鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕及防護措施

1、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕及防護措施 一.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕的意義        鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合了鋼筋和混凝土的優(yōu)點，造價較低，在土建工程中應(yīng)用范圍非常廣泛。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋銹蝕是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)過早被破壞的主要原因之一。新鮮混凝土是呈堿性的，其ph值一般大于12.5，在此堿性環(huán)境中鋼筋容易發(fā)生鈍化作用，使鋼筋表面產(chǎn)生一層鈍化膜，能阻止混凝土中鋼筋的銹蝕。但當(dāng)有二氧化碳、水汽和氯離子等有害物質(zhì)從混凝土表面通過孔隙進入混凝土內(nèi)部時和混凝土材料中的堿性物質(zhì)中和，從而導(dǎo)致混凝土的ph值降低，就出現(xiàn)ph值小于9這種情況，鋼筋表

2、面的鈍化膜就會被逐漸破壞，鋼筋就會發(fā)生銹蝕，并且隨著銹蝕的加劇，會導(dǎo)致混凝土保護層開裂，鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)力破壞，鋼筋受力截面減少，結(jié)構(gòu)強度降低等，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)耐久性的降低。        據(jù)調(diào)查, 我國20世紀90年代前興建的海港工程,一般1020年就會出現(xiàn)鋼筋嚴重腐蝕破壞,結(jié)構(gòu)使用壽命基本上都達不到設(shè)計基準期要求。我國50 年代至70年代建的海港工程,高樁碼頭不到20年,甚至78 年就出現(xiàn)嚴重鋼筋銹蝕破壞,海工混凝土結(jié)構(gòu)破壞已成為我國港口建設(shè)中不得不重視并迫切需要解決的問題。   

3、60;    國外學(xué)者曾用“5倍定律”形象地描述了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計的重要性, 即設(shè)計階段對鋼筋防護方面節(jié)省1美元;在發(fā)現(xiàn)鋼筋銹蝕時采取措施需要追加維修費5美元;混凝土表面順筋開裂時采取措施將追加維修費25美元;嚴重破壞時將追加維修費125美元。我國海洋工程中廣泛使用的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)因腐蝕引起破壞的情況同樣嚴重。除海洋環(huán)境本身屬于強腐蝕環(huán)境因素外, 環(huán)境的日益惡化、相關(guān)的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性規(guī)定標準偏低、施工質(zhì)量不能保證等因素,致使我國混凝土結(jié)構(gòu)大部分在使用10年左右即出現(xiàn)較嚴重的腐蝕破壞,給國家建設(shè)和經(jīng)濟發(fā)展造成了巨大的損失。因此,如何采取有效的防腐蝕技術(shù)措施,防

4、止鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)過早出現(xiàn)鋼筋銹蝕破壞,確保建筑物達到預(yù)期的使用壽命是國內(nèi)外學(xué)術(shù)界、工程界極為關(guān)切的熱點。        二.鋼筋的銹蝕原理及分類        1鋼筋的銹蝕條件：        鋼筋混凝土構(gòu)件內(nèi)鋼筋的銹蝕需要三個條件：        (1)鋼筋表面堿性鈍化膜破壞。正常情況下鋼筋是包裹在砼之內(nèi)的，砼則由于

5、水泥的水化反應(yīng)造成其初始堿性(含有一定ca(oh)2)較強，正常情況：下鋼筋在這種堿性環(huán)境下不會發(fā)生氧化腐蝕。當(dāng)ph值大于1o時，鋼筋腐蝕的速度很慢，當(dāng)ph值小于5時，其銹蝕的速度就快。由此可見，只有當(dāng)鋼筋混凝土構(gòu)件內(nèi)的鋼筋周圍堿性鈍化膜因砼碳化或其它原因?qū)е缕茐暮螅趴赡艹霈F(xiàn)腐蝕。        (2)必須產(chǎn)生電位差，使鋼筋產(chǎn)生微電池腐蝕式大電池腐蝕。鋼筋腐蝕，是由于鋼筋表面不同部分之間產(chǎn)生電位差引起的，其作用和電池一樣，在鋼筋表面有微弱的電流流動。當(dāng)在鋼筋表面構(gòu)成了許多微小電池，其電化學(xué)反應(yīng)，按下式進行： &#

