鋼筋混凝土的腐蝕與預防措施

鋼筋混凝土的腐蝕與預防措施摘要：鋼筋混凝土結構的耐久性問題一直沒有得到很好的解決,為此這方面的研究日益受到重視,外界惡劣環(huán)境的侵蝕,會使混凝土保護層受損、開裂和剝落,從而使混凝土內(nèi)的鋼筋產(chǎn)生銹蝕,降低構件的耐久性和結構的安全性,特別是沿海地區(qū)的地下混凝土結構中的鋼筋銹蝕更為嚴重。本文提出了鋼筋混凝土的腐蝕機理和防腐技術，并介紹了相應的防護措施,以提高鋼筋混凝土的耐久性。關鍵詞：鋼筋混凝土；腐蝕；防腐技術；預防措施概述鋼筋混凝土結構是目前應用較廣的結構形式之一。隨著建筑物的老化和環(huán)境污染的加重，鋼筋混凝土結構耐久性問題越來越引起國內(nèi)外廣大研究者的關注。在第二屆國際混凝土耐久性會議上，Mehta教授指出："當今世界混凝土破壞原因，按遞減順序是：鋼筋腐蝕、凍害、物理化學作用"。他明確地將"鋼筋腐蝕"排在影響混凝土耐久性因素的首位。而來自海洋環(huán)境的氯鹽和用于化冰雪的除冰鹽，又是造成鋼筋腐蝕的主要原因。美國1984年報道，僅就橋梁而言，57.5萬座鋼筋混凝土橋，一半以上出現(xiàn)鋼筋腐蝕破壞，40%承載力不足和必須修復與加固處理，當年的修復費為54億美元；1988年報道，鋼筋混凝土腐蝕破壞的修復費，一年要2500億美元，其中橋梁修復費為1550億美元（是這些橋初建費用的4倍）。加拿大早期大量使用除冰鹽，使鋼筋混凝土橋梁等破壞嚴重。歐洲、澳大利亞、海灣國家等，都有以氯鹽為主的鋼筋腐蝕破壞問題，其中英國修復費為每年50億英鎊。韓國曾發(fā)生一系列建筑物破壞、倒塌事件，其中很多也與"鹽害"有關。在我國已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多海港碼頭的混凝土梁、板使用不到10年已普遍出現(xiàn)順筋銹脹開裂、剝落。北京、天津的許多立交橋，因為冷天撒鹽化冰雪也日益暴露出嚴重的鋼筋腐蝕問題，不得不斥巨資修復。鋼筋混凝土腐蝕機理的分析2.1硫酸鹽對混凝土腐蝕作用機理Na2SO4,MgSO4等硫酸鹽與混凝土中水泥的水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應生成:1)鈣礬石(3CaO?Al2O3?3CaSO4?31H2O),一種針狀結晶體,固相體積是原來的1.5倍,由于是在固化了的混凝土中發(fā)生反應。因此,在混凝土內(nèi)形成膨脹應力而引起混凝土結構的破壞。2)Mg(OH)2,一種白色松軟的不定形物質(zhì),會使水泥漿體的結構遭到破壞。3)氯化鈣和石膏,其溶于水后會造成混凝土的浸析增加。4)硅酸鎂水化物,其與硅酸鈣水化物的取代反應會使混凝土強度下降。2.2氯離子對鋼筋的腐蝕作用機理混凝土在水化作用時,水泥中氯化鈣生成氫氧化鈣,使混凝土中含有大量的OH-,使pH值一般可達到12~14,鋼筋在這樣的高堿環(huán)境中,表面容易生成一層致密的鈍化膜。研究結果表明,這種鈍化膜能阻止鋼筋的銹蝕,只有這層膜遭到破壞后,鋼筋才開始銹蝕。破壞鈍化膜鈍化膜只有在高堿性環(huán)境中才是穩(wěn)定的。當pH值小于一定的數(shù)值時,就會難以生成鈍化膜或已經(jīng)生成的會逐漸受損。