淺談混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕與防護(hù)

1、淺談混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕與防護(hù)引言在建筑材料和結(jié)構(gòu)中，鋼筋混凝土是比較耐久的，在正常環(huán)境下，能夠達(dá)到長期使用的目的。然而，在腐蝕的環(huán)境和介質(zhì)中，鋼筋混凝土卻能過早的破壞，這些破壞都是鋼筋銹蝕引起的。腐蝕環(huán)境是廣泛存在的，如海洋和沿海地區(qū)、鹽湖和鹽堿地等都是能夠引起鹽腐蝕的自然環(huán)境；而工業(yè)環(huán)境和在道路上撒化冰鹽等大都是人們?yōu)榱诉_(dá)到生產(chǎn)、便利交通等而造成的人為腐蝕環(huán)境。在腐蝕環(huán)境中結(jié)構(gòu)物不能耐久，出現(xiàn)未老先衰的現(xiàn)象，尤其是接連不斷的工程事故，使我們深刻認(rèn)識到研究和提高混凝土耐久性的現(xiàn)實意義，從經(jīng)濟(jì)利益和安全出發(fā)，鋼筋銹蝕破壞的危害性、修復(fù)工作的重要性越來越引起世人的重視。下面將對鋼筋銹蝕機(jī)理、影

2、響因素、銹后鋼筋混凝土的力學(xué)性能等進(jìn)行分析，提出了鋼筋銹蝕應(yīng)采取的幾點預(yù)防措施。1 對鋼筋銹蝕的分析1.1 混凝土中鋼筋銹蝕機(jī)理的研究1.1.1 鋼筋的腐蝕電化學(xué)反應(yīng)過程鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕，這是由于混凝土空隙中的水分通常以飽和的氫氧化鈣的溶液形式存在，其中還含有一些氫氧化鈉和氫氧化鈣，pH值為12.5。在這樣的強(qiáng)堿性的環(huán)境中，鋼筋表面形成鈍化膜，它是厚度為2×10-9 6×10-9m 的水化氧化物(nFe203·mH2O)，阻止鋼筋進(jìn)一步腐蝕。但是，當(dāng)鋼筋表面的鈍化膜受到破壞，成為活化態(tài)時，鋼筋就容易腐蝕。呈活化態(tài)的鋼筋表面所發(fā)生的腐蝕反應(yīng)

3、的電化學(xué)機(jī)理是，當(dāng)鋼筋表面有水分存在時，就發(fā)生鐵電離的陽極反應(yīng)和溶液中氧還原的陰極反應(yīng)，相互以等速度進(jìn)行，其反應(yīng)式如下：陽極反應(yīng) 2Fe4e-2Fe2+陰極反應(yīng) O2+2H2O+4e-4OH-腐蝕過程的全反應(yīng)是陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)的組合，在鋼筋表面析出氫氧化亞鐵，其反應(yīng)式為 2Fe+02+2H202Fe2+4OH-2Fe(0H)24Fe(OH)2+02+2H2O4Fe(OH)3該化合物被溶解氧化后生成氫氧化鐵Fe(OH)3，并進(jìn)一步生成nFe2O3·mH2O (紅銹)，一部分氧化不完全的變成Fe304(黑銹)，在鋼筋表面形成銹層。紅銹體積可大到原來體積的4倍，黑銹體積可大到原來的兩倍。

4、鐵銹體積膨脹，對周圍混凝土產(chǎn)生壓力，將使混凝土沿鋼筋方向開裂，進(jìn)而使保護(hù)層成片脫落，而裂縫及保護(hù)層的剝落又進(jìn)一步導(dǎo)致鋼筋更劇烈的腐蝕。1.1.2 裂縫狀態(tài)下鋼筋的腐蝕當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)橫向裂縫時，根據(jù)電化腐蝕機(jī)理，裂縫處的鋼筋表現(xiàn)為陰極，氧氣主要是通過未裂區(qū)混凝土傳遞到陰極。根據(jù)電化學(xué)作用原理，鋼筋銹蝕須具備4個條件：(1)鋼筋表面要有電勢差。(2)除鋼筋外，陰極和陽極之間要有電介質(zhì)聯(lián)系，這就意味著混凝土必須具有相當(dāng)?shù)臐穸?，有氯離子時，導(dǎo)電性顯著增加。(3)在陽極金屬表面要處于活化狀態(tài)。(4)氧氣能從混凝土表面擴(kuò)散到陰極活化鋼筋表面，有足夠的氧生成氫氧根離子。對裂縫處的鋼筋，在一般大氣條件下，條