6、160;      陽極反應(yīng)(活化區(qū))：fe fe2+ +2e        陰極反應(yīng)區(qū)：2h20+o2+4e 4(oh)-               綜合反應(yīng)式就是：fe2 +2(oh)一 fe(oh)2        這就是鐵變成鐵銹的過程。當(dāng)構(gòu)筑物(或構(gòu)件)處在

7、離子條件差別很大的兩種環(huán)境中，或遭受雜散直流電影響時，一部分鋼筋(或一部分構(gòu)筑物)作為陽極，而另一部分作為陰極，這樣便構(gòu)成大電池腐蝕。        (3)必須具備水和氧。水和氧是鋼筋腐蝕的必要條件(尤其是水)，它們均參加鋼筋電化腐蝕的陽極反應(yīng)過程。水分子能穿透任何肉眼可辯的裂縫。水還能起著電解質(zhì)的作用，并溶餌氧和其它如氯等的有害離子，從而加速了腐蝕速度。另外在一定條件下氧還可以造成濃度電池腐蝕。最常見的實例就是水線腐蝕。如浸在海水中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在水線附近鋼筋腐蝕最為嚴重，這是由于水線以上空氣中的含氧量較高，而水線以下

8、(水中)含氧量突然降低，造成濃度電池腐蝕，使水線以下的部位鋼筋成為陽極而腐蝕。        2鋼筋混凝土構(gòu)件中鋼筋的銹蝕的幾種情況。        (1)由于混凝土不密實或有裂縫存在造成鋼筋的腐蝕?；炷撩軐嵍炔涣己蜆?gòu)件上產(chǎn)生的裂縫，往往是造成鋼筋腐蝕的很重要原因?；炷翝仓挟a(chǎn)生露筋、蜂窩、麻面等情況，都會加速鋼筋的銹蝕。因為孔隙和裂縫(一般在02ram以上時)給水(汽)、氧和其他侵蝕性介質(zhì)的滲透創(chuàng)造了有利條件。因此，鋼筋的電化學(xué)腐蝕和混凝土密實度、裂

9、縫的寬度、保護層的厚度、空氣的濕度以及空氣中侵蝕性介質(zhì)的含量，都有直接的關(guān)系。當(dāng)混凝士密實度差和鋼筋保護層不足時，各種介質(zhì)就容易到達鋼筋表面造成腐蝕。        (2)由于混凝土碳化和侵蝕性氣體、介質(zhì)的侵入，造成鋼筋的腐蝕?？諝庵械亩趸細怏w，在混凝土表層中逐漸為氫氧化鈣的堿性溶液所吸收，相互反應(yīng)生成碳酸鈣，這種現(xiàn)象稱為混凝土的碳化，亦稱“中性化”。砼碳化生成的碳酸鈣很難溶解，其飽和溶液的ph值為9，因此混凝土碳化的結(jié)果，就使ph值不斷下降，并不斷向內(nèi)部深化?；炷撂蓟瘜炷翉姸纫话銦o直接影響。其危害主要在于為鋼筋腐

10、蝕提供條件，而鋼筋銹蝕體積將發(fā)生膨脹(體積比原來提高2.2倍)，混凝土保護層將因此遭到剝落和損壞，從而降低鋼筋和混凝土的工作性能；尤其對于薄殼鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力高強度鋼絲構(gòu)件等，會造成嚴重的結(jié)構(gòu)損壞而且這種破壞往往是脆性的，具有隱藏、突然性等特點，必須引起高度重視。        (3)由于混凝土內(nèi)摻入氯鹽造成鋼筋的腐蝕。為提高混凝土早期強度或抗凍性能，過去人們往往在混凝土內(nèi)摻入一定量的氯鹽，如氯化鈣、氯化鈉等。氯化鈣與水泥中的氫氧化鈣、硅酸三鈣、鋁酸三鈣結(jié)合，生成高水分子復(fù)合化合物，如氯硅酸鹽等，并提高了氫氧化鈣的溶解