Cl-進入混凝土中并到達鋼筋表面,局部鈍化膜開始破壞,發(fā)生鋼筋腐蝕。氯離子導電作用由于混凝土結構中氯離子的存在,降低了陰極、陽極間的電阻,強化了離子通路,提高了腐蝕電流的效率,從而加速了鋼筋的電化學腐蝕過程。形成腐蝕電流Cl-對鋼筋表面鈍化膜的破壞,使某些部位露出鐵基本體,與尚完好的鈍化膜區(qū)域之間構成電位差。大面積的鈍化膜區(qū)作為陰極發(fā)生還原反應,鐵基體作為陽極而受到腐蝕。腐蝕由局部開始逐漸在鋼筋表面擴展。氯離子的陽極去極化作用加速陽極過程者,稱做陽極去極化作用,Cl-具有這樣的作用:陽極:Fe—2e=Fe2+,Cl-與Fe2+相遇生成FeCl2,使Fe2+消失,從而加速陽極反應。但是FeCl2是可溶的,在向混凝土內(nèi)擴散遇到氫氧根離子發(fā)生反應,最后可氧化成鐵的氧化物。在這個過程中,Cl-只起“搬運”作用,而不被“消耗”。因此,混凝土中的Cl-會周而復始的起破壞作用。與水泥的作用對鋼筋的銹蝕影響在一定的條件下,氯鹽可與水泥中的鋁酸三鈣生成不溶性“復鹽”,可以降低Cl-含量,同時降低硫酸鹽與鋁酸三鈣作用而發(fā)生“膨脹”破壞。但當混凝土的堿度降低時,“復鹽”會分解重新釋放出Cl-,對鋼筋產(chǎn)生腐蝕。3鋼筋混凝土防護措施通過上面腐蝕機理的分析,要提高鋼筋混凝土的耐久性就要做到:保持混凝土的高堿度;提高混凝土的密實度,增強抗?jié)B能力;控制SO42-,Cl-的含量。3.鋼筋在鹽環(huán)境中的防腐技術3.1防腐技術研究防腐技術的目的，在于使結構物從投入使用，到內(nèi)部的鋼筋開始銹蝕的時間盡可能的接近設計壽命。要想完全避免Cl－的腐蝕，最理想的方法就是從根本上保證混凝土與氯鹽環(huán)境隔絕，事實上這是不可能的。重要的是如何有效地控制氯鹽的總量，使之限定在規(guī)定的范圍之內(nèi)。依據(jù)鋼筋在氯鹽環(huán)境中的電化學行為的研究結果和腐蝕機理，認為凡是能夠有效的阻止混凝土PH值下降、保證鋼筋界面上的鈍化膜不活化、維持界面雙電層的電位恒定、避免鋼筋表面去極化的發(fā)生，就能夠有效地控制腐蝕的發(fā)生，也即防腐技術。本文就防腐技術歸納如下：（1）混凝土中Cl－總量限定值所謂“限定值”是指混凝土中所允許的最大值。研究表明，Cl－的總量限定值應小于0.18％（普通混凝土水泥重量百分比），折合為0.55kg／m3，該值相當于美國（ACI）的限定值，比日本土木學會的規(guī)范值低8％，研究結果與美、日發(fā)達國家規(guī)范值基本上是一致的。此外Cl－的總量還直接影響著其在混凝土中的擴散速率，擴散過程可用下列方程描述：（2）可利用正態(tài)分布求出。這樣，利用擴散方程可以將Cl－擴散與使用年限建立起關系，進而據(jù)此進行混凝土耐久性設計或檢驗評估，同時也確定了擴散速率與Cl－濃度的關系。（3）限定鋼筋界面的電流密度和酸堿度限定鋼筋界面的電流密度是保證電位恒定的基本指標，即鋼筋界面保護膜鈍化狀態(tài)向活化狀態(tài)轉(zhuǎn)化的臨界值。該臨界值不小于10A／cm2.而強堿性則是鋼筋界面保護膜的最佳環(huán)境條件，酸堿度的最佳值不小于11.5.（4）限定混凝土裂縫寬度和水膠比混凝土裂縫使腐蝕介質(zhì)通過混凝土保護層，進入到鋼筋表面。