5、件(1)、(2)是具備的；從客觀上講，裂縫處是陽極，混凝土未開裂處是陰極，由于裂縫處鋼筋暴露于空氣中，鋼筋失去混凝土的鈍化而處于活化狀態(tài)，因此，條件(3)也是具備的；至于條件(4)，氧的擴(kuò)散速度越大，鋼筋腐蝕越快。因此腐蝕的速度取決于混凝土的密實度及保護(hù)層厚度，混凝土密實度越差，腐蝕速度越大。2 影響鋼筋腐蝕的主要因素混凝土中鋼筋銹蝕的影響因素有：混凝土的密實度、混凝土保護(hù)層厚度、混凝土碳化、氯離子侵入等。在這些因素中，混凝土保護(hù)層的碳化和氯離子侵入是造成鋼筋銹蝕的主要原因。2.1 混凝土碳化、侵蝕氣體和介質(zhì)的侵入空氣中的二氧化碳通過混凝土空隙擴(kuò)散并和混凝土中的氫氧化鈣產(chǎn)生中和作用(碳化)，導(dǎo)

6、致混凝土堿性下降。碳化是介質(zhì)與混凝土相互作用的一種很廣泛的形式，最典型的例子是空氣中的CO2滲入，與孔隙中的Ca(OH)2反應(yīng)，生成CaC03，使pH值下降。當(dāng)pH值<115時，鈍化膜就開始不穩(wěn)定；當(dāng)pH值降低到9左右時，鋼筋表面的鈍化膜遭到破壞，鋼筋開始腐蝕?；炷两Y(jié)構(gòu)的碳酸鹽化是一個緩慢的過程，其速率取決于二氧化碳穿透混凝土的滲透速率，滲透速率很大程度上取決于混凝土的空隙率和滲透性。調(diào)查資料表明：密實度好的混凝土碳化深度僅局限在表面；而密實度差的混凝土，則碳化深度就大。理論分析和實驗分析表明，在大氣環(huán)境下，混凝土的碳化深度與時間的關(guān)系為：（2C·DK·b-1

7、83;t）1/2=K(t)1/2式中， - 碳化深度；DK - C02的擴(kuò)散系數(shù)；C - 混凝土表面CO2的濃度；B - 單位體積混凝土碳化所需的CO2的量；K - 混凝土碳化系數(shù)，與結(jié)構(gòu)所處的自然環(huán)境和使用環(huán)境、水泥品種、結(jié)構(gòu)混凝土質(zhì)量及混凝土早期養(yǎng)護(hù)條件有關(guān)；T - 混凝土暴露時間(年)。2.2 混凝土中Cl-含量對鋼筋銹蝕的影響氯離子很容易引起鋼筋銹蝕，有三種理論解釋氯離子銹蝕的電化學(xué)作用。(1)氧化膜理論鋼筋在堿性介質(zhì)中生成氧化膜，可以保護(hù)鋼筋不受侵蝕，氯離子比其它離子（例如硫酸根離子）更容易通過膜的缺陷或孔隙穿透氧化膜。另一種意見認(rèn)為氯離子能分散氧化膜使之更宜穿透，引起銹蝕。(2)吸

8、附理論氯離子吸附于鋼筋表面，促進(jìn)金屬離子的水化，因而使金屬更容易溶解。(3)過渡絡(luò)合物理論按照這個理論，氯離子生成氯化鐵，氯化鐵自陽極擴(kuò)散從而破壞Fe(0H)2保護(hù)層，使腐蝕繼續(xù)進(jìn)行。氯化鐵在電極不遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)化為氫氧化鐵沉淀，氯離子自陽極傳導(dǎo)更多的鐵離子。至于氯離子的由來，一方面，Cl-可能是隨混凝土組成材料(水泥、砂、石、外加劑)進(jìn)入的，如在冬季施工，為提高混凝土抗凍性而摻入氯鹽、海砂拌制混凝土等；另一方面，Cl-是在混凝土硬化后經(jīng)其孔隙由外界滲入的，如遭受海水侵蝕的海岸混凝土構(gòu)筑物，冬季在混凝土路面上噴灑鹽水防止路面冰凍，游泳池用氯氣消毒等。當(dāng)混凝土構(gòu)件長期處于上述環(huán)境時，氯離子就會通過混凝土

