阻锈剂及硅粉、阻锈剂联合应用对防止钢筋锈蚀效果的研究
2006-08-07 00:00
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1 前言
根据对我国沿海港口码头工程耐久性调查表明，钢筋混凝土中因钢筋锈蚀而造成耐久性问题占80 %以上，许多海工建筑在建后仅3 年～5 年就出现构件顺筋锈裂和混凝土保护层剥落等现象，不得不提前大修，港口工程耐久年限远远小于设计的使用寿命。为此，海港工程建设必须采用有效措施提高钢筋混凝土的耐久性。
众所周知，钢筋混凝土中钢筋在混凝土的碱性介质中表面形成钝化膜而得到保护。对于海工建筑物，氯离子渗透和浓度的积聚是影响海工结构耐久性的决定因素。当钢筋周围混凝土液相中，氯离子浓度达到某一临界值时，钢筋钝化膜就会破坏。南京水科院从20 世纪80 年代起，到90 年代“九五”攻关，开展了大量提高钢筋混凝土中钢筋防腐蚀措施的研究。研究证明，采用硅粉、磨细矿渣、优质粉煤灰与高效减水剂配制的高性能混凝土可有效提高混凝土的密实性，并显著提高混凝土抗氯离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，多种阻锈剂的研究结果表明，在混凝土中加入少量钢筋阻锈剂，能阻止或减缓钢筋锈蚀的电化学过程，可提高混凝土护筋性，在有氯离子污染的混凝土中能有效延缓钢筋腐蚀、延长寿命，是提高海工建筑物耐久性的另一重要措施。
根据设计，某海军码头采用进口埃肯EM920 等级微硅粉与西卡901 阻锈剂联用措施以确保工程有足够的耐久性。与国内同类产品比较而言，工程拟采用的混凝土外加剂价格较高。由南京水科院瑞迪高新技术公司生产的HLC - VIII 混凝土阻锈剂、HLC - XI 硅粉剂，在氯化物污染与混凝土碳化的侵蚀环境中，具有显著提高混凝土抗钢筋锈蚀的优点，且价格便宜。为了降低工程成本，在满足工程设计对混凝土抗钢筋锈蚀方面要求的前提下，作者对进口的埃肯EM920 等级微硅粉、西卡901 阻锈剂与HLC - XI 硅粉剂、HLC - VIII 阻锈剂的防钢筋锈蚀效果进行了对比试验，为国产材料取代进口材料提供试验依据。
2 防腐试验设计
参照《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》（J TJ275 -2000） 及《水运工程混凝土试验规程》（J TJ270 - 1998） ，为比较出国内外阻锈剂与硅粉的联合阻锈效果，设计防腐试验项目如下：
（1） 在掺有水泥用量0.4 %氯化钠的砂浆中，掺加不同阻锈剂，测定钢筋在砂浆拌合物中的阳极极化曲线，判断阻锈剂对钢筋阳极极化过程的影响，从而比较它们的阻锈作用。
（2） 在掺有水泥用量1.8 %氯化钠的强腐蚀环境中，掺加不同阻锈剂，进行硬化砂浆阳极极化试验。在适当加温条件下加速钢筋锈蚀，测定钢筋电化学腐蚀阳极过程的极化强弱，判断钢筋表面钝化膜的状况，定性比较两种阻锈剂的阻锈效果。
（3） 电化学快速测定氯离子渗透试验，试件尺寸为 10cm×5cm。试件固定在两边分别装有3 %NaCl 及1.2 %NaOH 溶液的试验槽之间。用1000Hz 交流电，测定试件电导和相对氯离子扩散系数，来评定试件抗氯离子渗透能力。
（4） 盐水浸烘试验模拟海工浪溅区和水位变动区混凝土中钢筋的腐蚀环境（即海水干湿交替） ，并且用适当提高温度的方法加快腐蚀，能够反映混凝土密实性、通氧、通水条件、氯离子渗透、外加剂等因素对钢筋腐蚀的综合作用。可以检验出不同外加剂及硅粉，在有氯离子环境下，对钢筋腐蚀的影响。为缩短试验周期，作者采用了砂浆试件。
（5） 参照工程提供的C40 混凝土的两种配合比，采用不同的阻锈剂及硅粉，比较混凝土的抗压强度。
3 试验原材料
3.1 水泥 南京天宝山P·O42.5 级。
3.2 砂 细度模数为2.58 的河砂。成型砂浆试件时，将砂过215mm 筛后使用。
3.3 石 5mm～31.5mm 连续级配碎石。
3.4 阻锈剂
3.4.1 西卡901 阻锈剂
3.4.2 HLC - VIII 混凝土阻锈剂
3.5 硅粉
3.5.1 埃肯微硅粉920D
