混凝土的鋼筋銹蝕

混凝土的鋼筋銹蝕當前第1頁\共有53頁\編于星期三\4點鋼筋銹蝕已成為混凝土結構耐久性破壞中的首要因素。

1985年，美國各類腐蝕引起損失達1680億美元，鋼筋銹蝕占40%左右；九十年代初，美國全部57.5萬座鋼筋混凝土橋中因鋼銹破壞而限載通車的公路橋占1/4，其中已經不能通車的占1%（約5000座），僅維修費高達900億美元。我國交通部門于1980年對華南地區(qū)18座碼頭調查的結果發(fā)現(xiàn)：80%以上在使用不到20年間就出現(xiàn)了嚴重或較嚴重的鋼筋銹蝕破壞；北方地區(qū)，北京西直門舊立交橋僅運行18年就拆除重建，沈陽文化路大立交橋使用13年后因鋼筋銹蝕嚴重破壞，哈大公路，在建成5年后混凝土出現(xiàn)嚴重的順筋脹裂和剝落。

當前第2頁\共有53頁\編于星期三\4點(1)鋼筋銹蝕破壞機理原電池反應原理腐蝕電池必備條件：1)陰極、陽極和電位差；

2)離子通路(電解質)；

3)電子通路。陰極反應:2H++2e-=H2↑陽極反應電流銅（陰極）鋅（陽極）當前第3頁\共有53頁\編于星期三\4點電極電位的形成原理圖當前第4頁\共有53頁\編于星期三\4點鋼筋微電池腐蝕陽極反應：Fe-2e=Fe++

（氧化反應）陰極反應：O2+2H2O+4e→4OH-

（還原反應）綜合反應：2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2(伴有電流)Fe(OH)2+O2+2H2O→Fe(OH)3→Fe2O3·nH2O（鐵銹）陰極陽極當前第5頁\共有53頁\編于星期三\4點混凝土的保護作用

物理保護作用：阻止水分、氧氣、氯離子等外界有害介質的侵入；化學保護作用：高堿性環(huán)境（由于孔溶液中存在有NaOH、KOH，CH等，pH值大于12.5）下，陽極產生的Fe(OH)2被氧化成γ型氫氧化鐵（純化膜層）：Fe(OH)2+O2→γ-FeOOH+H2O（致密保護層）鋼筋鈍化層兩個臨界值：pH=9.88，開始形成鈍化膜，pH=11.5，鈍化膜才能完全覆蓋鋼筋表面。當前第6頁\共有53頁\編于星期三\4點CO2CO2鋼筋表面脫鈍導致鋼銹混凝土中性化導致銹蝕（pH≤10.5）Ca(OH)2+CO2→CaCO3↓+H2O(氫氧化鈣)

3CaO?SiO2?3H2O+CO2

→

3CaCO3+2SiO2+3H2O(水化硅酸鈣)當前第7頁\共有53頁\編于星期三\4點鋼筋銹蝕產生的裂縫開裂銹蝕膨脹當前第8頁\共有53頁\編于星期三\4點混凝土碳化與鋼筋銹蝕當前第9頁\共有53頁\編于星期三\4點氯鹽導致鋼筋銹蝕(Cl-/OH-≥0.6)Fe2++Cl-→[FeCl絡合物]-

（還原反應）[FeCl絡合物]-+2OH-=Fe(OH)2+Cl-Fe(OH)2+O2+2H2O→Fe(OH)3→Fe2O3·nH2O（鐵銹）破壞鈍化膜腐蝕宏觀電池混凝土腐蝕坑鋼筋鈍化層鋼筋當前第10頁\共有53頁\編于星期三\4點Cl-在鋼筋銹蝕中的作用

氯離子是極強的陽極活(去鈍化)劑。在水泥的浸出液中，即使其pH值還很高(如達到13)，只要有4~6mg/L濃度的氯離子，就足以破壞鋼筋鈍化膜。Fe2++2Cl-+4H2O-----FeCl2.4H2OFeCl2.4H2O-----Fe(OH)2+2Cl-+2H++2H2O氯離子雖然并不構成腐蝕產物，在腐蝕中也不消耗，但作為促進腐蝕的中間產物，會給腐蝕起催化作用。當前第11頁\共有53頁\編于星期三\4點海洋浪濺區(qū)混凝土的氯離子侵蝕浪濺區(qū)下部接觸氯化物機會多、潮濕，易成為陽極區(qū)，而上部接解氧氣較多，易成為陰極區(qū)；浪濺區(qū)混凝土潮濕、又含有滲入的電解質，使其易形成良好的導電通路；浪濺區(qū)干濕循環(huán)及海風風干作用使氯離子更易由于毛細管作用進入混凝土內部。當前第12頁\共有53頁\編于星期三\4點

