地区的划分应符合国家现行标准《民用建筑热工设计规程》JGJ 24的
规定。

2、对应其的结构混凝土耐久性的基本要求

结构混凝土耐久性的基本要求

设计使用年限
环境
作用等级

100年

50年

30年

最低强度等级

最大
水胶比

C

最低强度等级

最大
水胶比

C

最低强度等级

最大
水胶比

C

板、墙等面形构件

Ⅲ-C.Ⅳ-C

C40

0.45

50

C35

0.50

40

C35

0.50

35

Ⅲ-D.
Ⅳ-D

C45
≥C50

0.40

55
50

C40

0.45

50

C40

0.45

45

Ⅲ-E.
Ⅳ- E

C50
≥C55


60
55

C45
≥C50

0.40

55
50

C45

0.40

50

Ⅲ-F

C55

65

C50
≥C55


60
55

C50

0.36

55

梁、柱等条形构件

Ⅲ-C.Ⅳ-C

C40

55

C35

45

C35

0.50

40

Ⅲ-D.
Ⅳ-D

C45
≥C50

0.40

60
55

C40

0.45

55

C40

0.45

50

Ⅲ-E.
Ⅳ- E

C50
≥C55


65
60

C45
≥C50


60
55

C45

0.40

55

Ⅲ-F

C55

70

C40
≥C55


65
60

C50

0.36

60

 

注:

1 、可能出现海水冰冻的环境与除冰盐环境,表中混凝土的强度等级和水胶比以及是否引气应满足冻融环境下的要求(见表 5.3.2 )。当采用引气混凝土时,表中的混凝土强度等级和水胶比可分别降低5MPa 和增加0.05。

2 、处于流动海水中或同时受水中泥砂冲刷腐蚀的构件保护层厚度应适量增加10~ 20 mm 。

3 、预制构件的施工允差较小,可将表中的保护层厚度减少 5mm 。

4 、表中要求的混凝土最大水胶比,如能满足表 6.3.6 中规定的扩散系数值,C50 和C55 混凝土的最大水胶比可分别提高到0.40 和0.38。

(2)化学腐蚀环境

规定为以下几点的分类:

1 、部分接触含硫酸盐的水、土而部分又暴露于大气中的混凝土结构构件

2 、污水管道、厩舍、化粪池等接触硫化氢气体或其他腐蚀性液体的混凝土结构构件

3 、大气污染严重城市或地区混凝土结构的构件(大气污染主要分为:汽车或机车废气
酸雨(雾、露)等)

以上情况规定对混凝土耐久性控制主要体现在对保护层最小厚度的规定。相关规定如下表:

化学腐蚀环境下混凝土材料与钢筋保护层厚度c(mm)

设计使用年限
环境
作用等级

100年

50年

最低强度等级

最大
水胶比

C

最低强度等级

最大
水胶比

C

板、墙等面形构件

V-C

C45

0.4

40

C40

0.45

35

V-D

C50
≥C55

0.36
0.36

45
40

C45
≥C50

0.40
0.36

40
35

V-E

C55

0.36

45

C50

0.36

40

梁、柱等条形构件

V-C

C45
≥C50

0.40
0.36

45
40

C40
≥C45

0.45
0.40

40
35

V-D

C50
≥C55

0.36
0.36

50
45

C45
≥C50

0.40
0.36

45
40

V-E

C50
≥C60

0.36
0.33

50
45

C50
≥C55

0.36
0.36

45
40

 

Ⅳ由此可知将要执行的混凝土耐久性规范中混凝土材料的强度整体提高,且对相应环境下的混凝土构件的保护层厚度也大大增大最小增厚达 25mm 。故由以往建筑钢筋锈害总结出以前混凝土对钢筋保护能力过高的估计,加之大城市城市环境变化加剧建筑混凝土结构的碳化速率。简单说以前的混凝土耐久性措施不足,导致大量钢筋混凝土构件在正常使用年限内必将出现钢筋锈蚀,建筑物出现锈胀破坏。由以此可知各类型建筑物为能使建筑物能达到正常使用年限,在恶劣环境中的建筑均须要维修(特别是沿海及工业建筑),可见混凝土结构构件锈胀加固的必要性。但由于我国进行钢筋混凝土结构在这方面的研究及运用起步较晚,现行加固方式不足,不能满足多种多样的建筑加固方式,现对以往钢筋混凝土结构中的锈胀原理、成因及加固方式作出以下总结创新。