3.5.2 HLC - XI 硅粉剂
3.6 其他 满足规范要求的各种化学试剂。
4 混凝土中钢筋腐蚀的电化学试验（新鲜砂浆阳极极化法）
4.1 试样制备
灰砂比为1∶2.2 ，水灰比为0.5 。为比较阻锈剂缓蚀效果，新鲜砂浆中均掺加0.14 %NaCl。
4.2 试验结果分析
由结果（图1） 可见，无论掺不掺阻锈剂，钢筋在掺0.4 %NaCl 砂浆拌合物中，电极通电后，在2min 时电极电位V2 小于+ 650mV ，并且又很快大幅度下降，表明钢筋钝化膜均已严重破坏，处于活化状态。但各组活化强弱不同。根据规范，各组钢筋的活化强弱可由V2 值来衡量，V2 值越低，活化越强。由表1 可见，砂浆掺入阻锈剂后，钢筋通电2min 电极电位V2 均明显向正方向移动，表明钢筋在阻锈剂作用下通电初期均有不同程度阳极极化。阳极极化强弱，显示了它们不同的阻锈效果。从V2 值大小来看，2 %HLC - VIII 阻锈效果最大，4 %901次之，2.4 %901 最小。
5 混凝土中钢筋腐蚀的电化学试验（硬化砂浆阳极极化法）
5.1 试样制备
灰砂比1∶2.5 ，水灰比0.5 。
5.2 试验结果分析
规范规定电极通电后，15min 电极电位比2min 时电极电位的下降值不超过50mV（V2 - V15 ≯50mV） ，则认为此电极是钝化电极。否则则认为此种电极是处于钝化和活化之间，其钢筋的钝化膜已受损坏。
 由表2 的试验结果可见：
（1） 空白砂浆试件J - 1 ，V2 - V15为3mV ，未超过50mV ，说明电极处于钝化状态，钢筋钝化膜完好。
（2） 掺入1.8 %氯化钠、未掺阻锈剂的砂浆试件J - 2 ，V2 -V15大于50mV ，说明电极已经处于钝化和活化之间，包裹在砂浆中的钢筋的钝化膜已受损坏。在砂浆试件中掺加1.8 %氯化钠，促进了钢筋腐蚀。
（3）J - 3 、J - 4 为掺入1.8 %氯化钠的同时， 分别掺加2.4 %及4 %901 阻锈剂的砂浆试件，V2 - V15均大于50mV ，说明电极已经处于钝化和活化之间，包裹在砂浆中的钢筋钝化膜已损坏，901 阻锈剂未能阻止氯离子对钝化膜的破坏作用。
（4）J - 5 砂浆试件在掺入1.8 %氯化钠的同时，掺加2 %HLC - VIII 阻锈剂的砂浆，V2 - V15 < 50mV ，说明电极仍然处于钝化的状态，HLC - VIII 阻锈剂是阳极抑制型阻锈剂。
6 砂浆抗氯离子渗透快速试验
6.1 试样制备
6.2 试验结果分析
本试验由试件的电导值和相对氯离子扩散系数，来比较试件抗氯离子渗透性能，试验结果见图2 。试件电导值及相对氯离子扩散系数越大，说明透过砂浆的氯离子量将越多，砂浆抵抗氯离子侵蚀的性能越差。
  6.2.1 掺加901 阻锈剂（L - 2） 砂浆试件比空白（L - 1） 砂浆试件的抗氯离子的能力降低14.6 % ，而掺加HLC - VIII 阻锈剂（L - 3） 的砂浆试件比空白（L - 1） 砂浆试件的抗氯离子能力提高22.5 %。
6.2.2 硅粉的加入对砂浆抗氯离子渗透能力有大幅度的提高。
（1） 掺加901 阻锈剂及埃肯微硅粉（L - 4） 砂浆试件比空白（L - 1） 砂浆试件的抗氯离子的能力提高9.8 % ，比单掺901阻锈剂（L - 2） 砂浆试件的抗氯离子的能力提高21.2 %。
（2） 掺加HLC - VIII 阻锈剂+ HLC - XI 硅粉剂（L - 5） 与掺加HLC - VIII 阻锈剂+ 埃肯微硅粉的砂浆试件（L - 6） 抗氯离子渗透能力的提高幅度差不多（L - 5 略好） ，均比空白（L -1） 砂浆试件提高50 %以上。
6.2.3 由于硅粉良好的几何外形和微小的尺寸，能有效地填充水泥浆体内和骨料界面区的空隙，硅粉中高度分散二氧化硅组分又与水泥水化时释放出来的氢氧化钙晶体反应生成C - S- H 凝胶，使浆体均匀性更好，有利于形成不连通的毛细孔，使混凝土更加密实，因而在混凝土中仅参加8 %的硅粉就使混凝土的抗氯离子渗透能力得到大幅度的提高。
7 盐水浸烘试验（砂浆中钢筋腐蚀快速试验（海水） ）
7.1 试样制备  7.2 试验结果分析
