滨海钢筋混凝土结构耐久性复合干预技术--ICCP-SS

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第1章 绪论
　　1.1 滨海钢筋混凝土结构的耐久性问题
　　钢筋混凝土结构具有取材丰富、施工方便、可塑性好和成本较低等特点，已广泛应用于建筑、公路、桥梁、隧道、码头和港口等工程建设。过去人们认为钢筋混凝土的材料性能稳定，不会发生劣化，因此钢筋混凝土结构设计理论主要针对力学作用引起的安全性和适用性。随着钢筋混凝土结构服役时间的延长和相关领域研究的逐步深入，人们发现钢筋混凝土在力学作用和环境作用下材料性能不断衰退，甚至导致了不少结构安全性事故。这类问题一般称为钢筋混凝土结构的耐久性问题，并已经引起学术界和工程界的广泛关注和高度重视。
　　关于混凝土材料和结构的耐久性问题已经写入不同的规范。美国《混凝土耐久性指南》（Guide to Durable Concrete，ACI 201.2R-08）[1]中将普通硅酸盐水泥混凝土结构的耐久性定义为：混凝土对大气侵蚀、化学侵蚀、磨耗或任何其他劣化过程的抵抗能力。《混凝土结构耐久性设计标准》（GB/T 50476—2019 ）[2]对混凝土结构的耐久性定义为：在环境作用和正常维护、使用条件下，结构或构件在设计使用年限内保持其适用性和安全性的能力。这些描述都强调了混凝土材料和结构在力学作用与环境作用下发生劣化的事实，说明传统结构设计理论只考虑力学作用的做法是不够全面的。
　　引起钢筋混凝土性能劣化的原因是多样的，如钢筋腐蚀 、硫酸盐侵蚀、碱-骨料反应、冻融循环作用等。Metha在第二届混凝土耐久性国际会议主题报告《混凝土耐久性—五十年进展》中指出，造成混凝土破坏的原因主要是钢筋腐蚀，其次是寒冷气候下的冻害和侵蚀环境下的物理化学作用[3]。造成混凝土钢筋腐蚀的原因主要有混凝土碳化和氯盐侵蚀 [4， 5]。混凝土碳化是混凝土结构所处环境的二氧化碳与混凝土孔溶液的碱发生化学反应，使得混凝土内部孔溶液的pH降低，钢筋表面钝化膜不能稳定存在，进而引起钢筋腐蚀。氯离子并不会与混凝土孔溶液发生反应，但其浓度在钢筋表面积累到一定程度后，会直接破坏钢筋表面的钝化膜，导致钢筋发生腐蚀。氯离子来源主要有使用含氯的混凝土外加剂，使用未经处理或处理后未达标的海砂等混凝土原材料，用以融化冰雪而使用的除冰盐及盐湖盐泽地环境等。由于氯离子导致钢筋腐蚀问题的广泛性和严重性，目前已有大量的研究致力于氯离子在混凝土内部的传输机理、氯离子引起的钢筋腐蚀劣化机理、腐蚀后钢筋混凝土构件的力学特性及多种针对钢筋腐蚀的结构修复方法。
　　对处于滨海环境下的混凝土结构，由于环境湿度较大，氯离子来源较丰富，氯离子导致的钢筋腐蚀过程更容易发生。世界各国滨海地区普遍存在较为严重的氯盐侵蚀问题，由此导致的钢筋腐蚀是影响滨海钢筋混凝土结构耐久性 最主要且最广泛的原因。例如，1963年南京水利科学研究所对沿海地区诸多海港工程展开调查，结果表明钢筋腐蚀导致的结构破坏占3/4；1985年对连云港码头两处上部钢筋混凝土结构的调查发现，因钢筋腐蚀造成劣化的梁分别占58%和84%，其中混凝土内部主筋界面最大损失超过24%。我国海岸线较长，滨海钢筋腐蚀造成的混凝土结构耐久性问题愈加严重，造成了巨大的经济损失。因此，提高混凝土结构的耐久性和服役性能，延长其使用寿命，不仅能避免巨大的经济损失，还可缓解耐久性问题导致的修复、拆除和重建工程给资源和环境带来的压力，对于促进国民经济可持续发展具有重要意义。
　　1.2 钢筋混凝土结构耐久性干预技术
　　钢筋腐蚀是引起滨海钢筋混凝土结构耐久性劣化的最主要原因。钢筋发生腐蚀时，钢筋混凝土结构的力学性能随之退化。当力学性能不满足结构设计要求时，结构即存在不安全风险，甚至引发工程事故。钢筋腐蚀给混凝土结构造成的危害可以体现在以下方面[6， 7]：①钢筋腐蚀引起钢筋横截面的损失，导致钢筋的名义强度降低。②钢筋腐蚀产物体积较腐蚀前增大，导致混凝土内部形成膨胀应力，当其超过混凝土结构抗裂强度时即造成混凝土胀裂。新形成的裂缝为外部有害物质入侵混凝土内部提供了更便利的通道，从而进一步加速钢筋的腐蚀过程。③钢筋腐蚀产物存在于钢筋与混凝土之间，导致钢筋与混凝土之间的黏结性能降低，进而造成结构构件的力学性能退化。
