不同電力管廊環(huán)境下鋼筋銹蝕機(jī)理探究,建筑結(jié)構(gòu)論文

不同電力管廊環(huán)境下鋼筋銹蝕機(jī)理探究,建筑結(jié)構(gòu)論文摘要：針對鋼筋混凝土電力管廊構(gòu)造耐久性設(shè)計(jì)及施工現(xiàn)在狀況,從構(gòu)造材料層次上,分別對影響混凝土構(gòu)造耐久性的主要因素進(jìn)行逐一分析,并與國家現(xiàn)行規(guī)范[1-2]比照,為今后電力管廊構(gòu)造的耐久性設(shè)計(jì)及施工提供一種思路。本文關(guān)鍵詞語：耐久性;電力管廊;鋼筋混凝土構(gòu)造;環(huán)境類別;混凝土電力管廊耐久性是一個(gè)綜合性問題,由環(huán)境、材料、構(gòu)件、構(gòu)造4個(gè)層次的多種因素[3]造成,材料因素首當(dāng)其沖。不少國內(nèi)外耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范和規(guī)程都按環(huán)境類別及環(huán)境作用等級對混凝土構(gòu)造材料進(jìn)行了規(guī)定,本文主要針對混凝土碳化[4]、堿-集料反響、氯鹽環(huán)境下鋼筋銹蝕機(jī)理等方面分別進(jìn)行分析,為鋼筋混凝土電力管廊構(gòu)造耐久性設(shè)計(jì)及施工提供一種思路。1、一般環(huán)境混凝土碳化混凝土碳化是指在一般環(huán)境大氣中的CO2或某些酸性氣體與暴露在空氣中的混凝土接觸并且不斷向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散,與華而不實(shí)堿性水化物反響的一個(gè)很復(fù)雜的多相物理化學(xué)經(jīng)過,碳化會降低混凝土構(gòu)造的堿度,毀壞鋼筋外表的致密的鈍化膜,使鋼筋失去鈍化膜的保衛(wèi)而銹蝕,而鋼筋銹蝕又將導(dǎo)致混凝土保衛(wèi)層開裂、鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力毀壞、構(gòu)造耐久性降低等不良后果。另外,碳化使混凝土變脆,構(gòu)件延性降低。影響碳化的主要因素是混凝土本身的密實(shí)性和堿性程度,除此之外還有一些環(huán)境溫度、濕度、二氧化碳濃度有關(guān)?；炷撂蓟?jīng)過的主要化學(xué)反響如下:一般以為,碳化對混凝土本身沒有過多的危害,相反會使混凝土強(qiáng)度提高。但是碳化會加劇混凝土的收縮,使混凝土外表產(chǎn)生拉應(yīng)力而出現(xiàn)微裂紋,降低混凝土抗拉、抗折強(qiáng)度及抗?jié)B能力。碳化腐蝕耐久性作為電力管廊混凝土構(gòu)造設(shè)計(jì)的基本要求之一,構(gòu)造設(shè)計(jì)階段應(yīng)首先對腐蝕性環(huán)境等級做出正確的判定并明確環(huán)境作用等級。再根據(jù)構(gòu)造所處的不同環(huán)境類別、環(huán)境作用等級與構(gòu)造的設(shè)計(jì)使用年限,確定混凝土材料耐久性的主要技術(shù)要求,包括:混凝土原材料的選用要求(水泥、礦物摻和料、骨料以及化學(xué)外加劑的品種與質(zhì)量等),混凝土的最低強(qiáng)度等級,最大水膠比和膠凝材料的最小用量等,50年設(shè)計(jì)使用年限的電力管廊構(gòu)造材料規(guī)定見表1。2、氯鹽環(huán)境下鋼筋腐蝕氯化物環(huán)境是福建省內(nèi)電力管廊工程地質(zhì)條件下較為常見的一種腐蝕性環(huán)境[5],沿海城市受海水補(bǔ)給影響的地區(qū),往往存在氯鹽腐蝕,尤其是在一些臨海而建的電廠或變電站送出的輸變電線路工程常見該類型的腐蝕。表1搖一般環(huán)境管廊構(gòu)造規(guī)定鋼筋混凝土中的鋼筋銹蝕是一個(gè)電化學(xué)反響經(jīng)過。通常情況下,混凝土孔隙中充滿著氫氧化鈣的過飽和溶液,所以混凝土具有很強(qiáng)的堿性,pH值一般在12以上。在這樣的強(qiáng)堿環(huán)境中,混凝土和鋼筋之間會構(gòu)成1層鈍化膜,對鋼筋起到保衛(wèi)作用。