11、度。混凝土中，氯鹽對鋼筋的腐蝕多呈潰瘍狀，容易造成鋼筋的應(yīng)力集中：因此它的危害性是比較大的?；炷林新入x子主要來源于原材料、外加劑加海砂、海水或氯鹽高的水，以及摻加的用氯化鈣作為促凝劑，用氯化鈉作為防凍劑等，國內(nèi)外已出現(xiàn)多起加氯鹽過量而引起的嚴重腐蝕事件。        (4)由于高強鋼筋中的應(yīng)力腐蝕隨著預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的采用，出現(xiàn)了高        強鋼筋中的一種特殊腐蝕形式，即“應(yīng)力腐蝕”。一般在表面只有輕微損害或根本看不見損害，這種腐蝕尤為危險，

12、因為它沒有任何預(yù)兆而可以發(fā)生突然破壞。一般認為：高強鋼筋在應(yīng)力(拉應(yīng)力)的作用下，導(dǎo)致鈍化膜的破壞，裂縫比較活化，并作為陽極而腐蝕。在電化學(xué)腐蝕過程中繼續(xù)擴大，同時由于鋼筋中具有很高的拉應(yīng)力，和高強鋼筋的低變形性能。因此，腐蝕和應(yīng)力共同作用，使裂縫迅速向深度發(fā)展，以致鋼筋在看不到明顯的腐蝕現(xiàn)象的情況下會突然斷裂        (5)電流腐蝕工業(yè)用電中的直流電，當(dāng)它泄漏到地下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中時，會造成鋼筋的腐蝕。在這種情況下，電流流入處相當(dāng)于陰極區(qū)，電流流出處相當(dāng)于陽極區(qū)。目前我國一些直流電解工廠、電氣化鐵路、直流電的載流設(shè)備

13、等的電流泄漏現(xiàn)象比較多，有時比較嚴重。這些雜散電流對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(如基礎(chǔ)、梁、柱等)鋼筋的腐蝕破壞時有所見。       三.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)防護措施        混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕是系統(tǒng)工程, 必須在勘察、規(guī)劃、設(shè)計、施工、使用等各個階段對所涉及的防腐問題進行細致的了解、分析和處理, 各個階段都應(yīng)充分重視和充分合作, 共同完成?；炷两Y(jié)構(gòu)防護措施可分為基本防護措施、混凝土表面涂覆防護措施和鋼筋防護措施。      

14、  3.1 混凝土的基本防護措施        混凝土的基本防護措施即是從設(shè)計、施工、制作等方面提高混凝土自身的防護性能。由于混凝土本身具有高堿性, 正確設(shè)計、施工的優(yōu)質(zhì)混凝土保護層本身具有長期防止環(huán)境介質(zhì)滲透的功能, 因此, 盡可能提高混凝土本身對鋼筋的防護功能是預(yù)防鋼筋腐蝕的許多措施中最經(jīng)濟合理、最有效的基本措施。這一類措施主要有以下幾方面:        (1) 合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計     &#

15、160;  混凝土結(jié)構(gòu)形式及細部構(gòu)造應(yīng)有利于防腐、檢測。如構(gòu)件截面幾何形狀應(yīng)簡單、平順, 減少棱角、突變和應(yīng)力集中; 混凝土表面應(yīng)有利于排水,不宜在接縫或止水處排水; 特別注意構(gòu)件應(yīng)易于施工, 盡可能在工場預(yù)制; 結(jié)構(gòu)形式應(yīng)便于對關(guān)鍵部位進行檢測和設(shè)置檢測、維護和采取補充保護措施的通道; 對處于腐蝕較嚴重部位和構(gòu)件, 應(yīng)考慮其易于更換的可能性。由于混凝土保護層厚度與發(fā)生腐蝕的時間成平方關(guān)系, 適當(dāng)增加混凝土保護層厚度, 以延長侵蝕性介質(zhì)滲透到鋼筋周圍達到破壞鈍化膜臨界值的時間。但保護層厚度不宜大于80mm , 否則混凝土表面易出現(xiàn)由于混凝土收縮、溫度應(yīng)力等所引起的混凝土表面裂縫?？刂?/p>