第一章   钢筋混凝土结构锈胀原理

一、混凝土中钢筋锈蚀机理的研究

1.1钢筋的腐蚀过程——电化学反应过程

  混凝土空隙中的水分通常以饱和的氢氧化钙的溶液形式存在,其中还含有一些氢氧化钠和氢氧化钙,pH值为12.5。在这样的强碱性的环境中,钢筋表面形成钝化膜,它是厚度为2×10-9~6×10 -9m 的水化氧化物(nFe3O3·mH2O),阻止钢筋进一步腐蚀。因此,施工质量良好、没有裂缝的钢筋混凝土结构,即使处在海洋环境中,钢筋基本上也能不发生腐蚀。但是,当钢筋表面的钝化膜受到破坏,成为活化态时,钢筋就容易腐蚀。

  呈活化态的钢筋表面所发生的腐蚀反应的电化学机理是,当钢筋表面有水分存在时,就发生铁电离的阳极反应和溶液态氧还原的阴极反应,相互以等速度进行,其反应式如下:

阳极反应 2Fe-4e-→2Fe2+

阴极反应 O2+2H2O+4e-→4OH-   

腐蚀过程的全反应是阳极反应和阴极反应的组合,在钢筋表面析出氢氧化铁,其反应式

    2Fe+ O2+2H2O→2Fe2++4OH-→2Fe (OH2)

      4 Fe(OH2)+ O2+2H2O→4 Fe (OH ) 3   

该化合物被溶解氧化后生成氢氧化铁Fe(OH)3,并进一步生成nFe3O3·mH2O(红锈),一部分氧化不完全的变成Fe3 O4(黑锈),在钢筋表面形成锈层。红锈体积可大到原来体积的4倍,黑锈体积可大到原来的两部。铁锈体积膨胀,对周围混凝土产生压力,将使混凝土沿钢筋方向开裂(通常称之为“顺筋开裂”、“先锈后裂” ),进而使保护层成片脱落,而裂缝及保护层的剥落又进一步导致钢筋更剧烈的腐蚀。

1.2 混凝土碳化、侵蚀气体和介质的侵入

   碳化是介质与混凝土相互作用的一种很广泛的形式,最典型的例子是空气中的 CO2 渗入,与孔隙中的 Ca(OH)2 反应,生成 CaCO3 ,使 pH 值下降。当 pH 值 <11.5 时,钝化膜就开始不稳定;当 pH 值降低到 9 左右时,钢筋表面的钝化膜遭到破坏,钢筋开始腐蚀。

1.3 与环境湿度密切相关

   混凝土的碳化和钢筋腐蚀与环境湿度有直接关系。在十分潮湿的环境中,其空气相对湿度接近于 100% 时,混凝土孔隙中充满水分,阻碍了空气中的氧向钢筋表面扩散,二氧化碳也难以透入,所以,使钢筋难以腐蚀。

   当相对湿度低于 60% 时,在钢筋表面难以形成水膜,钢筋几乎不生锈,碳化也难以深入。而空气相对湿度在 80% 左右时,有利于碳化作用,混凝土中的钢筋锈蚀发展很快。由于环境中湿度往往随气候和生产情况而变化,因而混凝土在气侯或生产环境变化中会遭到碳化,钢筋会腐蚀。

1. 4 混凝土中 C1- 含量对钢筋锈蚀的影响

   一方面, C1- 可能是随混凝土组成材料(水泥、砂、石、外加剂)进入的如在冬季施工,为提高混凝土抗冻性而掺入氯盐、海砂拌制混凝土等;另一方面, C1- 是在混凝土硬化后经其孔隙由外界渗入的,如遭受海水侵蚀的海岸混凝土构筑物,冬季在混凝土路面上喷洒盐水防止路面冰冻,游泳池用氯气消毒等。

   当混凝土构件长期处于上述环境时,氯离子就会通过混凝土中的气孔,随水进入混凝土的内部,最终会接触钢筋并开始积累。当氯离子达到临界浓度后,在足够的氧气和水分条件下引起腐蚀的发生(氯离子临界浓度与力筋周围混凝土的碱度有关,碱度愈高,氯离子临界浓度值愈大,通常用氯离子和氢氧根离子的浓度比值来表示氯离子临界浓度。其主要反应式如下,反应最终产物氢氧化铁 Fe(OH) 3 即是铁锈。   