但是由于混凝土的碳化及氯離子的侵蝕等作用,鈍化膜遭到毀壞,引起鋼筋銹蝕。銹蝕產(chǎn)物體積膨脹,對周圍混凝土產(chǎn)生壓應(yīng)力,使混凝土產(chǎn)生順鋼筋裂縫,引起混凝土保衛(wèi)層剝落,而保衛(wèi)層剝落又會和裂縫進(jìn)一步引起鋼筋銹蝕。鋼筋銹蝕后,除了有效面積減小、委屈服從強(qiáng)度下降等變化外,其與混凝土的粘結(jié)性能也會發(fā)生變化。隨著鋼筋銹蝕量的增加,變形鋼筋與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度比先期略有增加,而后期則有較大幅度的衰退。鋼筋與混凝土之間粘結(jié)強(qiáng)度的衰退,使得鋼筋的強(qiáng)度不能被全部利用,進(jìn)而與其他因素一起影響混凝土之間粘結(jié)強(qiáng)度和承載力,構(gòu)件剛度有所減小,變形增大;橫向裂縫表現(xiàn)為間距增大,裂縫變寬,進(jìn)而使構(gòu)件的適用性降低,甚至可能導(dǎo)致混凝土構(gòu)造毀壞。作為混凝土構(gòu)造耐久性最為重要的內(nèi)容,氯鹽腐蝕耐久性設(shè)計(jì)除了考慮混凝土材料與鋼筋的保衛(wèi)層最小厚度外,一般還根據(jù)針對不同的腐蝕性情況,適量摻入一些阻銹劑,阻銹劑的摻和量應(yīng)以試驗(yàn)為準(zhǔn),氯鹽環(huán)境下電力管廊構(gòu)造材料規(guī)定,見表2。3、凍融環(huán)境下管廊構(gòu)造毀壞電力管廊混凝土構(gòu)造凍融毀壞研究當(dāng)前還處于空白階段,但在蓄水電站、碼頭、船塢、防波堤等港工建筑物鋼筋混凝土凍害早有研究[6],主要理論有浸透壓及靜水壓理論[3]。但是鑒于混凝土構(gòu)造凍融的復(fù)雜性,當(dāng)前還沒有一種公認(rèn)的混凝土凍融毀壞理論。表2搖氯鹽環(huán)境管廊構(gòu)造規(guī)定混凝土是由砂、石子、水泥、水等組成的多相微孔隙混合料,在拌制混凝土經(jīng)過中,為了得到一定和易性及強(qiáng)度的混凝土,我們需要進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì),華而不實(shí)水是影響和易性的主要材料。一部分水介入了化學(xué)反響;一部分水則以游離的方式存在于混凝土孔隙中,并且具有一定的體積。這種存在于混凝土孔隙中的游離水是造成混凝土構(gòu)造凍融毀壞的主要因素。由于水在遇冷結(jié)冰的情況下會發(fā)生體積膨脹,引起管廊混凝土構(gòu)造的毀壞。進(jìn)一步研究表示清楚:一般情況下毛細(xì)孔游離水不至于使混凝土構(gòu)造發(fā)生凍融毀壞,只要當(dāng)孔隙水處于飽和狀態(tài)時(shí)才會發(fā)生凍融毀壞,處于飽和狀態(tài)的混凝土毛細(xì)孔水壓力,在反復(fù)凍融的環(huán)境下,混凝土毛細(xì)孔內(nèi)壁會遭到凍融膨脹力;當(dāng)這種膨脹力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí),混凝土將會發(fā)生毀壞開裂,且裂縫會在反復(fù)膨脹力作用下貫穿,使混凝土強(qiáng)度損失,最終造成電力管廊構(gòu)造的完全毀壞。針對混凝土反復(fù)凍融環(huán)境下的毀壞機(jī)理,常見的預(yù)防措施有摻入減水劑、引氣劑、控制水灰比、提高混凝土密實(shí)度、加強(qiáng)早期養(yǎng)護(hù)或滲入防凍劑等,對應(yīng)國家規(guī)范也有相應(yīng)的規(guī)定,見50年設(shè)計(jì)使用年限下,凍融環(huán)境下電力管廊構(gòu)造材料規(guī)定,見表3。表3搖凍融環(huán)境管廊構(gòu)造規(guī)定注:下標(biāo)a表示引氣混凝土。4、混凝土堿-集料反響堿-集料反響是指混凝土中的堿與集料(水泥、沙、石、外加劑、混合料等)中的活性物資之間發(fā)生的毀壞性化學(xué)反響,嚴(yán)重影響混凝土的耐久性。該反響不同于其他幾類材料因素,且毀壞是整體式的,當(dāng)前還沒有有效的修補(bǔ)方式方法。