鋼筋混凝土銹蝕破壞機理CO2,O2,H2O222混凝土表面應力應力鋼銹

破壞裂縫

鋼筋

鋼銹膨脹壓力，脹裂破壞．當前第13頁\共有53頁\編于星期三\4點(2)鋼筋銹蝕破壞特征混凝土順鋼筋開裂、剝落、脫層

開裂剝落分層當前第14頁\共有53頁\編于星期三\4點

鋼筋－混凝土間“握裹力”下降與喪失

當前第15頁\共有53頁\編于星期三\4點鋼筋斷面損失：以局部腐蝕為主，均勻腐蝕較少。鋼筋應力腐蝕斷裂：應力＋銹蝕相互促進的結果。鋼筋腐蝕過程四階段：1）腐蝕孕育期T0、2）腐蝕發(fā)展期Ｔ1、3）腐蝕破壞期T2、4）腐蝕危害期T3。T0＞T1＞T2＞T3。

當前第16頁\共有53頁\編于星期三\4點當前第17頁\共有53頁\編于星期三\4點(3)鋼筋銹蝕影響因素

混凝土密實度和保護層厚度

：

密實度：水灰比、礦物摻合料、骨料；保護層厚度：設計富余系數(shù)，30%↑。當前第18頁\共有53頁\編于星期三\4點混凝土保護層的完好性：成型質量：混凝土工作性、成型振動方式；表面開裂：材料性能、養(yǎng)護制度。當前第19頁\共有53頁\編于星期三\4點開裂造成鋼筋預應力損失開裂，使水和其它離子進入當前第20頁\共有53頁\編于星期三\4點混凝土液相pH值：

pH＞10，鋼筋銹蝕速率很??；pH≤4時，鋼筋銹蝕速率急劇增加；

水泥品種、礦物摻合料不同，混凝土的堿度不同，碳化不同，對鋼筋的保護不同。當前第21頁\共有53頁\編于星期三\4點粉煤灰減小混凝土的氯離子擴散的作用當前第22頁\共有53頁\編于星期三\4點混凝土Ｃl-含量：預應力混凝土：Cl-總量不超過0.06%(水泥質量)；普通混凝土：Cl-總量不超過0.10%(水泥質量)。水：200～350mg/L；海砂：低于0.06%；外加劑：防凍劑、早強劑。

混凝土種類內摻型混凝土氯鹽總摻量臨界值（%）外摻型混凝土氯鹽濃度臨界值（X10-6）中等強度混凝土1.155000高強混凝土0.8510500摻粉煤灰高強混凝土0.8--粉煤灰和高效減水劑雙摻型高強混凝土0.4510000當前第23頁\共有53頁\編于星期三\4點環(huán)境條件：氯鹽、潮濕、冷熱交替、干濕變化。

當構件使用環(huán)境很干燥（濕度<40%），或完全處于水中，鋼筋的銹蝕極慢，幾乎不發(fā)生銹蝕。當前第24頁\共有53頁\編于星期三\4點(4)鋼筋銹蝕的預防措施混凝土表面處理阻銹劑鋼筋涂層電化學保護法1)混凝土表面處理

普通水泥砂漿層:5~20mm厚，減緩碳化，用于輕弱侵蝕性

環(huán)境；

聚合物改性水泥砂漿層將聚合物以乳液形式摻入水泥砂漿，提高砂漿層密實性和粘接力；主要種類有：丙烯酸類乳液、己烯基樹脂、環(huán)氧樹脂乳液；

主要用于鹽類強腐蝕環(huán)境:海洋、鹽堿地、撒化冰鹽工程。

當前第25頁\共有53頁\編于星期三\4點表面滲透型防水涂層

在混凝土表面涂以滲透型涂層材料，這些滲入的物質，可與混凝土組分起化學作用和堵塞孔隙，或自行聚合形成連續(xù)性憎水膜；典型代表應屬有機硅類材料，如烷基烷氧基硅烷等；防水、透氣，用于輕腐蝕環(huán)境下的混凝土防“老化”，如碳化、中性化。當前第26頁\共有53頁\編于星期三\4點表面涂層