Fe→Fe2++2e    

Fe2++ 2Cl2-+4H2O→FeCl24H2O

FeCl24H2O→2Fe(OH) 2↓+2Cl2-+2H++2 H2O

4Fe(OH) 2+O2+ 2H2O→4Fe(OH) 3

二、钢筋锈胀力

2.1钢筋锈胀力:埋在混凝土中的钢筋发生锈蚀以后,其产生铁锈的体积是相应钢筋体积的2~4倍, 因而会向四周膨胀,而钢筋四周的混凝土则限制它的膨胀,产生了交界面上的压力。

2.2采用弹性力学的方法,研究得到混凝土开裂时刻的光面钢筋的均匀锈胀力。

简化可得到锈胀力的表达式:

q={ -1R}-0.049n2+0.4n+0.9546/(1+u1)Rc2+(1-u1)R3/E1(c2-R2)+nρR/140e-0.33n(1.924nρ+2-2ρ)   

2.3 钢筋锈胀力与混凝土等级的关系 从钢筋锈胀力表达式可见,混凝土等级的影响仅体现在不同弹性模量E1的影响,包含E1的分母项A,其值一般为10-4数量级,而另一分母项B的数量级为10-3,因此,可以认为在混凝土保护层厚度及钢筋直径相同的前提下,不同混凝土等级对钢筋锈胀力影响不大。

不同混凝土等级的钢筋锈胀力

 

 

混凝土等级

C15

C25

C35

 

 

1/(A+B)

538.8989

572.9789

588.1595

钢筋锈胀力/(N·mm2)

0.8695

0.9246

0.9491

钢筋锈胀力变化率

-8.39%

-2.58%

0%

 

 

2.4 钢筋锈胀力与混凝土保护层厚度的关系 锈胀力q和混凝土保护层厚度c的关系,混凝土保护层厚度越大,钢筋锈胀力终值就越大,具体取值可参见式(2).

表2 不同混凝土保护层厚度的钢筋锈胀力

 

混凝土保护层厚度/mm

15

25

35

 

1/(A+B)

526.1077

572.9779

583.6964

钢筋锈胀力/(N·mm-2)

0.8490

0.9246

0.9421

钢筋锈胀力变化率

-9.88%

-1.85%

0%

 

 

2.5 钢筋锈胀力与钢筋直径的关系 钢筋直径D与锈胀力q的关系进行讨论。同样的锈层厚度,随钢筋直径增加,钢筋锈蚀率减小,钢筋锈胀力也就减小。从表3中还可以看出,钢筋直径对钢筋锈胀力的影响明显大于混凝土保护层厚度和混凝土等级的影响程度。

表3 不同钢筋直径的钢筋锈胀力

 

钢筋直径/mm

12

16

20

 

1/(A+B)

616.6794

572.9779

526.5023

钢筋锈胀力/(N·mm2)

0.9951

0.9246

0.8496

钢筋锈胀力变化率

0%

-7.08%

-14.62%

 

 


1/(A+B)    616.6794    572.9779    526.5023
钢筋锈胀力/(N·mm2)    0.9951    0.9246    0.8496
钢筋锈胀力变化率    0%    -7.08%    -14.62%

2.4 钢筋锈胀力与锈层厚度的关系 锈胀力q和锈层厚度δ的关系,下面仍通过一个类似实例来讨论。取混凝土保护层厚度c为 25mm ,钢筋直d为 16mm ,混凝土等级分别为C15,铁锈体积膨胀率n为3,钢筋锈层厚度为变量,计算结果可见,δ对q的影响很大,随锈层厚度δ的增加,钢筋锈胀力q迅速增加。 

2.5 钢筋锈胀力与铁锈体积膨胀率的关系 锈胀力q和铁锈体积膨胀率n的关系,用类似的实例来讨论。取混凝土保护层厚度c分别为 25mm ,钢筋直径d为 16mm ,混凝土等级分别为C25,钢筋锈蚀率为0.3%,铁锈体积膨胀率为变量,计算结果可见,n对q的影响较小。

在建立了钢筋锈胀力表达式的基础上,得到了以下几点结论:

(1)随钢筋锈层厚度增加,钢筋锈胀力迅速增加,即锈蚀率对钢筋锈胀力影响很大;