9、中的氣孔，隨水進(jìn)入混凝土的內(nèi)部，最終會接觸鋼筋并開始積累。當(dāng)氯離子達(dá)到臨界濃度后，在足夠的氧氣和水分條件下引起腐蝕的發(fā)生(氯離子的臨界濃度與力筋周圍混凝土的堿度有關(guān)，堿度愈高，氯離子臨界濃度值愈大，通常用氯離子和氫氧根離子的濃度比值來表示氯離子臨界濃度，當(dāng)混凝土含有氯離子Cl-/ OH-大于0.6時，鈍化膜成為可滲透性的和不穩(wěn)定的，即使pH值仍然大于11.5，鈍化膜也被破壞了)。能引發(fā)鋼筋腐蝕的氯離子含量相當(dāng)?shù)停泻芏喾ㄒ?guī)及對氯離子的含量進(jìn)行了規(guī)定，美國混凝土協(xié)會出版物ACI 222R一96混凝土內(nèi)金屬的腐蝕，建議新結(jié)構(gòu)氯離子含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的上限為：(1)預(yù)應(yīng)力混凝土0.08；(2)潮濕條件

10、下的鋼筋混凝土0.10；(3)干燥條件下的鋼筋混凝土0.20?，F(xiàn)場的經(jīng)驗及研究表明，對于受氯離子污染的已建結(jié)構(gòu)，0.026的氯離子濃度足以破壞鈍化膜而引起鋼筋的破壞。其主要反應(yīng)式如下，反應(yīng)最終產(chǎn)物氫氧化鐵Fe(0H)3即是鐵銹。2Fe4e-2Fe2+Fe2+ +2C1-+4H20FeC12·4H20FeC12·4H202Fe(OH)2+2C1-+2H+2H204Fe(OH)2+02+2H2O4Fe(OH)33 鋼筋腐蝕對結(jié)構(gòu)受力的影響在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)，鋼筋受到周圍混凝土的保護(hù)，一般不腐蝕。但當(dāng)保護(hù)層破壞或保護(hù)層厚度不足時，鋼筋在一定條件下將產(chǎn)生腐蝕，鋼筋腐蝕對結(jié)構(gòu)受力影響

11、變化過程如下表所示：截面面積損失率對結(jié)構(gòu)受力的影響總的說來，由于鋼筋與混凝土交界面上鋼筋銹脹力的存在，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生順筋裂縫，甚至使混凝土保護(hù)層剝落，使構(gòu)件截面有效面積減小，更重要的是使鋼筋與混凝土間粘接性能退化；同時，由于鋼筋銹損，其截面面積減小，延性降低，力學(xué)性能退化，使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件受到不同程度的損傷?；炷林袖摻钿P蝕會使構(gòu)件的承載力下降，使結(jié)構(gòu)的性能劣化。4 防腐措施防止鋼筋腐蝕的技術(shù)措施有多種，歸納起來可分為兩大類：第一類是內(nèi)部措施，主要是提高混凝土及其鋼筋自身的防護(hù)能力，如采用高性能混凝土和特種鋼筋(如不銹鋼鋼筋)；第二類被稱作外部措施，主要包括混凝土外涂層、鋼筋涂層、陰極保護(hù)及鋼筋緩

12、蝕劑。此兩大類措施各有特點與利弊，提高混凝土自身對鋼筋的保護(hù)能力，是最根本的防護(hù)原則。下面介紹幾種外部措施：4.1 混凝土外保護(hù)涂層(1) 滲透性涂料涂層。如ZM99-01A33混凝土封閉涂料；滲透性涂料在混凝土表面涂覆后，可與混凝土組分起化學(xué)作用并堵塞孔隙，或自行聚合形成連續(xù)性憎水膜。滲透性涂層材料可深人混凝土內(nèi)部35mm，形成一個特殊的防護(hù)層，能有效地阻止外界環(huán)境中腐蝕介質(zhì)進(jìn)人混凝土中，從而保護(hù)鋼筋免受腐蝕。還有一種與滲透性涂層既類似又有區(qū)別的涂層叫浸漬型涂層。這類浸漬型涂層是用聚合物單體以浸漬的方法滲人混凝土中，并在其內(nèi)聚合，形成一層不透水的保護(hù)層，這類浸漬型涂層只適用于小型構(gòu)件。(2)

13、混凝土表面涂層。如ZM99-01A31混凝土防腐涂料在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物表面，使用耐蝕涂層防止有害介質(zhì)的滲人，保持混凝土堿度及其結(jié)構(gòu)，以達(dá)到防止鋼筋混凝土破壞的目的，這也是有效而常用的方法之一。在小范圍強(qiáng)腐蝕環(huán)境中，采取表面涂層防護(hù)措施是首選。4.2 環(huán)氧涂層鋼筋目前鍍鋅鋼筋、包銅鋼筋已很少使用，合金鋼鋼筋(耐蝕鋼筋)得到一定發(fā)展，特別是環(huán)氧涂層鋼筋，被確認(rèn)為鋼筋防腐蝕的有效措施之一。環(huán)氧粉末的獨特性能與靜電噴涂工藝技術(shù)的發(fā)展，能保證涂層與基體鋼筋的良好粘結(jié)，抗拉、抗彎和短半徑180彎曲仍不出現(xiàn)裂縫的性能，這都是其他涂層難以達(dá)到的。環(huán)氧樹脂粉末涂層還具有極強(qiáng)的耐化學(xué)侵蝕的性能，并且涂層具有不滲透