必須對混凝土保護層裂縫的寬度加以限制，對高性能混凝土裂縫的限定值為0.2mm.對普通混凝土該值要適當減小。而對混凝土本身要減小Cl－的擴散速度，必須減小混凝土的滲透性，控制混凝土滲透性最有效的方法是控制其水膠比，一般限制在0.35～0.45.3.2水泥和骨料材料的選擇水泥是配置抗腐蝕混凝土的關鍵原料。為提高混凝土抗SO42-腐蝕性和抗裂性能,選用含C3A、堿量低的普通硅酸鹽水泥和堅固耐久的潔凈骨料。并控制水泥和骨料中Cl-的含量;要重視單方混凝土中膠凝材料的用量和混凝土骨料的級配以及粗骨料的粒形要求,并盡可能減少混凝土膠凝材料中的硅酸鹽水泥用量。3.3摻入高效活性礦物摻料活性礦物質(zhì)摻料中含有大量活性SiO2及活性Al2O3。由于現(xiàn)在水泥產(chǎn)品的細度減小、活性增加,使得水化反應加速、放熱加劇、干燥收縮增加,導致混凝土溫度收縮和干縮產(chǎn)生的裂紋增加。將二級粉煤灰,S95級礦粉復合摻入混凝土中,可以減少熱開裂,提高抗?jié)B性,降低混凝土中鈣礬石的生成量。3.4摻入高效減水劑一般情況下,材料的組合與配合比中對混凝土抗?jié)B性最具影響力的因素是水灰比。因此在保證混凝土拌合物所需流動性的同時,應盡可能降低用水量。加入減水劑可以使水泥體系處于相對穩(wěn)定的懸浮狀態(tài),在水泥表面形成一層溶劑化水膜,同時使水泥在加水攪拌中絮凝體內(nèi)的游離水釋放出來,達到減水的目的。天津地鐵2號線的具體施工中摻入了DF-6緩凝高效減水劑,以降低水灰比,增加混凝土的密實性。3.5摻加防腐劑針對地下水同時含SO42-,Cl-,采用SRA-1型防腐劑,可以將水泥抗硫酸鹽極限濃度提高到1500mg/L。因為,其中的SiO2與水泥的水化產(chǎn)物氫氧化鈣生成水化硅酸鈣凝膠,降低硫酸鹽腐蝕速度;次水化反應也減少氫氧化鈣的含量,降低液相堿度,從而減少了硫酸根離子生成石膏的鈣礬石數(shù)量,減緩了膨脹破壞。同時它還相對降低水泥中鋁酸鹽的含量,它的氯離子滲透系數(shù)為抗硫酸鹽水泥的0.1,為普通硅酸鹽的0.5,所以SO42-和Cl-并存時,它更有利于抵抗鹽類腐蝕。4.預防措施（1）嚴把檢測關、增厚保護層建議質(zhì)檢部門把“新拌砂漿法”和“硬拌砂漿法”作為工程質(zhì)檢的必測過程。使原材料中所含氯鹽總量控制在限定值之內(nèi)。而僅僅靠自身帶入的氯離子不足以造成鋼筋的銹蝕。在此基礎上適當提高保護層的厚度。大量工程實踐和試驗表明，處于氯鹽環(huán)境中的混凝土表面12mm深度內(nèi)的氯離子濃度遠遠高于25～50mm深度范圍。因此在氯鹽環(huán)境中的工程，混凝土保護層的厚度應不小于38mm，最好是不小于50mm，考慮到施工偏差，設計保護層厚度應選擇65mm.（2）優(yōu)選原材料和阻銹劑在選擇水泥時盡量選擇礦渣、火山灰、粉煤灰水泥。這些水泥中的水泥石Ca（OH）2含量低，能夠預防氯鹽對水泥石的溶解和溶出，并防止氯鹽與水泥石發(fā)生堿集料反應，生成低強度、低膠結力的膨脹鹽，以及由此產(chǎn)生的混凝土松散、露骨和脫落。粗骨料應盡量選擇高堿性的碳酸巖碎石，它一方面能與水泥有高強度的膠結力，另一方面能形成高堿性的環(huán)境，使鋼筋界面的鈍化膜長期處于鈍化態(tài)。