港工腐蚀钢筋混凝土结构修复技术研究

徐传军

(连云港阳光海湾置业发展有限公司，江苏连云港 222001)

1 港工结构钢筋腐蚀现状

在美国，港工结构最普遍的耐久性破坏形式是混凝土中的钢筋腐蚀，每年总损失高达60亿美元。在英国，根据运输部门1989年的报告:为解决海洋环境下钢筋混凝土结构腐蚀与防护问题，每年花费近20亿英镑。阿拉伯海湾地区由于高温(20℃～50℃)高湿(60%～100%)，大气中混凝土拌合物骨料和水中氯化物含量高，使得混凝土中钢筋腐蚀特别严重，混凝土结构的平均使用寿命仅约10年～15年。调查表明:钢筋腐蚀是科威特及其他海湾国家混凝土结构破坏的主要原因。我国交通部等有关单位分别于1963年，1965年，1980年，1996年，针对沿海港口工程混凝土结构破坏状况组织过四次调查，调查结果指出:80%以上都发生了严重或较严重的钢筋腐蚀破坏，有的结构仅5年～10年就出现了钢筋腐蚀。南京水科院对1980年建成的宁波北仑港10万t级矿石码头进行了调查，发现该码头使用不到10年，其上部结构就发生了严重的钢筋腐蚀。天津港客运码头1979年建成，使用不到10年，就发现前承台板有50%左右出现钢筋腐蚀。天津新港从1958年～1985年共建25个码头泊位，岸线长达6 000 m，其结构均为高桩承台式，使用时间长的有30多年，短的只有5年～6年，在使用过程中不断发现梁、板、桩等构件有不同程度的损坏，影响码头的正常使用。1996年，交通部四航局科研所对1986年后建成的华南地区的C港和E港的20个泊位进行了调查，发现E港大部分纵、横钢筋的腐蚀年限均不足10年和5年，在码头建成5年～6年后即发现大量腐蚀裂缝。青岛理工大学2000年对青岛海港工程的耐久性调查表明:氯离子渗入引发钢筋腐蚀是导致混凝土结构破坏的主要原因。连云港杂货一、二码头1976年建成，1980年就发现腐蚀裂缝。2001年河海大学对连云港西大堤钢筋混凝土护栏工程进行现场调查，该工程虽运行不足四年，但已出现严重钢筋腐蚀、保护层开裂、混凝土剥落和钢筋锈断情况。江苏省水科所对华东84座沿海混凝土挡潮闸进行了调查，钢筋腐蚀严重需要维修或大修的为71座，其中有些挡潮闸胸墙、启闭机工作桥大梁钢筋已经锈断。

2 港工结构钢筋腐蚀特点

1)由于港工混凝土结构是处于流动水作用的条件下工作，特别是海水或海洋气候环境，使得港工混凝土结构的工作环境要比其他建筑物(如工业与民用建筑物)更为复杂和严酷，钢筋腐蚀问题更为突出。2)港工混凝土多为大体积混凝土，水化热温升导致温度裂缝问题比较突出。这些裂缝为氯离子渗透提供快速通道，使得混凝土中钢筋腐蚀速度加快，钢筋腐蚀膨胀又促进混凝土裂缝扩展，最终导致混凝土剥落，钢筋有效截面积减小。3)东南沿海港工混凝土结构冻融作用不是混凝土破坏的主要原因。碳化进展缓慢，相对湿度较高，不利于碳化。综上所述，从国内外对港口工程调查研究结果来看，混凝土中钢筋腐蚀导致混凝土结构的过早破坏，是当今影响港口工程混凝土结构耐久性的首要原因，钢筋腐蚀已经给国民经济带来巨大经济损失。这个局面要求我们尽快大力加强已有港口工程结构钢筋腐蚀维修技术的研究。

3 国内外研究现状分析与评价

目前，对腐蚀钢筋混凝土结构修复的方法主要有挖补法和补强加固法。挖补法即将受损的混凝土保护层清除，对新生面进行必要的处理后，采用修补砂浆进行修补。补强加固法一般是采用高性能合成材料或钢筋等材料对构件进行补强加固。