　　国内外学者针对钢筋腐蚀机理及其对钢筋混凝土结构造成的危害开展了大量研究，从预防、性能修复或提升等不同角度提出了各种钢筋混凝土结构耐久性干预技术。这些技术的学术思路总体而言可以分为三类：①提高钢筋抗腐蚀能力；②改善混凝土性能；③修复或提升结构力学性能。
　　1.2.1 提高钢筋抗腐蚀能力
　　钢筋腐蚀是导致滨海钢筋混凝土结构耐久性劣化的主要诱因，因此提高钢筋自身在混凝土内部的抗腐蚀能力，就能显著提高混凝土结构的耐久性。这类以直接提高钢筋抗腐蚀能力为出发点的耐久性干预技术包括采用不锈钢筋或纤维增强聚合物（fiber reinforced polymer，FRP）筋代替普通钢筋的方法、钢筋表面布置涂层保护的方法及钢筋阴极保护方法等。
　　采用抗腐蚀能力良好的不锈钢筋代替普通钢筋与混凝土结合使用，能够抑制或减缓腐蚀介质对钢筋混凝土结构耐久性造成的劣化问题，但不锈钢筋成本高昂，限制了其推广应用。采用耐久性良好的纤维增强树脂加强筋（FRP筋）代替普通钢筋，可以避免钢筋腐蚀造成的耐久性问题[8]。该方法在构件层面的研究已较为充分，但在结构层面仍需解决FRP筋的可焊性与连接问题，尚未形成系统的设计理论和施工方法。
　　钢筋表面布置涂层是一种保护钢筋的有效方法，其做法是将防腐涂层布置于钢筋表面，使其隔绝混凝土内部的有害物质，进而保护钢筋免受腐蚀。这类方法对涂层质量要求高，涂层内部不得出现孔隙、裂纹、坑洞等缺陷。其中，环氧树脂就是最常见的一种钢筋涂层材料[9]。
　　混凝土内部钢筋腐蚀是一个电化学过程，可采用电化学保护方法降低钢筋腐蚀速度。阴极保护是一种重要的电化学方法，该方法通过连接钢筋至电位更低的金属或外部电源的负极使钢筋发生阴极还原反应，以达到保护钢筋的目的[10]。阴极保护根据电流来源可分为牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护。图1-1（a）描述了针对钢筋混凝土的牺牲阳极阴极保护系统。牺牲阳极阴极保护将比铁更活泼的金属阳极材料布置在混凝土表面，并通过导线与被保护的钢筋相连，使得阳极材料表面发生阳极氧化反应，在钢筋表面则发生阴极还原反应。牺牲阳极阴极保护方法的效果取决于阳极材料与钢筋的电位差，易受环境因素的影响，保护电流的大小和输出范围有限，而且无法进行主动干预，因此该方法在混凝土结构的应用方面受到限制。
　　图1-1（b）描述了针对钢筋混凝土的外加电流阴极保护系统。外加电流阴极保护（impressed current cathodic protection，ICCP）技术需将一种辅助阳极材料布置在混凝土表面，并将阳极和钢筋分别连接至外部电源的正极和负极；通过对混凝土内部钢筋施加阴极保护电流，使其电位负移至免蚀区域[11， 12]，从而达到保护钢筋的目的。图1-2是混凝土内部钢筋的腐蚀行为。外加电流阴极保护技术通过外部电源主动调整保护电流，克服了牺牲阳极阴极保护方法存在的弊端，更适合用来保护混凝土内部的钢筋。美国联邦公路管理局认为外加电流阴极保护技术是唯一能在氯盐环境下保护钢筋的方法[13]。国内外学者对不同的阳极材料开展了大量研究，如主阳极丝 + 导电聚合物[14]、热喷锌涂层[15-18]、导电油漆涂层[19， 20]及混合金属氧化物钛阳极[21-25]等。理论上，ICCP的辅助阳极材料具有一定的力学性能且覆盖于结构的外表面，因此对结构的力学性能有益，完全可以作为结构加固材料使用。然而，工程实践中常用的辅助阳极多为昂贵的贵金属材料，如混合金属氧化物钛阳极等，在实际应用中需要严格控制用量，其对结构力学性能的增益效果可忽略不计。
　　图1-1 钢筋混凝土的牺牲阳极阴极保护系统（a）和外加电流阴极保护系统（b）
