混凝土鋼筋銹蝕機理及防腐研究

楊松榮 孫友態(tài)

1 概述

混凝土中鋼筋銹蝕是十分普遍的現(xiàn)象,尤其是在沿海地區(qū)、工業(yè)污染地區(qū)鋼筋銹蝕問題更為突出。如今鋼筋銹蝕已被公認為混凝土結(jié)構(gòu)耐久性劣化最主要的原因,不少國家為此遭受了巨大的經(jīng)濟損失。在對銹蝕鋼筋力學(xué)性能和粘結(jié)性能展開研究前,本文對混凝土中鋼筋的腐蝕機理、鋼筋銹蝕的影響因素和鋼筋銹蝕的試驗方法進行全面的探討和研究,并概述了當前混凝土中鋼筋銹蝕的無損檢測方法和鋼筋的防腐技術(shù)。

2 混凝土中鋼筋的電化學(xué)腐蝕機理

2.1 混凝土中鋼筋發(fā)生腐蝕的條件

1)鋼筋表面的鈍化膜遭到破壞,鋼筋處于活化狀態(tài)?；炷林械目紫兑褐饕煞质荂a(OH)2飽和溶液,堿度很高,pH值通常在12.5左右,由于混凝土中還含有少量Na2O,K2O等鹽分,實際pH值可超過13。在這樣高堿性的環(huán)境中,鋼筋表面氧化形成一層水化氧化膜(γ-.Fe2O3nH2O)。這層致密的氧化膜牢固地吸附在鋼筋表面,使鋼筋處于鈍化狀態(tài),即使在有水分和氧氣的條件下鋼筋也不容易發(fā)生腐蝕,故稱為“鈍化膜”。2)鋼筋表面存在電位差,構(gòu)成腐蝕電池。鋼筋中含有的少量雜質(zhì)及鋼筋成分的不均勻性、周圍混凝土孔隙液中鋼筋腐蝕的去極化劑(如OH-,Cl-和溶解氧等)的濃度差等,都會使鋼筋表面形成許多微小的腐蝕電池,因此這個條件總是滿足的。3)鋼筋表面有電化學(xué)反應(yīng)和離子擴散所需的水和氧氣。一般情況下混凝土中的孔隙充滿孔隙液,外界大氣中的氧氣通過毛細作用進入孔隙液成為溶解氧并擴散到鋼筋表面,因此該條件通常也是滿足的。

2.2 混凝土中鋼筋腐蝕的電化學(xué)反應(yīng)過程

混凝土中鋼筋腐蝕的電化學(xué)原理如圖1所示,鋼筋的腐蝕過程包括下述4個電化學(xué)反應(yīng)過程:1)陽極反應(yīng)過程。2)電子傳輸過程:即陽極區(qū)釋放的電子通過鋼筋向陰極區(qū)傳送。3)陰極反應(yīng)去極化過程。4)腐蝕產(chǎn)物生成過程。

2.3 鋼筋的全面腐蝕與局部腐蝕

混凝土中鋼筋的腐蝕可分為全面腐蝕和局部腐蝕。從腐蝕形態(tài)上看,鋼筋的全面腐蝕是指腐蝕分布在整個鋼筋表面上,腐蝕較為均勻;局部腐蝕是指鋼筋表面上各部分的腐蝕程度存在明顯的差異,特別是指一小部分表面區(qū)域的腐蝕速度和腐蝕梯度遠大于整個表面的平均值的腐蝕情況。

3 混凝土中鋼筋銹蝕的影響因素

影響混凝土中鋼筋銹蝕的因素很多,理論上說凡是影響鋼筋電化學(xué)腐蝕反應(yīng)過程的因素都會對鋼筋的銹蝕產(chǎn)生影響,這些因素有:1)O2擴散的影響。2)pH值的影響。3)溫度的影響。4)Cl-濃度的影響。5)混凝土電阻抗的影響。6)混凝土保護層的影響。

4 鋼筋的防腐技術(shù)

4.1 普通鋼筋的防腐技術(shù)