O.Rio等［1］分别对受压区和受拉区钢筋腐蚀，并同时考虑配筋率、钢筋与混凝土的粘结性能以及箍筋的损失，对修复后构件弯曲性能的影响进行了研究，发现受拉区钢筋配筋率对梁的延性影响很大，箍筋的损失对构件修复后的使用极限荷载影响不大。S.U.Al-Dulaijan等［2］对除锈方式、修补材料以及腐蚀率对腐蚀钢筋混凝土梁修补后二次腐蚀和抗弯强度的影响进行了试验研究。结果表明:不同的除锈方式对梁的抗弯承载力没有显著的影响，不同的修复砂浆对梁的抗弯强度也影响不大，而聚合物砂浆和抛丸除锈则能更好地抑制继续腐蚀速度。P.R.Vassie［3］研究了钢筋表面处理方式对修复后腐蚀的影响，对钢筋表面局部腐蚀、全面腐蚀以及坑锈三种情况，分别用钢丝刷除锈、电动刷除锈、抛丸除锈。结果表明，钢丝刷除锈、电动刷除锈对钢筋腐蚀没有效果，抛丸对坑锈的处理有良好的效果。修复后构件钢筋表面的清洁程度对其耐久性影响很大。影响腐蚀钢筋混凝土梁修复效果的因素很多，包括:钢筋腐蚀率、配筋率、修复材料、锈的类型以及钢筋的除锈方式。但总体来说，挖补修复是可行的。而Farid Moradi-Marani等［4］在研究码头钢筋混凝土结构的腐蚀和修复时，发现修复区的钢筋未发生腐蚀，而修复区和未修复区边界的钢筋发生了腐蚀和收缩裂缝，修复区和未修复区具有明显的不相容性。南京水利科学院的洪定海教授［5］在总结国外挖补法用于腐蚀钢筋混凝土构件修复试验以及工程应用时提到了同样的问题，指出进行局部修补不能阻止钢筋继续腐蚀，必须将受氯盐污染的混凝土全部去除。而中国矿业大学的姬永升等［6］对腐蚀钢筋混凝土结构局部修复的电化学不相容性研究表明，修补区和原混凝土区的电位差是引起电化学不相容的根本原因，而采用环氧树脂胶泥则可以切断离子通道，是消除结构局部修复引起的电化学不相容的有效办法。由此可知，如果修复材料的密实性足够好，挖补修复是可行的。

在腐蚀钢筋混凝土梁加固方面，A.H.Al-Saidy等［7］通过试验研究了不同腐蚀率下钢筋混凝土梁用CFRP材料加固后的弯曲性能。结果表明，加固梁的承载力有了很大提高，是否修复保护层或使用U型CFRP对加固腐蚀钢筋混凝土梁正截面承载力以及延性的影响很大，但文中并未对加固后耐久性问题进行研究。Sobhy Masoud［8］对CFRP加固后构件的耐久性问题进行了研究，得出了CFRP加固后梁钢筋腐蚀速度比未加固梁腐蚀速度小的结论，说明CFRP能够在一定程度上减小钢筋腐蚀速度。Rania Al-Hammoud［9］则研究了腐蚀钢筋混凝土梁用CFRP材料加固后的疲劳性能。试验结果表明，在锚固区用U型加固方法使梁的承载力大大提高。胡若邻［10］通过试验研究了不同层数的CFRP加固腐蚀钢筋混凝土梁的效果，发现在发生较严重腐蚀时，多层CFRP的加固效果要优于单层CFRP的加固效果。但文中没有研究相应腐蚀率下最经济层数。