16、主筋的直徑不宜過大, 一般混凝土保護層厚度宜大于215 倍主徑直徑, 原因是較粗的鋼筋提供較小的電阻, 也就是提供了較大的腐蝕電流。更重要的是較粗的鋼筋會生成較多的腐蝕產(chǎn)物, 膨脹的體積增大比較多, 從而造成較高的拉應(yīng)力。所以, 當(dāng)混凝土保護層厚度相同時, 鋼筋越粗, 鋼筋直徑對保護層厚度的比值越大, 鋼筋開始腐蝕到開始使混凝土脹裂的時間也就越短。        (2) 選擇優(yōu)質(zhì)原材料和優(yōu)化混凝土配合比設(shè)計        選擇優(yōu)質(zhì)原材料和優(yōu)化混凝土的配合比

17、, 以提高混凝土的抗蝕能力。如盡量減        小水灰比提高混凝土的密實度, 混凝土密實度高, 孔隙率小, 有利于提高混凝土的抗?jié)B性, 增強對侵蝕性介質(zhì)的抗蝕能力; 限制粗骨料的最大粒徑, 減少粗骨料與水泥砂漿界面的不利影響; 規(guī)定混凝土拌合物最低水泥用量(或最低膠凝材料用量),確?；炷辆哂休^高的堿度;有抗凍要求時,加入合適量的引氣劑以提高混凝土的抗凍性;不得采用可能發(fā)生堿-集料反應(yīng)的活性骨料;嚴格限制砂、石、外加劑、拌和水等原材料中的氯離子含量,使混凝土拌合物中氯離子含量符合規(guī)定要求。  

18、0;     (3) 采用高性能混凝土        高性能混凝土是指用常規(guī)材料、常規(guī)工藝,以較低水膠比、適當(dāng)摻量的優(yōu)質(zhì)摻合料和較嚴格的質(zhì)量控制制作的高耐久性,良好工作性及較高強度的混凝土。中交集團廣州四航工程技術(shù)研究院等單位開發(fā)的海工抗鹽污染高性能混凝土, 其抗氯離子滲透性比普通混凝土提高數(shù)倍, 可顯著提高混凝土本身的護筋性能, 從根本上提高混凝土的耐久性, 從而延長結(jié)構(gòu)物的安全使用壽命。目前, 該項技術(shù)已成功應(yīng)用于鹽田港、湛江港、洋山港、東海大橋、杭州灣大橋等多項使用年限要求50年

19、甚至100年的大型海港工程和跨海大橋工程中。        3.2 混凝土表面涂覆防護措施        除了采取措施提高混凝土本身的耐久性外, 采用混凝土表面涂覆防護措施有效地將混凝土與周圍侵蝕性介質(zhì)隔離開來或阻止有害介質(zhì)的侵入, 也是一種有效的防護措施。        3.2.1 混凝土表面涂層        該措

20、施是在混凝土表面涂覆一層涂料,形成一層隔離層制止氯離子、氧、水等介質(zhì)滲入混凝土,以延緩鋼筋腐蝕。從90 年代開始, 在我國一些海港工程, 跨海大橋工程中得到應(yīng)用,實踐證明,混凝土表面實施涂層防腐蝕保護的技術(shù)成熟、保護效果顯著,是海洋環(huán)境混凝土防腐最經(jīng)濟有效的保護措施。我國海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范已將該技術(shù)列為海港工程混凝土結(jié)構(gòu)最重要的防腐蝕措施之一。對涂料的要求是能耐堿、耐老化和與混凝土表面應(yīng)有良好的附著性。對海港工程潮差、浪濺區(qū)涂層, 要求涂料應(yīng)具有良好濕表面固化功能。        3.2.2 表面涂覆浸入型涂料