瀝青、煤焦油類：用于地下工程，有較好的防水、防腐性能，價格低廉。油漆類：耐堿、彈性。一般不能在潮濕基面上施工，易老化、不耐久。防水涂料：有效防止水、水汽進入混凝土中，則能起到防止、減緩鋼筋混凝土腐蝕的效果。樹脂類涂料：環(huán)氧樹脂、己烯基樹脂、丙烯酸樹脂、聚氨酯等都可用于混凝土的面層涂料，以環(huán)氧樹脂為主的涂層，有較好的防護性能和耐久性，可用于較嚴酷的腐蝕環(huán)境中。2)阻銹劑

能抑制或減輕混凝土中鋼筋銹蝕的外加劑。分為三類：陽極型阻銹劑、陰極型阻銹劑、綜合型阻銹劑。

最常用的陽極型：主要作用于陽極區(qū)，提高鈍化膜抵抗Cl-的滲透性來抑制鋼筋銹蝕的陽極過程。當前第27頁\共有53頁\編于星期三\4點

具氧化性，如亞硝酸鹽、鉻酸鹽、硼酸鹽等。

Fe2++OH-+NO2-→γ-FeOOH+NOCl-的破壞作用與亞硝酸鹽的成膜作用同時存在，當NO2-量大于

Cl-量時，鋼筋銹蝕被阻止。陰極型：主要作用于陰極區(qū)，其主要作用機理是這類物質大都是表面活性物質，它們選擇性地吸附在陰極區(qū)，形成吸附膜，從而阻止或減緩電化學反應的陰極過程。鋼筋涂層

(環(huán)氧樹脂涂層鋼筋):用黏性環(huán)氧涂層包裹鋼筋，與鋼筋緊密膠結在一起，阻止了陽極反應。

環(huán)氧涂層鋼筋的研究起源于美國。美國聯(lián)邦公路(FHWA)于70年代初開始研制環(huán)氧涂層鋼筋，1973年首次試用于橋面板，并不斷擴大應用和制定相關標準。隨后，其他國家和地區(qū)，也在發(fā)展和應用環(huán)氧涂層鋼筋技術，在海洋環(huán)境、使用防冰鹽及其他強腐蝕條件下，使用環(huán)氧涂層鋼筋是被推薦措施之一，有些是首選措施。當前第28頁\共有53頁\編于星期三\4點主要技術特點

:涂層制作：環(huán)氧涂層鋼筋采用靜電粉末噴涂的方法，在工廠對鋼筋涂層。能保證涂層與基體鋼筋的良好粘結，抗拉、抗彎好，90°彎曲不出現(xiàn)裂縫，這是其他涂層難以達到的。環(huán)氧涂層鋼筋與混凝土的握裹力下降幅度最小(相關標準允許降低10%)，而其他涂層都可能使握裹力大幅度降低(甚至超過50%)。環(huán)氧樹脂粉末涂層還具備以下性能：①耐堿性。能長期經受混凝土的高堿性環(huán)境(pH=12.5～13.5)；②耐化學侵蝕。由于環(huán)氧樹脂粉末涂層具有很高的化學穩(wěn)定性和耐腐蝕性，并且膜層具有不滲透性，因此能阻止水、氧、氯鹽等腐蝕介質與鋼筋接觸；③彈性和耐摩擦性都是良好的。

近年來，我國建設部也制定了環(huán)氧涂層鋼筋的產品標準，并開始有一些工程應用的實例。當前第29頁\共有53頁\編于星期三\4點使用中應注意問題

:保證鋼筋表面環(huán)氧涂層的完整性，無孔洞、破傷或膜層太薄等;運輸、裝卸過程中，應最大限度的保證不碰傷、劃傷鋼筋表面的環(huán)氧涂層；施工中，人和機械攪搗，都不應碰傷、劃傷、損壞鋼筋表面的環(huán)氧涂層。環(huán)氧涂層鋼筋在價格方面要比普通鋼筋貴，在國外，增加的費用可能占到整個工程總造價的1%～2%。電化學保護法:根據(jù)腐蝕電池原理，強制使鋼筋成為原電池陰極而受到保護不發(fā)生銹蝕的一種防銹技術。

Fe→Fe++＋2e

Fe←Fe+++2e+Me(充負電)