Alfarabi Sharifa等［11］在研究卸载和不卸载对轴心荷载下腐蚀钢筋混凝土柱修复效果时，发现卸载后修复的钢筋混凝土柱在重新承受荷载时，修复区和原混凝土区的荷载是通过材料的弹性模量和面积进行分配的，而未卸载的情况下，其荷载的分配只在有新荷载增加的情况下才进行分配，并且新荷载按材料的弹性模量和面积进行分配。S.Soleimania［12］通过数值模拟技术模拟了用挖补法修补钢筋混凝土构件后其腐蚀情况，并对照了Barkey’s的试验结果。模拟结果和试验结果相一致:在修补界面附近2 cm～5 cm的原混凝土区域产生萌生阳极，阳极的电流密度有明显的峰值，且其大小接近于修补前的电流密度。原混凝土的电阻和修补材料的电阻是影响萌生阳极的重要因素。而修复的尺寸和保护层大小并不影响萌生阳极的性质。因此，在修补时应尽量将受氯离子污染的混凝土全部清除，修补材料宜与原混凝土电阻相当，以保证其相容性。考虑到柱作为最主要的承重构件，保证承载力是第一要位的，所以专家学者将研究的重点放在了加固上。Al-Ain［13］通过试验和理论分析研究了腐蚀钢筋混凝土柱用CFRP进行加固后在压弯组合作用下的力学性能。试验发现，完全包裹CFRP加固方法使得柱的偏心率在0.3时，其承载力相对于控制柱最大可提高40%，并且随着偏心距的增大，提高幅度越小。偏心率为0.3时，部分包裹CFRP柱比完全包裹CFRP柱的承载力小8%，但是承载力提高幅度随着偏心率的变化并无明显的变化。C.Lee［14］同样研究了腐蚀钢筋混凝土柱用CFRP加固后的承载力性能，同时又对加固后的耐久性做了研究，在二次腐蚀中，通过对腐蚀电位和电流的测量发现在二次腐蚀，FRP修复梁要比未修复梁腐蚀速度小50%。但是，并未对二次腐蚀后柱的承载力进行研究。S.P.Tastani［15］对不规则(菱形)腐蚀柱在修复后，并二次腐蚀后的性能进行了研究。试验采用三种修复方法:挖补法、FRP加固、两种方法综合使用。试验结果表明，方案三能够有效地防止构件内钢筋继续腐蚀，各个方案都使得构件的承载力和变形能力有很大的改善，用CFRP加固的柱破坏为脆性破坏，其峰值应变和极限应变相差不大，并且均小于普通钢筋混凝土柱用CFRP加固后的应变。CFRP的加固效果要优于GFRP，因为其加固后延性较好。Han-Seung Lee［16］在研究钢筋混凝土柱用碳纤维布加固后抗剪性能时发现，用碳纤维布加固腐蚀柱能提高腐蚀柱的延性，限制粘结滑移裂缝的产生，阻止剪切裂缝的发展。邓宗才［17］研究了碳纤维复合材料用于腐蚀钢筋混凝土构件修复时的粘结性能和防腐蚀能力。试验结果表明，碳纤维复合材料修复腐蚀钢筋混凝土柱能有效阻止构件内部钢筋继续腐蚀，并且能够改善钢筋与混凝土之间的粘结性能，其阻锈能力优于聚合物砂浆和硅烷。

相对于梁和柱，在腐蚀钢筋混凝土板的修复和加固研究方面就显得较少。H.Tatematsua［18］介绍了盐吸附剂(阻锈剂的一种)在板挖补修复中的应用，修复后在长期(7年)的暴露之后，通过半电池电位法测得修复区域与未修复区域的电位，发现这种材料在防腐蚀方面具有良好的效果，并且应用到了地铁结构中。意大利学者Luca Pelà［19］研究了腐蚀钢筋混凝土板在综合应用挖补法和补强加固法进行修复后的性能。研究结果表明，这种综合的修复方法能够明显提高板的极限承载力。从板的破坏模式来看，修复效果很大程度上取决于修复砂浆的性质，具有良好粘结性能的修复砂浆是修复材料的首选。由于板的混凝土保护层相对于梁柱较小，钢筋更容易发生腐蚀，因此对板的修复加固必须得到重视。

4 修复技术存在问题与研究展望

到目前为止国内外对腐蚀钢筋混凝土构件修复进行了较多的研究，取得了许多研究成果。但是，对不同腐蚀率下钢筋混凝土构件修复设计方法以及修复后耐久性能及其评价方法研究很少。工程应用中缺乏理论依据，甚至存在“坏了修、修了坏”的现象。

因此，今后应重点研究不同腐蚀率下的钢筋混凝土构件修复加固后承载力、变形性能和耐久性能，提出腐蚀钢筋混凝土构件修复加固设计与施工技术指南，为港口工程腐蚀钢筋混凝土结构维修提供理论依据。具体包括:对腐蚀钢筋混凝土构件修复材料选择进行了研究，试验研究所选修复材料与旧混凝土之间的粘结性能;对腐蚀钢筋混凝土梁修复前抗弯力学性能进行试验研究，分析纵向钢筋腐蚀率对梁抗弯承载力、变形等力学性能的影响;对采用普通砂浆和环氧砂浆修复后的腐蚀钢筋混凝土梁抗弯力学性能进行了试验研究，分析了不同钢筋腐蚀率下的修复效果以及不同修复方式对梁力学性能的影响;对采用普通砂浆修复后的腐蚀钢筋混凝土梁进行了干湿交替的耐久性试验研究，分析了普通砂浆修复后的腐蚀钢筋混凝土梁电位、电阻率的变化;对腐蚀钢筋混凝土梁FRP加固前后力学性能进行了试验研究，分析钢筋腐蚀率对结构承载力、变形等力学性能的影响。对港工腐蚀钢筋混凝土结构修复和加固设计方法进行了研究，制定相应的设计与施工技术指南。

［1］O.Rio，C.Andrade，D.Izquierdo，et al.Behavior of patch repaired concrete structural elements under increasing static loads to flexural failure［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2005，17(2):168-177.