由于混凝土堿-集料反響無法被有效阻止,故而行業(yè)內(nèi)也稱之為混凝土癌癥。關(guān)于堿-集料反響機(jī)理,國內(nèi)外早有相關(guān)研究[7],主要是由于混凝土原材料中堿含量及混凝土堿活性物質(zhì)的存在。混凝土中主要的原材料水泥在生產(chǎn)煅燒經(jīng)過中會產(chǎn)生七八種金屬氧化物,華而不實(shí)氧化鈉及氧化鉀水化后容易生產(chǎn)氫氧化鈉及氫氧化鉀等堿性物質(zhì)。該堿性物質(zhì)與混凝土中見活性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反響,嚴(yán)重影響混凝土耐久性。當(dāng)前國內(nèi)(混凝土構(gòu)造設(shè)計(jì)規(guī)范〕中已有明確條文規(guī)定,不同的環(huán)境類別需限制水泥中堿含量。另外混凝土中堿活性物質(zhì)主要是骨料中的活性二氧化硅。這些活性的二氧化硅與混凝土中的堿發(fā)生反響,產(chǎn)生一種叫做堿硅酸鹽凝膠的物質(zhì)。堿硅酸鹽凝膠有強(qiáng)吸水性,吸水后體積能夠提高3倍,造成混凝土膨脹開裂;開裂后容易引起其他腐蝕性物質(zhì)進(jìn)入電力管廊構(gòu)造內(nèi)部,進(jìn)一步影響管廊構(gòu)造的耐久性。關(guān)于堿活性物質(zhì)當(dāng)前發(fā)現(xiàn)的除活性二氧化硅外,還有一些活性的碳酸鈉,總之引起堿集料反響的因素諸多,當(dāng)前也處于研究探尋求索階段。5、結(jié)論與瞻望(1)一般環(huán)境下電力管廊的耐久性設(shè)計(jì)主要考慮混凝土的碳化作用引起鋼筋的銹蝕。通過控制混凝土原材料,包含混凝土強(qiáng)度、最大水膠比、保衛(wèi)層厚度等來控制。當(dāng)管廊構(gòu)造同時(shí)承受其他作用環(huán)境時(shí),應(yīng)按環(huán)境作用等級較高的要求進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)。(2)氯鹽腐蝕是濱海環(huán)境下電力管廊構(gòu)造的最主要腐蝕形式。從腐蝕機(jī)理上分析,主要是對鋼筋混凝土中的鋼筋造成腐蝕,設(shè)計(jì)及施工可采取加強(qiáng)混凝土保衛(wèi)層的控制及添加鋼筋阻銹劑等措施。(3)凍融環(huán)境下電力管廊構(gòu)造毀壞主要原因是管廊混凝土內(nèi)部存在游離的孔隙水。當(dāng)孔隙水處于飽和狀態(tài)時(shí)發(fā)生的一種構(gòu)造整體式膨脹毀壞。針對毀壞機(jī)理,在進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)可針對性的摻入減水劑、引氣劑、控制水灰比、提高混凝土密實(shí)度、加強(qiáng)早期養(yǎng)護(hù)或滲入防凍劑等措施。(4)堿-集料反響是影響鋼筋混凝土電力管廊耐久性的主要因素之一。當(dāng)前國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對這方面的規(guī)定比擬少,僅(混凝土構(gòu)造設(shè)計(jì)規(guī)范〕中有提及在使用堿活性骨料時(shí),應(yīng)對混凝土的堿含量作了限制。今后應(yīng)從影響堿-集料反響的影響因素上進(jìn)一步研究改反響的耐久性機(jī)理,為工程實(shí)際提供可靠根據(jù)。以下為參考文獻(xiàn)[1]GB/T504762008,混凝土構(gòu)造耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范[S].[2]GB/T500462021,工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].[3]金偉良,趙羽習(xí).混凝土構(gòu)造耐久性研究的回首與瞻望[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào),2002.36(4):3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