　　图1-2 混凝土内部钢筋的腐蚀行为 [11， 12]
　　还应注意的是，采用不锈钢和钢筋表面布置涂层的做法更多是为了预防钢筋腐蚀，对已经存在钢筋腐蚀问题的混凝土结构是不适用的，而外加电流阴极保护技术则不仅可以作为新建结构的预防方法（此时称作外加电流阴极防护），亦能用来抑制或减缓已有结构的钢筋腐蚀。
　　1.2.2 改善混凝土性能
　　正常情况下，混凝土孔溶液存在大量的氢氧根离子和碱金属离子（如Na+， K+， Ca2+），其pH约12.5～13.0，这使得钢筋表面会形成一层致密的钝化膜，保护钢筋即使在水和氧气的条件下亦不会发生腐蚀。当外部环境的有害物质侵入混凝土内部，导致混凝土内部的碱性环境不能保持或直接破坏钢筋钝化膜，便会引起钢筋腐蚀。因此，可通过提升混凝土的材料性能，避免或减缓有害物质在混凝土的渗透或侵蚀，进而提升钢筋混凝土结构的耐久性。这些方法包括提高混凝土密实度和优化混凝土孔结构，提升混凝土对氯离子的固化能力，采用混凝土表面涂层抑制外部有害物质的入侵，以及提高混凝土的保护层厚度，等等。
　　提高混凝土密实度和优化混凝土孔结构，可减小混凝土的孔隙率，降低有害物质在混凝土内部的传输速率，延迟有害物质到达钢筋表面的时间，进而提高钢筋混凝土结构的耐久性。工程中可通过调整混凝土水灰比、添加矿物掺合料及改善混凝土拌制和振捣等提高混凝土密实度和优化混凝土孔结构。
　　提升混凝土对氯离子的固化能力，可减小氯离子在混凝土内部的传输速率。氯离子在混凝土内有两种存在状态：一是在混凝土孔溶液中以游离态的形式存在，亦称作自由态；二是与混凝土组分通过物理吸附或化学结合以固化态的形式。只有游离态的氯离子在钢筋表面积累到一定浓度后，才会引起钢筋腐蚀。混凝土对氯离子的固化表现为物理吸附与化学结合，前者作用较后者弱。研究证实[26， 27]，混凝土内部含有较多的含铝矿物成分时，对氯离子的固化作用更强。因此，通过改善混凝土的组成或添加含铝的矿物时，可以提高混凝土对氯离子的固化能力。
　　混凝土表面涂层可以抑制有害物质的入侵[9]。混凝土表面涂层可分为无机涂层和有机涂层。比较常见的无机涂层是渗透结晶型防水涂层，具有绿色环保、防水抗渗、耐久性好等优点。有机涂层主要包括环氧涂层、聚氨酯涂层、丙烯酸涂层等。通过在混凝土表面布置涂层，不仅能阻隔外部有害物质进入到混凝土内部，同时还能阻隔促进钢筋腐蚀反应的水分和氧气，达到延缓钢筋腐蚀的目的。
　　增加混凝土保护层的厚度可以直接增加混凝土表面到钢筋的距离，延长有害物质到达钢筋表面的时间，从而延长混凝土结构的使用寿命。增加混凝土保护层厚度的做法简单直接，效果明显，是目前设计中提高混凝土结构耐久性的主要方法之一[2]。
　　综上所述，以改善混凝土性能为目标的方法，大多通过改善混凝土组成和微观结构，设置混凝土表面涂层或增加混凝土保护层厚度，从而延迟混凝土结构钢筋起锈时间，提高混凝土结构的耐久性。
　　1.2.3 修复或提升结构力学性能
　　结构的基本功能是承担荷载作用，而结构的耐久性劣化通常最终反映为结构的承载性能退化。因此，虽然在工程实践中广泛应用的各类结构加固技术不以提升结构耐久性为基本出发点，但可以通过提高结构承载性能从而间接地提升结构耐久性。当前应用较为普遍的钢筋混凝土结构加固技术包括增大截面加固法、预应力加固法、粘钢补强加固法、粘贴纤维增强复合材料加固法等[28]。
　　增大截面加固法[28]是指将原有的结构构件截面尺寸增大或提高构件截面的配筋，弥补钢筋腐蚀对构件力学性能造成的损失，提高构件的力学性能。该方法工艺简单，增强效果显著，但存在增加结构自重、改变构件外观及影响建筑使用空间等缺点。
　　预应力加固法[28]是通过采用施加预应力的钢拉杆或撑杆对结构进行整体加固的方法。该方法改变了结构的受力体系，采用预应力钢拉杆或撑杆分担部分原结构构件的应力，减小原结构构件的内力，从而使得钢筋腐蚀劣化后的构件仍然满足结构承载能力和使用性能的要求。由于实际工程