［2］S.U.Al-Dulaijan，M.M.Al-Zahrani，H.Saricimen，et al.Effect of rebar cleanliness and repair materials on reinforcement corrosion and flexural strength of repaired concrete beams［J］.Cement and Concrete Composites，2002(24):139-149.

［3］P.R.Vassie.The influence of steel condition on the effectiveness of repair to reinforced concrete［J］.Construction and Building Materials，1989，3(4):201-207.

［4］Farid Moradi-Marani.Investigation of corrosion damage and repair system in a concrete structure［J］.Journal of Composites for Construction，2010，24(4):294-301.

［5］洪定海.盐污染混凝土结构钢筋腐蚀破坏的局部修复［J］.建筑材料学报，1998，1(2):164-169.

［6］姬永升，袁迎曙，丁北斗.钢筋混凝土结构局部修补电化学不相容试验研究［J］.混凝土，2004(6):3-6.

［7］A.H.Al-Saidy，K.S.Al-Jabri.Effect of damaged concrete cover on the behavior of corroded concrete beams repaired with CFRP sheets［J］.Composite Structures，2011(93):1775-1786.

［8］Sobhy Masoud，Khaled Soudki.Evaluation of corrosion activity in FRP repaired RC beams［J］.Cement＆ Concrete Composites，2006(28):969-977.

［9］Rania Al-Hammoud，Khaled Soudki，Timothy H.Topper.Bond analysis of corroded reinforced concrete beams under monotonic and fatigue loads［J］.Cement ＆ Concrete Composites，2010(32):194-203.

［10］胡若邻，苏林王，王友元.不同层数CFRP布加固锈蚀RC梁抗弯承载力试验研究［J］.水运工程，2010(10):119-123.

［11］Alfarabi Sharifa，Muhammad Kalimur Rahman，Ahmad S.Al-Gahtani.Behavior of patch repair of axially loaded reinforced concrete columns［J］.Cement ＆ Concrete Composites，2006(28):734-741.

［12］S.Soleimania，P.Ghods，O.B.Isgor.Modeling the kinetics of corrosion in concrete patch repairs and identification of governing parameters［J］.Cement ＆ Concrete Composites，2010(32):360-368.

［13］Al-Ain，Abu Dhabi.Behavior of corrosion-damaged RC columns wrapped with FRP under combined flexural and axial loading［J］.Cement＆ Concrete Composites，2008(30):524-534.

［14］C.Lee，J.F.Bonacci，M.D.A.Thomas，et al.Accelerated corrosion and repair of reinforced concrete columns using carbon fibre reinforced polymer sheets［J］.Canadian journal of civil engineering，2000，27(5):941-948.

［15］S.P.Tastani，S.J.Pantazopoulou.Experimental evaluation of FRP jackets in upgrading RC corroded columns with substandard detailing［J］.Engineering Structures，2004(26):817-829.

［16］Han-Seung Lee，Tadatsugu Kage，Takafumi Noguchi.An experimental study on the retrofitting effects of reinforced concrete columns damaged by rebar corrosion strengthened with carbon fiber sheets［J］.Cement and Concrete Research，2003(33):563-570.

［17］邓宗才，李朋远，师亚军.CFRP加固腐蚀钢筋混凝土的抗腐蚀性能和粘结性能［J］.北京工业大学学报，2010，10(36):1357-1362.

［18］H.Tatematsua，T.Sasaki.Repair materials system for chlorideinduced corrosion of reinforcing bars［J］.Cement＆ Concrete Composites，2003(25):123-129.

［19］Luca Pelà，Alessandra Aprile，Andrea Benedetti.Experimental study of retrofit solutions for damaged concrete bridge slabs［J］.Composites Part B:Engineering，2011，42(6):1-9.