防冰盐腐蚀与钢筋混凝土的耐久性-

1、102防冰盐腐蚀与钢筋混凝土的耐久性洪乃丰摘要:世界上不少国家,因早年使用道路防冰盐(冬季化冰雪,造成桥梁、道路的严重破坏,目前正在花费巨额修复,其经济损失巨大。我国北方地区也沿用冬季撒盐或盐水化冰雪的方法,北京西直门立交桥的腐蚀破坏证明防冰盐的危害是十分明显和严重的。必须认识其危害性,采用防盐腐蚀的新技术。关键词:混凝土;钢筋;防冰盐;腐蚀;耐久性中图分类号:T U503文献标识码:A 文章编号:1000-4726(200002-0102-03DEICING SALT S CORR OSION AN D D URABI L ITY OF REIN 2FORCED CONCRETEHON G

2、Naifen gAbstract :Currentl y ,there are a g reat man y countries in their earliery ears have ado p ted deicin g salt (for meltin g ice and snow in w inter sea 2son ,have caused g reat dama g es of brid g es and roads.T herefore ,there are hu g e renovation and re p air consum p tion s p ent ,so that

3、 the econom ic loss is tremendous.In north China ,our countr y has also ado p ted deicin g salt for meltin g ice and snow in w inter.T he over p asses of X izhimen in Bei j in g have been severel y dama g ed ,therefore the new technolo gy of anti -corrosion should be ado p ted ,so that their dama g

4、es could be reduced or even elim inated.K e y words :concrete ;reinforcement ;deicin g salt ;durabilit y第31卷第2期V ol .31N o .2建筑技术Architecture T echnolo gy洪乃丰,冶金建筑研究总院,高级工程师,中国腐蚀与防护学会理事,100088,北京收稿日期:1999-09-281国内外对防冰盐腐蚀的认识以美国为首的西方国家,大多以公路为其主要交通命脉。从5060年代起,冬季就大量使用道路防冰盐(NaC l 、CaC l 2等,以融化冰雪和保证交通畅通。到7

5、080年代已陆续出现桥梁钢筋腐蚀破坏和路面受损等问题。以下是作者收集到的美国几组相关报道。1981年,美国50万座钢筋混凝土桥中,已有16.2万座发生明显钢筋腐蚀破坏,这些桥使用防冰盐的时间是515年。1984年度,美国用于因防冰盐腐蚀破坏的修复费用为454亿美元。1993年,美国57.5万座钢筋混凝土桥中,半数以上发生严重钢筋腐蚀破坏,其中40%已承载力不足,氯盐是引起破坏的“元凶”。1998年,美国60万座钢筋混凝土桥中,被列入修复计划的费用是2000亿美元,是当初建桥费用的4倍。破坏主要起因于氯盐,而氯盐主要来自于防冰盐(内陆地区、城市立交桥和海洋环境。近期Internet 网上报道,在

6、一些国家和地区,因钢筋腐蚀引起的钢筋混凝土的破坏,已经成为一个特别严重的经济问题。造成腐蚀的相关因素是使用防冰盐和海洋环境中的氯盐。为此美国每年花费的修复费已超过2500亿美元,其中用于桥梁修复的费用是1550亿美元;加拿大如果要全部更新这些已经破坏的结构,至少需花费5000亿美元。由上不难看出,因氯盐、特别是防冰盐引起的钢筋腐蚀破坏,已不是单纯的技术问题,而是一个重大的经济问题。如此惊人的损失,已经震动美国朝野。国外的深刻教训应该认真吸取,同时也是我们的一面镜子。我国正处在大规模建设时期,借鉴国外先进经验、避开他们走过的吃了大亏的路,无疑是意义深远的。我国一批从事混凝土耐久性研究的工作者、学

7、者和工程技术人员,早就呼吁应高度重视由氯盐引起的钢筋腐蚀破坏问题。有文章指出:氯盐污染引起的钢筋腐蚀破坏,是严重威胁钢筋混凝土上部结构耐久性的最主要、最普遍的病害。我国北方,像北京,天津的钢筋混凝土立交桥,即使还没有像美国那样,经常洒盐水化冰雪,却也已广泛显示钢筋锈蚀和混凝土顺筋开裂的破坏迹象,并日益加剧发展。更有专家建议,一方面要慎用防冰盐,另一方面,对立交桥等要采取防盐害技术措施。也有不同的认识和观点,如有报载:北京著名的三元立交桥,80年代末就出现开裂调查了京津地区的主要建筑物和构筑物,得出了明确的结论:京津地区众多大型混凝土工程遭受早期破坏,最重要的因素是混凝土的碱-集料反应。这些不同