21、        浸入型涂料是一種粘度很低的有機硅化合物液體,將它涂(或噴)于風(fēng)干的混凝土表面上,靠毛細孔的表面張力作用吸入(深約數(shù)毫米的混凝土表層中,它與孔壁的氫氧化鈣反應(yīng),以非極性基使毛細孔憎水化或者填充部分細孔,使孔細化。浸入型涂料不能在混凝土表面上成膜,不會形成隔離層,也不能充滿混凝土毛細孔隙, 所以不會影響混凝土透氣性,透水蒸汽性,但是,它卻能顯著降低混凝土的吸水性,使水和只能溶解于水中才能被毛細管吸收作用吸進去的氯化物都難以吸進混凝土中,而混凝土中的水份卻可以化為水蒸汽自由蒸發(fā)出去,使混凝土保持干燥,從而顯著地提高

22、混凝土的護筋性。目前使用的侵入型憎水涂料中,以異丁基三乙氧基硅烷、異辛基三乙氧基硅烷作為浸漬材料效果最好,有液狀和膏體狀。國內(nèi)外已有不少海港工程、跨海大橋使用,但材料費用較高,國內(nèi)能批量生產(chǎn)的較少。        3.3 鋼筋防護措施        3.3.1 鍍層鋼筋和涂層鋼筋        鍍層鋼筋主要是鍍鋅鋼筋, 利用鋅的電位比鐵低, 對鋼筋施加陰極保護。涂層鋼筋是指在鋼筋表面制作

23、涂層, 隔離鋼筋與腐蝕介質(zhì)的接觸。這種鋼筋是在嚴格控制的工廠流水線上, 采用靜電噴涂工藝將涂層(目前使用較普遍的是環(huán)氧涂層) 噴涂于表面處理過的預(yù)熱的鋼筋上, 形成具有一層堅韌、不滲透、連續(xù)的絕緣層的鋼筋。所以, 只要這種鋼筋在運輸、存放、加工、安裝和混凝土澆搗過程中能按規(guī)范嚴格保護,它是可以將鋼筋與周圍混凝土隔開, 即使氯離子、氧氣等已大量侵入混凝土, 它也能長期保護鋼筋使它免遭腐蝕。        3.3.2 鋼筋阻銹劑        混凝土拌合物中摻

24、入適量阻銹劑, 可阻止或延緩金屬和電解質(zhì)界面的電化學(xué)反應(yīng), 從而阻止金屬腐蝕是預(yù)防惡劣環(huán)境中鋼筋腐蝕的一種有效的補充措施。但是它不能代替優(yōu)質(zhì)混凝土, 也就是說摻加阻銹劑不能降低對混凝土保護層的基本要求。按照作用機理, 鋼筋阻銹劑可分為陽極型、陰極型和混合型三種。加入鋼筋阻銹劑既推遲了鋼筋開始生銹的時間, 又減緩了鋼筋腐蝕發(fā)展的速度。        3.3.3 陰極保護        陰極保護技術(shù)是應(yīng)用電化學(xué)原理, 通過給被保護鋼筋加一負向電流, 使它的電極電位負移, 即使鋼筋表面氯離子已達到或超過使鋼筋脫鈍的臨界值, 由于電化學(xué)腐蝕過程得到有效的抑制而使鋼筋不會發(fā)生銹蝕。陰極保護的方式有犧牲陽極和外加電流兩種:        (1) 犧牲陽極方式        采用電化學(xué)上比鋼更活潑, 即電位更負的金屬(如鋁合金、鋅合金等) 作為陽極, 與被保護的鋼電聯(lián)接, 以本身的腐蝕(犧牲) 提供自由電子, 對被保護的鋼實施陰