當前第30頁\共有53頁\編于星期三\4點混凝土中鋼筋陰極保護示意

(a)-外加電流法；(b)-犧牲陽極法

1-混凝土；2-鋼筋(陰極)；3-鑄鐵陽極；4-直流電源；5-水；6-鎂陽極使用中應注意問題

:結構物可實施陰極保護措施的前提條件是，混凝土中所有鋼筋必須是電連通的，否則會引起“雜散電流”腐蝕。大氣環(huán)境下電解質導電問題：導電涂層。施工時嚴格避免陰、陽極短路、斷路。在整個使用期間，要維護、保證所有設備正常工作。當前第31頁\共有53頁\編于星期三\4點

電化學除氯阻銹法

:在外加電場作用下，使鋼筋混凝土中氯鹽被排出，鋼筋重新鈍化的一種混凝土結構無損修復技術．從上世紀九十年代開始在北美、英國、德國、瑞士、日本及中東等20多個國家和地區(qū)得到一定工程應用，總應用面積在20萬m2左右。

混凝土保護層混凝土中鋼筋作陰極陽離子(如：K+、Na+、Ca2+、Mg2+)陰離子(如：Cl-、OH-)外部電解質中的陽極+V－當前第32頁\共有53頁\編于星期三\4點

可能產生的負面影響：混凝土中其它陰離子如OH-、SO42-、NO2-（如以Ca(NO2)2

作為阻銹劑摻入使用時）也同時被排出，可能導致部分CSH、硫鋁酸鹽水化產物會發(fā)生分解，從而導致混凝土內層孔隙結構粗化；同時在鋼筋-混凝土界面處聚集了大量富鈉、富鈣、富鐵、富鈣的水化產物，可能導致或加速堿-骨料反應破壞。在外加電場作用下，混凝土中鋼筋陰極極化反應生成的大量氫氣，可能導致鋼筋抗拉強度和延性降低而發(fā)生“氫致脆斷”破壞象。(6)混凝土鋼筋銹蝕的檢測技術直接測量法：破損檢測方法×分析推測法：基于材料、環(huán)境、荷載綜合因素基礎上進行分析無損檢測方法：電化學法、物理法等。當前第33頁\共有53頁\編于星期三\4點372.0ResmVCu/CuSO4

半電池高靈敏度萬用表多孔木塞Fe->Fe2++2e-電流

半電池電位

測量鋼筋不同部位電極電位，電位差越大，腐蝕速率越快。

當前第34頁\共有53頁\編于星期三\4點現(xiàn)象北京二環(huán)路西北角的西直門立交橋舊橋于1978年12月開工，1980年12月完工。使用一段時間后，橋使用混凝土的部位都有不同程度開裂。1999年3月因各種原因拆除部分舊橋改建。舊橋東南引橋橋面和橋基鉆芯作K2O﹑Na2O﹑Cl-含量測試。Cl-濃度呈明顯梯度分布，表面Cl-濃度為0.15％﹑0.094％和0.15％。距表面1cm處Cl-濃度驟增，分別為0.30％﹑0.18％和0.78％。在1～2cm處Cl-濃度達到最高值，其后隨著離開表面距離的增加，Cl-濃度逐漸減至0.1％左右。該混凝土的粗、細集料均含有一定數(shù)量的活性成分，

存在發(fā)生堿一集料的可能性。堿含量Na2O為0.3%、3.6kg/m3，可形成堿集料反應的條件。冬夏氣候變化。當前第35頁\共有53頁\編于星期三\4點原因北京市80年代每年化冰鹽的撒散量為400～600t，主要用于長安街和城市立交橋。西直門立交舊橋混凝土中的Cl-主要來自化冰鹽NaCl?；炷帘砻鍯l-含量低于距表面1～2cm處，是因其表面受雨水沖刷，部分Cl-溶解入雨水中流失。Cl-超過最高極限值后，會破壞鋼筋的鈍化膜，銹蝕鋼筋，銹蝕產物體積膨脹，導致鋼筋開裂，保護膜脫落。該混凝土的粗、細集料均含有一定數(shù)量的活性成分,存在發(fā)生堿一集料的可能性。鹽凍+凍融當前第36頁\共有53頁\編于星期三\4點北京北四環(huán)健翔橋防撞墩修復實例健翔橋是北京北四環(huán)換乘道路上的一座主要的橋梁，該橋自從開始使用到現(xiàn)在一直飽受汽車尾氣中SO2等有害氣體、冬天化雪用的化雪鹽中含有大量的Cl-等有害離子的侵蝕，致使該橋的防撞墩出現(xiàn)了大量的鋼筋銹蝕、保護層開裂等不同程度的破壞。當前第37頁\共有53頁\編于星期三\4點材料鋼筋保護劑MucisSteelProtection表面型遷移性阻銹劑MuCismia200修補砂漿MuCisBS39混凝土表面加強防水劑TECNOSOLID82/WP泰美涂保護涂料TECNORIVAC100。