8、认识和争论,是促进我国混凝土耐久性工作深入开展的动力。本人完全赞同强调碱-集料反应危害的必要性,但主张具体问题具体分析。比如北京西直门立交桥,是北京较早建成的立交桥之一,应该有一定代表性。不少单位以此为典型,做了大量调查研究工作。在今年拆旧桥建新桥的过程中,作者也进行了多次实地考察。旧桥有不少经验教训需要总结,结构破坏的原因也是多方面、综合性的,本文仅就防冰盐的危害性进行阐述与探讨。2防冰盐的使用情况及其破坏作用国外早期采用的防冰盐主要是氯盐,因为其来源广泛、价格便宜、化冰雪效果好等优点,得到了迅速发展和普遍应用。在早期,对其危害性有认识不足的一面,也有经济利益和“短期行为”的促使,以致于到大

9、量出现问题时才逐渐重视。国外一方面发展无害或低害的化冰雪产品、最大限度地减少氯盐用量,另一方面,在不能杜绝使用氯盐的情况下,从设计入手,对桥梁采取防盐害技术措施。对于已经遭盐害破坏的2000年第2期103 防冰盐腐蚀与钢筋混凝土的耐久性重量(k g /m3混凝土C l -含量水泥重量百分比(%取样部位与钢筋锈蚀情况柱子(钢筋未锈柱子(钢筋明显锈蚀桥面板(取芯、无钢筋序号123表1西直门桥混凝土样CI -含量分析图2柱子破坏情况(顺筋裂图3柱内钢筋锈蚀情况桥,只好不惜工本进行修复工作。我国北方地区也采用撒氯盐化冰雪的方法。但是,我国的建桥规范中,至今还没有防盐害措施的规定,这就造成了一方面“不设

10、防”,另一方面“盐照撒”的局面。北京市每年撒盐400600t 。据报(北京日报载,1991年的春节两天就出动300车次,化盐400t ,洒盐水3000多吨,确保全市300座立交桥、东西长安街等主要干线交通畅通。据悉天津市也大体如此,一些北方城市和高速公路,也在采取撒盐或盐水的方法。氯盐渗透到混凝土中,提高了氢氧化钙的溶解度,增加了对混凝土的“溶解”侵蚀,同时促进混凝土的冻融破坏,有时还产生结晶腐蚀。但是,氯盐最主要的破坏作用还是对钢筋的腐蚀。当氯离子(Cl -到达钢筋表面并超过一定量(临界值时,原处于钝化状态的钢筋,就会活化、腐蚀。锈蚀产物的发展与体积膨胀(26倍,使混凝土保护层发生顺钢筋开裂

11、、脱落,构件或结构承载力下降或丧失。因此,防冰盐已成为影响钢筋混凝土结构物耐久性的一个大敌。3西直门桥盐害调查与观察分析西直门立交桥是撒盐的对象之一,它始建于70年代末,80年代后期就曾修复过,那时已经出现明显的钢筋腐蚀现象(这与国外使用防冰盐的桥,在515年内出现钢筋锈蚀破坏的情况是一致的。该桥因不能适应交通要求而重建,旧桥共使用19年。以下是该桥拆除前作者进行的相关钢筋锈蚀调查与观察的部分情况。3.1表征与现象在现场观察到,桥面板下方较普遍地存在大片白色渗出物(分析表明为溶蚀产生物,一些部位混凝土脱落、钢筋严重锈蚀,也有冻融破坏的特征(图1;某些大梁出现顺筋裂缝,特别是柱子,柱根或柱顶部位

12、出现顺筋裂缝者居多。立交桥二层内侧和外侧的柱子,绝大部分均有顺筋裂缝,长者达2m 以上,宽度15mm (图2,有的可见到锈迹,其共同的特点是漏、渗水明显的部位,或者流水积聚处(如柱子根部,钢筋锈蚀、混凝土顺筋开裂最明显。3.2剥离混凝土层观察钢筋锈蚀情况现场打开数根有顺筋裂缝的柱子,可观察到钢筋锈蚀明显和严重,箍筋锈断,主筋缩颈明显(图3。如1根柱子是10年前新增设的,其根部也出现顺筋开裂,打开可见到钢筋腐蚀也较严重,但比旁边的老柱子(19年腐蚀稍轻,说明腐蚀是随时间而发展的。用酚酞试剂进行的混凝土碳化试验表明,碳化深度大多尚未达到钢筋表面,可以认为碳化不是导致钢筋锈蚀的主要因素。图3柱上部有

13、水(雨水、化冰盐水等下流的迹象,完全具备发生碱-集料反应的条件。然而除顺筋裂缝外,在柱子的混凝土表面或打开后观察(放大镜,均未发现混凝土有不规则的龟裂,即未观察到碱-集料反应的表征。同时,混凝土顺筋开裂的典型特征,是用碱-集料反应难以解释的(据悉,有几个单位联合,专门研究了西直门桥的碱-集料反应问题,结果认为盐害明显,而碱-集料反应证据不足。3.3混凝土中氯离子(Cl -含量分析西直门桥结构中是否含有Cl -、含量多少?这对说明盐害问题是十分重要的。现场定性试验(Cl -试纸表明,桥结构的混凝土中以及表面的白色渗出物中,的确有Cl -存在。通常公认的方法是取样进行化学分析。为此,对西直门桥的柱