(2)铁锈体积膨胀率对钢筋锈胀力不大;

(3)混凝土强度对钢筋锈胀力影响不大,但影响混凝土保护层胀裂时刻钢筋锈胀力终值的大小;

(4)随混凝土保护层厚度的增加,钢筋锈胀力有较小的增加量,混凝土保护层厚度对钢筋锈胀力的影响也较小;

(5)随钢筋直径的增加,钢筋锈胀力减小,钢筋直径对钢筋锈胀力的影响也较小,但钢筋直径对钢筋锈胀力的影响程度大于混凝土保护层厚度和混凝土等级的影响。

第二章 钢筋混凝土结构锈胀成因及分析

<一> 主要锈胀成因

由于影响混凝土耐久性的成因存在多种原因,直接或间接导致钢筋锈胀的成因复杂化、多样化。总结各工程钢筋混凝土钢筋锈胀病害的情况可得出以下几种成因原因:

一、 构件保护层厚度由于施工原因局部未达到设计要求即:保护层厚度不足;

二、 由于沿海建筑温差导致混凝土构件出现裂缝,加之海风侵袭,海风中的C1-破坏钢筋钝化膜致使钢筋锈蚀出现锈胀破坏;

三、 由于建筑物处在重污染环境,导致空气中的CO2 等有害物质气体导致混凝土碳化速率加快致使在设计年限内钝化膜破坏、钢筋锈蚀出现锈胀破坏;

四、 用于混凝土构件直接接触腐蚀性气体或直接接触海水等含有大量C1-等活性离子致使混凝土碱性下降钝化膜破坏或直接破坏钝化膜出现锈胀破坏;

五、 建筑物使用的混凝土由于使用氯化物防冻剂导致C1-超标;或由于碱骨料反应导致混凝土出现裂缝,导致酸性气体进入破坏钝化膜出现锈胀破坏;

<二> 混凝土构件锈胀的阶段及对结构的影响的分析

混凝土锈胀主要分为以下阶段:

1、 混凝土碳化至钢筋开始腐蚀阶段;

2、 钢筋开始腐蚀发展到混凝土开始胀裂;

3、 混凝土开始胀裂发展到严重胀裂、脱落破坏阶段;

4、 钢筋腐蚀扩大到结构发生区域破坏;

钢筋腐蚀后,其截面逐渐损失,损失率与混凝土构件破坏状态的关系见表4:

表4 不同混凝土保护层厚度的钢筋锈胀力

裂缝剥离状态

截面损失率

无顺筋裂缝

0~1%

有顺筋裂缝

0.5%~10%

保护层局部剥离

5%~20%

保护层基本剥离

10~25%

 

钢筋锈蚀对结构受力影响变化过程如表5所示:
表5 截面积损失率对结构受力的影响

截面损失率ρa

力学性能的影响

1%

表面只有浮锈,力学性能不变。

≤5%

应力-应变曲线没有明显的屈服点,抗拉强度和屈服强度仍可认为与母材相同,承载能力计算则需考虑截面的折减。

5%~10%

抗拉强度和屈服强度均开始降低。

10%~60%

严重的腐蚀,屈服点已不明显,各项力学性能严重下降。

60%

构件承载能力降低到与未配筋的构件相近。

 

总的说来,由于钢筋与混凝土交界面上钢筋锈胀力的存在,导致混凝土产生顺筋裂缝,甚至使混凝土保护层剥落,使构件截面有效面积减小,更重要的是使钢筋与混凝土间粘接性能退化;同时,由于钢筋锈损,其截面面积减少,严刑降低,力学性能退化,使结构或构件受到不同程度的损伤。混凝土中钢筋锈蚀会使构件的承载力下降,使结构的性能劣化。

第三章   钢筋锈蚀的加固方法

分析钢筋混凝土结构锈胀的机理可知,钢筋锈蚀的必要条件就是构件中要有足够的O2分子的参与,而其前提为钢筋混凝土中钢筋的钝化膜破坏即:混凝土碱性下降或C1-离子进入破坏钝化膜。那么我们好的加固方式也就是阻止混凝土碱性下降或C1-离子、O2分子进入。

一、钢筋混凝土结构无补强时表面的主要加固方式:

(1)普通水泥砂浆层

     在混凝土外表面涂抹5~20 mm厚的水泥砂浆层,在减缓碳化影响方面有一定作用,砂浆越密实效果越明显。本方法最为经济方便,可用于城市污染导致的很轻微的腐蚀环境中。

(2)聚合物改性水泥砂浆层

     这是近些年发展起来的新型混凝土覆面材料,聚合物大都以乳液形式掺入水泥砂浆中,大大提高了砂浆层密实性和粘接力。可在潮湿基面上施工,不需要专业防腐队伍,其耐久性可与基体(混凝土)保持一致等。国内外用于砂浆层中的聚合物品种越来越多,如丙烯酸类乳液、己烯基树脂乳液、环氧树脂乳液等,更多的是多种聚合物的配合使用,进一步提高了砂浆层的保护性能。国外已大量用于工业建筑、桥梁、海工建筑物的新建工程和老工程的修复。我国已有丙乳砂浆、氯丁胶乳砂浆等品种,近年来又出现一些新的品种。如冶金部建筑研究总院研制的FC-01、RP—W系列防腐砂浆,不仅可用于混凝土的面层保护,而且对于已锈钢筋的修补和再防护,有着特殊的效能,应用面日趋广泛。

聚合物改性水泥砂浆层有着良好的密实、抗渗性,并兼有耐磨、粘接力强等优点,若配有阻锈成分,对钢筋的保护能力会更强(如FC—01、RP—W等)。主要用于各种盐类存在的(如氯盐、硫酸盐)强腐蚀环境,如工业建筑、盐碱地建筑、海工工程、撒化冰盐的桥梁等,更大量用于已有建筑物的修复工程。美国还用于停车场的新建和修复工程。在国外有专门生产聚合物水泥砂浆的厂家,是正在发展的新材料、新产品。国内也有良好的发展前景。

    聚合物改性水泥砂浆毕竟是水泥基材料,原则上是不耐酸的,因此不适宜在较强的酸性环境中采用。

(3)渗透型涂层

    利用混凝土“可渗透”的特点,在混凝土表面涂以渗透型涂层材料,这些渗入的物质,可与混凝土组分起化学作用和堵塞孔隙,或自行聚合形成连续性憎水膜。这样,在混凝土表面深入内部的一定范围内(如3~5 mm),形成一个特殊的防护层,它能有效的阻止外界环境中腐蚀介质进入混凝土中,从而保护混凝土与钢筋免受腐蚀。

    渗透型涂层的典型代表应属有机硅类材料,如烷基烷氧基硅烷等。含有机硅树脂的稀溶液,具有很强的渗透性,它本身有很强的憎水性,并能与混凝土组分起作用,可堵塞空隙和在孔壁形成憎水膜。能防水但允许气体交换,有“呼吸”功能。此类渗透型涂层,大都用于轻腐蚀环境下的防混凝土“老化”,如防碳化、中性化等,有效期可达10年。

     与渗透型涂层类似、又有区别的一种叫做浸渍型涂层,是用聚合物单体以浸渍的方法渗入混凝土中,并在其内聚合,形成一层不透水的保护层。本方法适宜于小型构件,如通过盐湖、盐碱地的铁路所采用的钢筋混凝土枕块,就曾经使用聚合物浸渍的方法,并收到良好效果。

(4)混凝土表面涂层

     可用于混凝土表面的涂覆层,是种类最多、最普遍的防护涂层,大致可分为:沥青、煤焦油类:大量用于地下工程,有较好的防水、防腐性能,价格低廉。适量环氧树脂加入其中,能大幅度提高其防护能力与粘接力。由于颜色大都是黑色,很少用于外露结构。

    油漆类:市面上油漆有上百种,防护性能、价格差异很大,可根据腐蚀环境、结构要求等选择使用。由于混凝土具有强碱性,所选油漆必须是耐碱的;混凝土表面可能有各种因素造成的裂纹,具有一定弹性的油漆,会有更好的防护效果。油漆类涂层一般不能在潮湿基面上施工,易老化、不耐久等也是其不足之处。

     防水涂料:在中性环境、一般腐蚀条件下,能有效防止水、水汽进入混凝土中,则能起到防止、减缓钢筋混凝土腐蚀的效果。从此意义上讲,防水、防腐是密不可分的。为减轻环境污染,水基、无溶剂类防水涂料正在迅速发展。该类涂料存在着防腐能力不强、耐久性不足等问题,有待于进一步改进与提高。