试验时，以试件浸3.5 %NaCl 溶液24h ，60 ℃烘6d 为一循环。按此循环不断往复，经过一定循环次数后，敲开砂浆试件观察钢筋锈况。同样循环次数下钢筋锈积率（锈蚀面积/ 钢筋总面积） 及失重率（将腐蚀产物洗掉后钢筋重量与钢筋初始重量的比值） 越小，则说明砂浆中所使用的阻锈剂阻锈效果越好。表6 、表7 的试验结果均为试件经过12 次循环后测试而得。
7.2.1 两次试验结果表明，空白组的钢筋经过12 次循环发生了严重的腐蚀，超过50 %的钢筋表面覆盖了锈蚀层。
7.2.2 H1 组砂浆的试验结果表明，在保持砂浆流动度不变（160mm ±5mm） 掺入两种阻锈剂，经过12 次循环后，钢筋失重率均仅为空白组的1.22 %。掺入4 %的901 （H1 - 2） 钢筋的锈蚀面积为0.38 % ，掺入2 %HLC - VIII （H1 - 3） 钢筋的锈蚀面积为0.91 % ，仅为空白组的0.69 %和1.64 % ，说明掺入这两种阻锈剂对钢筋均有显著的缓蚀效果。虽然H1 - 2 锈积率比H1 - 3 小，但在同样的失重率下，H1 - 2 比H1 - 3 组钢筋锈蚀深度要深。
7.2.3 H2 组砂浆的试验结果表明，在保持水胶比不变、增加流动度的情况下，阻锈剂与硅粉联合应用对钢筋缓蚀效果显著。掺加ESi 的H2 - 2、H2 - 4 组混凝土中钢筋的锈积率与失重率差不多，比空白组分别减少了81.8 %和91.1 %以上。而掺加CSi 的H2 - 3 组混凝土对钢筋缓蚀的效果更加明显，其锈积率与失重率比空白组混凝土分别减少了91.4 %和99.4 %。
说明HLC - VIII 与CSi 联合应用的效果最好。需要说明的是，若H2 组与H1 组一样保持流动度不变而减小水胶比，联合应用对钢筋缓蚀的效果将更加显著。
8 抗压强度
8.1 试样制备
混凝土配合比以现场的施工配合比为依据，根据混凝土坍落度的不同控制混凝土用水量。
8.2 试验结果分析
从表8 试验结果可以看出，混凝土中掺入阻锈剂后的7d、28d 强度均较空白混凝土（Q - 1） 有所上升，无论是普通混凝土或硅粉混凝土，掺入两种阻锈剂后，混凝土的7d 强度较相近，而硅粉混凝土28d 强度有较大增长，说明两类阻锈剂对混凝土力学性能无不利影响。
9 结论
（1） 混凝土中钢筋腐蚀的电化学试验（新鲜砂浆阳极极化法） 表明砂浆中掺入阻锈剂后，钢筋活化性能均有不同程度的减弱，对阻止钢筋阳极反应的效果，掺入2 %HLC - VIII 阻锈效果最大，4 %901 次之，2.4 %901 最小。
（2） 混凝土中钢筋腐蚀的电化学试验（硬化砂浆阳极极化法） 结果反映出HLC - VIII 阻锈剂阻止了氯离子破坏钝化膜的作用，属阳极抑制型阻锈剂。而901 阻锈剂则未能体现阻锈效果。
（3） 掺加HLC - VIII 阻锈剂砂浆抗氯离子渗透能力可以提高22.5 % ，单掺901 阻锈剂会使砂浆抗氯离子渗透能力降低。硅粉与HLC - VIII 共掺后，砂浆抗氯离子渗透能力可以提高50 %以上。
（4） 盐水浸烘循环的试验结果显示出加入阻锈剂或阻锈剂与硅粉联合应用对钢筋的缓蚀作用显著。HLC - VIII 的掺量比901 低且阻锈效果优于901 。HLC - VIII 与CSi 联合应用的缓蚀效果也优于901 与ESi 联合应用的效果。
（5） 阻锈剂901 及HLC - VIII 的加入，对混凝土的强度无不利影响。
（6） HLC - VIII 的价格为901 的1/ 4 ，且掺量低。HLC -XI 硅粉剂的价格与西卡微硅粉的价格相近，且在使用时由于其减水作用而不需另用减水剂，可免去使用微硅粉还需另外购买减水剂的费用。因此，HLC - VIII 与HLC - XI 联合应用与国外进口材料相比，可体现出其显著的经济性。
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| 原作者： 祝烨然 李克亮 王 冬 温金宝 卢安琪 王昌义 |
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