14、子、桥面板等取样,交有检验资格的单位,按标准方法进行化验分析,其结果列于表1。按照美国混凝土学会(ACI 关于混凝土中Cl -含量限制的规定,对于预应力混凝土,Cl -含量限制值为水泥重量的0.06%,对于普通混凝土为0.1%0.2%。由表1可见,除1号外,另两组试样的Cl -含量均大大超过其限制值。许多研究者的试验和实践表明,当混凝土中Cl -含量达0.91.0k g /m 3时,钢筋锈蚀足以使混凝土保护层发生顺筋开裂,并将此列为判别混凝土开裂的Cl -含量界限值。由表1可见,2、3号试样均超过此界限值,而取样部位(柱子也的确存在顺筋裂缝;1号(柱子钢筋未锈,混凝土表面也无裂纹(Cl -含量

15、也的确未达到开裂界限值。检查结果与相关规定的数据有较好的一致性。应该说明,以上是随机取样,不是西直门桥Cl -含量的最高、最低或平均值。本数据旨在证明桥结构中确实存在氯盐,并且已经达到和超过足以使钢筋锈蚀、混凝土开裂、脱落的浓度。据悉,有不少单位都有取样分析的数据,虽然数据不尽相同,但均能证明盐害问题的实在性。原西直门立交桥初建过程中并未掺加氯盐,混凝土中Cl -含量的惟一来源只能是每年冬季撒的盐或盐水,可以认为防冰盐是导致西直门立交桥钢筋锈蚀破坏的“元凶”了。应该说,西直门立交桥使用近20年就损害严重是由多种因素造成的,其中有先天因素,如混凝土质量、设计标准(无防盐措施、使用中超载运行等,但

16、就环境因素而言,防冰盐的影响是显而易见和突出的。防冰盐除导致钢筋严重锈蚀外,还促进混凝土的冻融破坏和溶蚀。西直门立交桥碱-集料反应虽不明显,也是需要注意的因素。4钢筋锈蚀对混凝土耐久性影响的判别图1桥面板破坏情况第31卷104建筑技术虽然世人公认,钢筋锈蚀是当今影响混凝土耐久性的最主要因素之一,但就判别准则方面,尚无完全一致的标准。常见的有以下两个方面。4.1预示应该修复、修补的标准(1钢筋已处于活化状态。干电池电位测量,结构中钢筋自然电位低于-350mV。(2Cl-含量超过相关标准的限定值。(3混凝土顺筋裂缝宽度大于0.1 mm。4.2预示危险或须加固处理的标准(1混凝土顺筋裂缝宽度大于0.

17、15mm(有的定为0.3m m。(2钢筋断面腐蚀损失大于1%。(3钢筋腐蚀失重大于5%。无论按何种判别准则,西直门立交桥的盐害对其耐久性的影响,都是十分明显和严重的。5防冰盐危害的对策我国使用防冰盐的历史还不长,撒盐数量也远不及国外,但就西直门立交桥而言,已经显露出此类盐害的严重性,正在加固中的东直门桥,钢筋锈蚀破坏也很严重。国外的教训、国内的潜在威胁,都明确提醒我们,一定要把与防冰盐危害作斗争提到议事日程上来。首先应提高对防冰盐危害的认识,特别是决策部门及相关人员、设计与工程管理人员,从技术和经济的长远利益出发,高度重视此类问题,立足百年大计,力戒短期行为,以免给国家造成巨大损失。技术方面国

18、内外已有一些经验可借鉴,由于迄今尚无价格低廉、效能优异的防冰盐代用品,预计若干年内还仍需要继续使用氯盐,因此,重点应是对桥梁等的防护与维护。常用的措施有:(1最大限度地减少氯盐使用量,发挥机械、热力、人工等多方面除冰雪的功能,研制开发新型防冰、除冰剂;(2加强防水与导流措施。做好桥面防水层(隔离层、聚合物砂浆面层等,同时设立管或水槽,收集和疏导流水(盐水,使其不能乱流(盐水还污染环境、损害植物生长;(3对结构物进行防护,如采用高性能混凝土、掺加钢筋阻锈剂(北京玉渊潭桥和正在建设中的四环路桥等已经或正在采用R I型阻锈剂、选用耐蚀钢筋(如环氧涂层钢筋等,对混凝土外表面涂防护涂层如采用阴极保护等;(4修订我国相关规程规范,从设计入手强化防盐腐蚀措施;(5对现有桥梁,加强检查、评价、监控、管