剔除保護層施工當前第38頁\共有53頁\編于星期三\4點

用修補砂漿BS39修補調配

、涂刷鋼筋保護劑MSP涂刷表面型遷移性阻銹劑當前第39頁\共有53頁\編于星期三\4點

修復后效果涂刷TECNOSOLID82/WP涂刷泰美涂保護涂料AC100

當前第40頁\共有53頁\編于星期三\4點日照港煤碼頭7#墩鋼筋混凝土結構銹蝕日照港煤碼頭主要以鋼筋混凝土結構為主，由于長期受海水浸泡、干濕交替、日光曝曬、沿海鹽霧、海生生物及潮濕空氣的腐蝕，混凝土表面存在著大量的毛細孔及各種原因造成的細微縫隙，這些都是海水侵蝕碼頭混凝土的直接通道，混凝土孔隙中的水分通常以飽和的氫氧化鈣溶液形式存在，其中還含有一些氫氧化鈉和氫氧化鉀，pH值約為12.5，海水環(huán)境下又含有較高濃度的氯離子。日積月累的作用使混凝土逐步形成表面多孔的腐蝕面，這種腐蝕面在海水的動力作用下更加速了混凝土表層腐蝕。如果腐蝕介質進一步滲透到鋼筋并造成銹蝕就會對碼頭的結構嚴重破壞，造成巨大的損失。工程概況當前第41頁\共有53頁\編于星期三\4點發(fā)生的主要破壞情況鋼筋銹蝕鹽水侵蝕混凝土開裂當前第42頁\共有53頁\編于星期三\4點當前第43頁\共有53頁\編于星期三\4點某碼頭板梁底出現(xiàn)裂縫及鋼筋銹蝕華南地區(qū)某海港油氣碼頭引橋使用僅8年，л型板梁底出現(xiàn)明顯裂縫及鋼筋銹蝕。而л型板卻基本完好請討論其原因。工程概況而л型板卻基本完好л型板梁底出現(xiàn)明顯裂縫及鋼筋銹蝕當前第44頁\共有53頁\編于星期三\4點碼頭л型板梁混凝土不同深度Cl-分布情況（%）測試結果從表中可見，隨混凝土深度增加，Cl-含量依次遞減。目前國外一般把混凝土內Cl-含量達到其致銹臨界含量值時的時間，確定為混凝土的安全使用壽命。華南地區(qū)海港碼頭調查該值為0.105％～0.145％。該混凝土保護層設計厚度為5.5cm，且由于施工偏差，部分構件實際保護層厚度低于設計值。當海水中Cl-滲透進混凝土，使鋼筋表面Cl-含量達致銹值時，銹蝕開始；腐蝕產物體積膨脹，使混凝土產生與鋼筋平行的順筋裂縫，乃至混凝土開裂，鋼筋的電化學腐蝕迅速進行。取樣標高為2.91-3.06m。構件名稱0-2cm2-4cm4-6cm6-8cm人行橋和引橋0.34190.20830.16470.0946工作平臺0.42090.29930.16720.0969原因分析當前第45頁\共有53頁\編于星期三\4點加拿大魁北克省拉瓦爾立交橋坍塌事故原因分析該橋于2006年９月３０日發(fā)生立交橋坍塌事故并造成5人死亡、6人受傷。這座建于1970年的立交橋設計壽命為70年，目前尚未發(fā)現(xiàn)任何設計方面的瑕疵。工程概況當前第46頁\共有53頁\編于星期三\4點拉瓦爾立交橋坍塌事故發(fā)生后，有關人員對全省境內的4500座立交橋進行了緊急普查，并確定其中20座將接受進一步檢查。該市另一座建于同一時間并擁有同樣結構的立交橋及蒙特利爾附近另一座橋梁，也因擔心存在安全隱患而關閉。當?shù)叵卵╊l繁，橋面上撒的鹽過多。使用情況雪水滲透立交橋結構里面腐蝕鋼筋，使其與混凝土脫離，才引發(fā)了事故。主要原因事故后采取行動當前第47頁\共有53頁\編于星期三\4點最近幾年我國橋梁坍塌事故2011年7月以來，一系列橋梁塌陷事故紛至沓來。7月11日凌晨，江蘇鹽城境內328省道通榆河橋發(fā)生坍塌；12日，武漢