14、性，因此能阻止腐蝕介質(zhì)如水、氧、氯氣等化學(xué)成分與鋼筋接觸，有效地保護(hù)了鋼筋，使其抗氧氣腐蝕壽命至少延長50年。環(huán)氧樹脂粉末涂層還能長期經(jīng)受混凝土的高堿性環(huán)境而不破壞。然而，在工程使用中也發(fā)現(xiàn)了它的不足。環(huán)氧涂層鋼筋的主要問題集中在鋼筋表面涂層的完整性上。試驗與實踐表明，如果涂層不完整，有孔洞、龜裂等質(zhì)量缺陷，在腐蝕環(huán)境下，鋼筋就會被腐蝕，而且在涂層不完整的缺陷處，鋼筋發(fā)生局部腐蝕的速度比無涂層的鋼筋還要快。因此環(huán)氧涂層鋼筋的關(guān)鍵問題，是在生產(chǎn)和使用過程中如何消除涂層質(zhì)量缺陷。4.3 陰極保護(hù)陰極保護(hù)是保護(hù)鋼筋的有效措施之一。鋼筋的氯離子腐蝕實質(zhì)上是電化學(xué)腐蝕。因此可以采用外加電流或犧牲陽極的陰

15、極保護(hù)方法，給鋼筋提供較高的負(fù)電壓，使鋼筋的電位處于負(fù)極(陰極)，鋼筋的電位降低到陽極開路電壓之下，從而有效地保證了鋼筋混凝土內(nèi)的鋼筋。另外，在電場的作用下，帶負(fù)電的氯離子可向陽極(混凝土表面)遷移，等于從鋼筋表面除掉氯離子，這對于鋼筋的防護(hù)十分有利。4.4 鋼筋緩蝕劑鋼筋緩蝕劑被確認(rèn)為是鋼筋防護(hù)的長期有效的措施之一。它與其它混凝土外加劑不同，它是通過抑制混凝土與鋼筋界面孔溶液中發(fā)生的陽極或陰極電化學(xué)腐蝕反應(yīng)來保護(hù)鋼筋。緩蝕劑的一般原理是緩蝕劑直接參與界面化學(xué)反應(yīng)，使鋼筋表面形成氧化物的鈍化膜，或者吸附在鋼筋表面形成阻凝層，或者兩種機(jī)理兼而有之。早期使用的鋼筋緩蝕劑主要有苯甲酸鈉、重鉻酸鉀、硅

16、酸鈉、苯甲酸鈉、氨水、二環(huán)已胺亞硝酸鹽和各種亞硝酸鹽等。許多對比性研究表明，亞硝酸鈉的緩蝕效果比其他無機(jī)鹽要好。但由于其可能引起“堿集料反應(yīng)”而對混凝土性能有不利影響，并對人體有致癌的作用，現(xiàn)已很少使用。亞硝酸鈣具有緩蝕效率高，對混凝土無劣化作用且價格低廉，但應(yīng)注意其毒性及孔蝕危險。因此在使用鋼筋緩蝕劑必須注意以下問題：(1)不宜在酸性環(huán)境中使用。試驗表明，當(dāng)環(huán)境的pH值較低時，緩蝕劑的效果大大降低；(2)在特殊腐蝕條件下，依靠鋼筋緩蝕劑不能實現(xiàn)長期保護(hù)的目的，有時需要與外涂層或環(huán)氧涂層鋼筋等聯(lián)合使用；(3)鋼筋緩蝕劑的成分大都是化學(xué)物質(zhì)，有些品種不宜在飲用水系統(tǒng)中使用。5 結(jié) 論(1)混凝土中的鋼筋腐蝕是目前混凝土耐久性大課題中的一個難點，混凝土中的鋼筋在各種侵蝕性介質(zhì)作用下的腐蝕可歸為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。不同條件下，腐蝕的機(jī)理、程度也不同。(2) 在結(jié)構(gòu)的承載力評估中必須充分考慮因鋼筋腐蝕導(dǎo)致鋼筋與混凝土之間粘結(jié)性能退化而使結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的形態(tài)。(3)在開裂出現(xiàn)前，主要是由于腐蝕性的物質(zhì)由混凝土擴(kuò)散到鋼筋導(dǎo)致其腐蝕，因此，應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土的施工質(zhì)量，以保