細骨料要盡量采用河砂以防止海砂帶入氯鹽。在此基礎上優(yōu)選適合于工程特點的鋼筋阻銹劑，建議使用NaNO2復合型阻銹劑，這種堿性阻銹劑在堿性環(huán)境中可生成Fe3O4氧化膜，阻止Cl－離子對鋼筋的腐蝕。（3）采用三組分膠結材料及涂層降低腐蝕介質(zhì)在混凝土中的滲透性，是防止Cl－進入鋼筋表面最直接的方法之一。通常采用的方法是在混凝土中摻加一定量的微硅粉、粉煤灰或磨細礦渣。水泥、微硅粉、粉煤灰稱為三組分膠結材料。三組分材料制成的混凝土，具有極低的滲透性并具有很高的抗Cl－滲透能力，同時具有低熱、經(jīng)濟等優(yōu)點。微硅粉可以提高混凝土的耐磨性，微硅粉和粉煤灰能有效降低活性集料含量及總堿量，從而避免堿集料反應發(fā)生。此外混凝土表面涂層是防止鋼筋銹蝕的第一道防線?；炷帘砻娴耐繉幽茉谝欢〞r期內(nèi)有效防止腐蝕介質(zhì)浸入，但因其使用壽命的限制，而不能廣泛使用。目前與混凝土壽命匹配的水泥基聚合物涂層、砂漿層成為混凝土表面保護層的首選。（4）禁止使用含氯鹽的融雪、化冰劑對于已成型的結構物而言最重要的是禁止在結構物表面直接接觸氯鹽。我國長江以北地區(qū)噴灑氯鹽融雪化冰的勢頭有增無減，因此有必要建立一套關于融雪化冰劑的檢測規(guī)程和技術標準，授權于相關質(zhì)檢部門對市場上的所有融雪劑進行強制性檢查，合格者進入市場，CI－超標者禁止進入市場。5.結語（1）混凝土中的鋼筋銹蝕已構成影響鋼筋混凝土結構物耐久性的最主要原因，給世界各國造成了巨大損失。必須認識到防腐技術和預防措施的緊迫性。（2）以氯鹽作為融雪、破冰劑的屢禁不止，是導致結構物過早破壞的直接原因。有關部門必須把預防鋼筋銹蝕的具體措施落實到實處。如能將鋼筋銹蝕快速試驗方法應用到每一個工程施工的全過程，將給防腐技術帶來一次革命，必將帶來巨大而又長遠的經(jīng)濟效益。為提高混凝土的耐久性,選用了優(yōu)質(zhì)原材料,除水泥、水和骨料,并摻入了足夠數(shù)量的礦物集料和高效減水劑,這樣就減少了水泥用量、混凝土內(nèi)部空隙率以及體積收縮;并結合施工天氣,加強施工各環(huán)節(jié)控制,提高了其耐久性。但是混凝土是水泥、砂、石、水等多成分構成的一種性能多樣化的材料,其性能不僅與組成材料有直接關系,而且還與施工技術,所處環(huán)境及維護條件等因素有關。雖然目前國內(nèi)外已經(jīng)在受腐蝕鋼筋混凝土結構的性能方面開展了一些研究，做了不同腐蝕情況下鋼筋混凝土受彎構件、大小偏心受壓構件、鋼筋與混凝土粘接試件的試驗等，并進行過一些有限元分析，得出了構件承載力和變形性能隨鋼筋腐蝕量的增加而不同程度降低的結論。但是對受腐蝕鋼筋混凝土結構抗剪性能、動力性能的研究仍然極少，特別是對受腐蝕鋼筋混凝土結構疲勞性能的研究幾乎還是空白,因此研究的工作難度大,進展慢。在這方面還需要做大量的研究工作,以便滿足和適應當前建筑市場的需要。參考文獻:[1]GB50046-95,工業(yè)建筑防腐蝕設計規(guī)范[S].[2]張信鵬,王德森.耐腐蝕混凝土[M].北京:化學工業(yè)出版社,1989.[3]洪乃豐.海砂的利用與鋼筋銹蝕的防護[J].建筑技術,1996(1):27-28.[4]洪乃豐.氯鹽與鋼筋腐蝕破壞[J].工業(yè)建筑,1999(