树脂类涂料:环氧树脂、己烯基树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯等都可用于混凝土的面层涂料,以环氧树脂为主的涂层,有较好的防护性能和耐久性,可用于较严酷的腐蚀环境中。树脂类涂料价格较贵,一般不能在潮湿基面上施工。

(5)隔离层

    在强腐蚀环境中(如工业建筑中的各类无机、有机酸液及其气氛,强碱、硫酸盐、氯盐等),一般的防护涂层不能达到对钢筋混凝土防护目的,必须采取隔离层的方法。

玻璃鳞片覆层:在树脂类材料中掺入很薄的玻璃鳞片,以数毫米的厚型涂层涂覆在混凝土表面,以达到较长期的完全隔离环境之目的。如环氧树脂玻璃鳞片覆层,已成功应用于酸气烟道和强腐蚀的烟囱内壁的防护。

    玻璃钢隔离层:在混凝土表面涂一层树脂(如环氧树脂),再粘铺一层玻璃布或无纺布,再在布面上刷涂树脂后再粘铺布。可根据需要粘铺多层,称作玻璃钢隔离层。施工质量良好的该类隔离层,能在一定年限内,很好地隔绝外界腐蚀介质与混凝土的接触,从而保护混凝土和钢筋免受侵蚀。本方法价格较贵,存在老化问题,但在强酸、碱环境中还是经常采用的。

砖板、橡胶衬里层:采用树脂胶泥、树脂砂浆(如环氧树脂、呋喃树脂等)做胶结料,将耐酸砖板、石材或橡胶板等衬砌在混凝土表面,以阻止外界腐蚀介质的渗入。这在化工、冶金、制药等强腐蚀工业厂房中,是经常使用的防腐措施。如楼地面、建筑与设备基础、槽池等,可取得很好的防护效果。与施工质量关系密切,费用较高。

    由上可见,在混凝土外表面采用防护层的措施,在很大程度上可达到对于钢筋混凝土结构的防护目的,特别是小范围、强腐蚀环境中(如某些工业厂房),采取外防护措施可能是首选方案。但对于处在自然环境中的大量钢筋混凝土建筑物(如工业大气、海洋环境等),外层防护措施,或因自身耐久性不足、或因造价太高、施工不便等,使其应用受到一定限制。据悉,美国混凝土学会(ACI)首推三种措施(钢筋阻锈剂、环氧树脂涂层钢筋和阴极保护)作为通常环境下防止混凝土中钢筋锈蚀的主要方法。

二、钢筋混凝土结构补强的加固方式:

但钢筋混凝土构件锈胀严重时导致构件承载力不足,无法满足原设计使用功能时需要进行结构补强加固,其主要加固方法如下:

(1)加大截面加固方法

采用的一般的方式及计算、植筋、脚注CGM;这里要注意的是浇注材料一定要采用CGM,原因是CGM的孔隙率较低且密实,其浇注后不会和原混凝土结构产生二次裂缝。当构件所在环境有严重污染气体时还应结合上面面层处理方法一起使用。

(2)粘钢加固法

这种方法只适用在所处环境为大气污染严重的城市建筑,其必须结合聚合物改性水泥砂浆层法一起使用,这样导致造价增加不宜大面积使用。

(3)粘贴碳纤维加固方法

粘贴碳纤维法比较适用于沿海地区建筑,碳纤维结合环氧结构胶能够有效地减少混凝土孔隙率,能大幅提高混凝土设计承载力,且表面只需作一般砂浆保护即可。粘贴碳纤维较便宜,但一般不能在潮湿基面上施工。

(4)外加电流式阴极防蚀加固方法

此方法为安装外加电流式阴极设备持续提供阴极阻止钢筋氧化。这种方法主要用于局部构件由于混凝土材料氯离子超标锈蚀率达40%以上的加固方式,且应配合其他强度补强加固方式使用。其效果较好能保障建筑物有较好的承载力余量。

由上可见增加构件承载力方法余一般加固方法为主,其区别在于在不同环境中应配合采用相应的混凝土面层保护方法使用。

第四章 工程实

工程实例一(氯离子有水环境) 