1)應(yīng)用阻銹劑。應(yīng)用阻銹劑能夠阻止或延緩氯離子對鋼筋鈍化膜的破壞。阻銹劑是鋼筋銹蝕長期防護的有效措施之一,在我國已有明確的YB/T 9231-98鋼筋阻銹劑使用技術(shù)規(guī)程。采用阻銹劑的同時應(yīng)使用低滲透性混凝土,以防止阻銹劑流失。2)提高混凝土的質(zhì)量。通過摻加火山灰質(zhì)材料、微硅粉、磨細礦渣或粉煤灰等方法,能夠有效降低混凝土的孔隙尺寸和阻斷毛細孔的連通,從而有效的提高混凝土的抗?jié)B性能。提高混凝土質(zhì)量的另一個重要內(nèi)容是限制混凝土中的氯離子含量?；炷凉橇?、拌合水、外加劑等帶入混凝土中的氯離子總量一般不得超過混凝土中水泥重量的0.1%～0.3%。3)表面涂層。表面涂層可分為混凝土表面涂層和鋼筋表面涂層兩種?；炷帘砻嫱繉邮墙档吐入x子滲透速度和混凝土碳化速度的有效輔助措施。常用的鋼筋表面涂層有環(huán)氧樹脂涂層、鍍鋅和磷化涂層等,其中以環(huán)氧樹脂涂層應(yīng)用最為廣泛,但在復(fù)雜的交叉部位,由于鋼筋彎曲時存在較大的應(yīng)力,環(huán)氧樹脂涂層鋼筋的粘結(jié)性能不易保證,因此不宜使用環(huán)氧樹脂涂層鋼筋。鍍鋅是在鋼筋表面鍍上一層鋅,它兼有犧牲陽極的作用,但是鍍鋅層的壽命較短,一般不超過30年。4)陰極保護法。陰極保護常作為一種補助措施來防止混凝土中鋼筋的腐蝕。在良好的導(dǎo)電介質(zhì)中,例如海水中,陰極保護可以通過在鋼筋上連接犧牲陽極來實現(xiàn)。而在導(dǎo)電性差的環(huán)境中,例如在大氣中,陰極保護可以在鋼筋和難溶性陽極之間施加電流實現(xiàn),鋼筋和難溶性陽極之間用塑料網(wǎng)隔開。近來,在海洋條件下及有限的范圍內(nèi),也常在鋼筋表面包覆上不銹鋼或鎳層等進行防銹。在較為惡劣的腐蝕性環(huán)境條件下,這種鋼筋防腐方法往往是經(jīng)濟的。此外也可采用復(fù)合纖維塑料(FRP)等耐腐蝕性材料的力筋。

4.2 預(yù)應(yīng)力鋼筋的防腐技術(shù)

1)有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力體系。該類結(jié)構(gòu)在澆筑混凝土前埋置預(yù)應(yīng)力鋼筋管道,待混凝土達到一定的強度后穿預(yù)應(yīng)力鋼筋束,張拉錨固。管道內(nèi)一般灌注剛性灌漿材料包覆預(yù)應(yīng)力鋼筋,以達到防腐的目的,同時也使預(yù)應(yīng)力鋼筋與剛性灌漿材料之間具有一定的粘結(jié)力。然而常規(guī)的灌漿方法往往容易出現(xiàn)局部灌漿空洞,甚至出現(xiàn)由于施工原因無法灌漿或漏灌漿的情況。這些空洞內(nèi)的預(yù)應(yīng)力鋼筋在潮濕的空氣中很容易發(fā)生腐蝕,從而產(chǎn)生耐久性破壞。2)無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力體系。無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋是指經(jīng)涂抹防腐油脂,用聚乙烯套管包裹制成的預(yù)應(yīng)力鋼筋。使用時按設(shè)計要求鋪放在模板內(nèi),然后澆筑混凝土,待混凝土達到設(shè)計要求強度后,再張拉錨固。無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋與混凝土不直接接觸,兩者產(chǎn)生相對滑移而成為無粘結(jié)體系。其主要優(yōu)點是工藝簡單,張拉設(shè)備輕,施工方便,有利于分散布筋與高空作業(yè)。3)體外預(yù)應(yīng)力體系。與體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼筋不同,體外預(yù)應(yīng)力鋼筋直接暴露于環(huán)境中,且預(yù)應(yīng)力鋼筋又是腐蝕敏感材料,如果防護不當,就容易發(fā)生腐蝕破壞,因此體外預(yù)應(yīng)力鋼筋的防腐極其重要。目前,體外預(yù)應(yīng)力鋼筋的防腐方法大體上可以分為3類:a.預(yù)應(yīng)力鋼筋表面涂層。常用的涂層有鍍鋅和環(huán)氧樹脂等。鍍鋅涂層兼有犧牲陽極的陰極保護作用。這種方法簡單且價格較便宜,預(yù)應(yīng)力鋼筋的更換及內(nèi)力調(diào)整比較方便。但是這種方法的缺點也比較多:鍍鋅鋼絞線一般采用熱鍍鋅層技術(shù),高溫會造成預(yù)應(yīng)力鋼筋強度降低;由于鍍鋅的犧牲陽極作用可能產(chǎn)生氫,從而引起氫脆。因此實際工程中環(huán)氧樹脂涂層預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)用較為普遍。b.套管加填充材料。這種方法是在預(yù)應(yīng)力鋼筋的外面加套管,待張拉完預(yù)應(yīng)力筋后,在套管內(nèi)灌注填充材料。這種防腐系統(tǒng)增加了兩層防腐屏障(填充材料和套管),因此防腐性能優(yōu)于第一種,但價格也較高。c.采用單股無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋。單股無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋自身具有防護系統(tǒng),可以不用管道而單獨使用,也可以外面加套管,并充入灌漿材料構(gòu)成具有多重防護功能的防腐系統(tǒng)。無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋直接在工廠生產(chǎn),不僅可以提高質(zhì)量,而且也可提高預(yù)應(yīng)力鋼筋在運輸、存儲、安裝過程的耐腐蝕性。

5 結(jié)語

眾多研究表明,鋼筋銹蝕是引起混凝土結(jié)構(gòu)耐久性劣化最主要、最直接的原因。如何通過無損檢測對現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋銹蝕程度和速度進行評估,以便采取各種有效措施防止鋼筋銹蝕發(fā)生和發(fā)展是研究鋼筋銹蝕機理的目的。進一步加強這方面的研究將對保證建筑質(zhì)量,節(jié)約能源,減少損失產(chǎn)生重要意義。

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