混凝土碳化引起鋼筋銹蝕的試驗(yàn)研究

趙文娟

1 概述

1.1 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性

混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足安全性、適用性和耐久性這三方面的要求?；炷两Y(jié)構(gòu)的耐久性是指在設(shè)計(jì)和使用年限內(nèi)，在正常維護(hù)下，結(jié)構(gòu)必須保持適合于使用，而不需要維修加固?；炷两Y(jié)構(gòu)廣泛用于各類工程結(jié)構(gòu)中，如果因耐久性不足而失效，或?yàn)榱死^續(xù)正常使用而進(jìn)行相當(dāng)規(guī)模的維修、加固和改造，則要付出高昂的代價(jià)。保證混凝土結(jié)構(gòu)能在自然和人為環(huán)境的化學(xué)和物理作用下，滿足耐久性的要求，是一個(gè)十分迫切和重要的問題。

1.2 影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能的主要因素

影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素，主要有內(nèi)部原因和外部原因兩個(gè)方面。內(nèi)部因素主要有混凝土的強(qiáng)度、密實(shí)性、水泥用量、水灰比、氯離子及堿含量、外加劑用量、保護(hù)層厚度等;外部因素則主要是環(huán)境條件，包括溫度、濕度、二氧化碳含量、侵蝕性介質(zhì)等。出現(xiàn)耐久性能下降的問題，往往是內(nèi)外部因素綜合作用的結(jié)果。

2 混凝土的碳化與鋼筋的銹蝕

2.1 混凝土的碳化

理論分析和試驗(yàn)分析表明，在大氣環(huán)境下，混凝土的碳化深度與時(shí)間的關(guān)系為:

其中，X為碳化深度;Dk為CO2的擴(kuò)散系數(shù);C為混凝土表面的濃度;b為單位體積混凝土碳化所需的CO2含量;K為混凝土碳化系數(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為混凝土暴露時(shí)間，年。

2.2 鋼筋的銹蝕

混凝土碳化至鋼筋表面使氧化膜破壞是鋼筋銹蝕的必要條件，含氧水分侵入是鋼筋銹蝕的充分條件。建筑中通常用的鋼材為碳素結(jié)構(gòu)鋼和結(jié)構(gòu)低合金鋼，其化學(xué)組成除Fe外，還含有少量其他金屬(Mn，V ，Ti)和非金屬(Si，C，S，P，O)元素并形成固熔體 、化合物或機(jī)械混合物的形態(tài)共存于鋼材結(jié)構(gòu)中;此外還有許多晶界面和缺陷。鋼筋表面氧化膜破壞后，當(dāng)鋼材表面從空氣中吸收溶有二氧化碳的水分，形成一種電解質(zhì)的水膜時(shí)，就會在鋼材表面層的不同成分或晶界面之間構(gòu)成無數(shù)微電池。陽極和陰極反應(yīng)構(gòu)成整個(gè)腐蝕過程，這即為電化學(xué)腐蝕。最初的混凝土孔隙中充滿了飽和Ca(OH)2溶液，它使鋼筋表層發(fā)生初始的電化學(xué)腐蝕，該腐蝕物在鋼筋表面形成一層致密的覆蓋物，即 Fe2O3和Fe3O4，這層覆蓋物稱為鈍化膜，在高堿性環(huán)境中，即pH≥11.5時(shí)，它可以阻止鋼筋被進(jìn)一步腐蝕。當(dāng)混凝土碳化深度超過保護(hù)層達(dá)到鋼筋表面時(shí)，鋼筋周圍孔隙液的pH值降低到8.5～9.0，鈍化膜被破壞，鋼筋將完成電化學(xué)腐蝕，導(dǎo)致鋼筋銹蝕。

3 工程實(shí)例

3.1 混凝土碳化的檢測步驟

采用化學(xué)測試法，在混凝土表面鑿個(gè)小洞，深1 cm左右，用洗耳球或小皮老虎吹掉灰塵碎屑，然后滴入或涂抹酚酞劑，看混凝土是否變色(碳化)，若發(fā)現(xiàn)有碳化情況，則可迅速的測試出其碳化程度。1)酚酞劑的配制。根據(jù)實(shí)踐試驗(yàn)結(jié)果得出，用99%的酒精加1%的酚酞液，所配制的酚酞劑呈淺色;96%的酒精加4%的酚酞液，所配制的酚酞劑呈深色。2)混凝土碳化判定。當(dāng)酚酞劑涂抹或滴入混凝土體內(nèi)1 min～2 min后，便有反應(yīng)。若混凝土變紅色，則混凝土未碳化;若混凝土不變色，則混凝土已碳化。3)混凝土碳化深度測驗(yàn)。用碳化深度測定儀測定沒有變色的混凝土的深度。4)測試混凝土碳化鑿開面的處理。在混凝土碳化測試工作完成后，對檢測混凝土碳化的鑿開面應(yīng)用環(huán)氧樹脂或環(huán)氧混凝土作填補(bǔ)封閉處理。

表1 混凝土碳化深度檢測結(jié)果 mm

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

我們對某工程的幾個(gè)構(gòu)件進(jìn)行編號，并對其進(jìn)行混凝土碳化檢測，測試結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出，有些鋼筋表面的鈍化膜遭到破壞，鋼筋開始腐蝕，由于鋼筋銹蝕，其截面面積減少，延性降低，強(qiáng)度受損，使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件安全性受到不同程度的影響?；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。因此我們必須采取一些有效措施，處理鋼筋銹蝕。

3.3 鋼筋銹蝕后的處理方法

1)對碳化深度過大，鋼筋銹蝕明顯、危及結(jié)構(gòu)安全的構(gòu)件應(yīng)拆除重建;2)對碳化深度較小并小于鋼筋保護(hù)層厚度，碳化層比較堅(jiān)硬的，可用優(yōu)質(zhì)涂料封閉;3)對碳化深度大于鋼筋保護(hù)層厚度或碳化深度雖然較小但碳化層疏松剝落的，均應(yīng)鑿除碳化層，粉刷高強(qiáng)砂漿或澆筑高強(qiáng)混凝土;4)對鋼筋銹蝕嚴(yán)重的，應(yīng)在修補(bǔ)前除銹，并應(yīng)根據(jù)銹蝕情況和結(jié)構(gòu)需要加補(bǔ)鋼筋。

4 結(jié)語

1)混凝土本身要降低水灰比，保證密實(shí)度，具有足夠的保護(hù)層厚度，嚴(yán)格控制氯含量。2)采用覆蓋層，防止二氧化碳等的滲入。3)在海工結(jié)構(gòu)、強(qiáng)腐蝕介質(zhì)中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，可采用鋼筋阻銹劑、防腐蝕鋼筋、環(huán)氧涂層鋼筋、不銹鋼鋼筋等。4)若建筑物地處環(huán)境惡劣的地區(qū)，宜采取環(huán)氧基液涂層保護(hù)效果較好，對建筑物地下部分在其周圍設(shè)置保護(hù)層。5)合理設(shè)計(jì)混凝土配合比。6)規(guī)定鋼筋保護(hù)層的最小厚度。

[1] 王鐵成.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[2] 易偉建.建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005.

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