1、工程概况

某化工厂氯丁橡胶废水预处理沉淀池的结构形式为钢筋混凝土结构。目前该构筑物已出现渗 、漏水现象及结构缺陷,不能正常投入生产使用。为了更详细的了解实际情况, 我公司于 2007年5月18日 至20日对该厂沉淀池进行了现场勘查和检测,并就检测结果和现场勘查情况对裂缝成因进行了分析,针对综合分析结果提出了裂缝、渗漏修复和结构加固处理的方案设计。

2、检测结果及裂缝成因分析

1、检测范围及检测结果

A、外型尺寸及外观检查。

1)、经现场勘查与检测,该构筑物外型尺寸与原设计基本相符合,池底为坡面与原设计池底为平面不符合。
2)、该构筑物池壁表面粗糙,老化,沉积铁锈,具体表现从下面的图片所示。

3)、池壁防水砂浆层破坏,并分布有多条垂直裂缝,裂缝长度2 -3米 ,宽0.2 -0.8mm 由池顶向池底方向延伸。

另外,池壁防水砂浆层有空鼓现象,局部已脱落。敲开空鼓处,下层混凝土已经粉末化,粉末化深度5 -20mm . 局部混凝土完全被侵蚀,内部形成贯通空洞,洞中存留酸性液体,钢筋浸于其中已严重锈蚀。
上述现象,如下图所示:

B、混凝土强度检测。


测区

设计抗压强度(Mpa)

实测抗压强度(Mpa)

碳化深度
(mm)

(未粉末化区域)

200号

26.3

2

(粉末化区域)

200号

16.6

> 6

 

C、钢筋布置,及钢筋锈蚀情况。

 

2、裂缝成因分析

1)、防水砂浆长期处在酸性介质下使结构表面甚至内部出现龟裂和老化,表面出现裂缝,甚至空鼓,有些部位防水砂浆与混凝土表面出现剥离,导致酸性介质与混凝土结构直接接触,使结构体系遭到酸性介质的破坏。

2)、按照原设计图纸主体结构采用掺加明矾石膨胀剂的防水混凝土,在膨胀剂搅拌不均匀时造成局部混凝土开裂,出现裂缝后在酸性介质的腐蚀下进一步破坏, 从而使结构强度降低,局部混凝土甚至粉末化失去强度和没有了承载能力。

3)、池内酸性液体沿混凝土裂缝渗入混凝土体内,对混凝土体内的钢筋造成破坏,钢筋混凝土内的钢筋在酸性介质的腐蚀下,发生锈蚀、膨胀,锈蚀膨胀后对混凝土产生更大的危害,造成更多裂隙,甚至产生贯通池壁的裂缝,进而使整个结构发生渗漏等缺陷。

3.修补、加固方案设计?

在该构筑物使用功能的恢复中,结构加固的理念是一个方面,通过成因分析找出其破坏的原因,进行防渗、防腐处理是该构筑物加固的不可缺少的另一个方面。

因此,基于前述裂缝、渗漏成因分析,修补加固步骤为:

1)、对已腐蚀破坏的结构混凝土沿裂缝周围进行剔除,排除残留在空洞内的酸性液体用同直径钢筋修复已锈蚀的钢筋。

2)、用渗透型阻锈剂喷涂池内壁,喷涂两次。阻止混凝土内部钢筋锈蚀。

3)、用CGM灌浆料对结构进行承载力恢复。

4)、用CGM灌浆料对池壁和池底进行结构承载力加强和全面防渗、防腐处理。

工程实例 二(滨海地区的桥梁加固)

1、工程概况及成因分析

某桥梁照片,实际上类似的病害几乎在所有的桥梁上都有发生。至少有70%以上的桥梁伸缩缝发生渗漏水,给出的照片只是冰山一角。

图1-a盖梁端头段(混凝土表面冻伤)    图1-b 伸缩缝下的盖梁端头破损
图 1伸缩缝及盖梁腐蚀状况

    现场察看中发现,几乎所有的伸缩缝都漏水,对应其下的是几乎所有的盖梁都不同程度的冻伤、钢筋
锈蚀、梁体表面出现裂缝。

在桥梁上部结构中,桥梁落水孔渗漏侵蚀也是最常见的病害。如图2。

图2-a 运营仅3年的桥,沿水流区域钢筋锈蚀         图2-b 中环线上的蝶桥
图 2 桥梁泻水口周边渗漏水

以上的病害特征在北方地区的桥梁中应该是普遍的现象——就是墩拄根部的盐腐蚀和盐冻,如图3。

 

 

 

 

 

 

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