混凝土中鋼筋銹蝕的原因及危害和預(yù)防措施

劉榮生

1 概述

在建筑工程中,鋼筋混凝土因具有堅(jiān)固耐用和材料來(lái)源廣泛等優(yōu)點(diǎn)而被土木工程各個(gè)領(lǐng)域普遍采用。隨著鋼筋混凝土的廣泛應(yīng)用,它的眾多優(yōu)點(diǎn)得到了進(jìn)一步的體現(xiàn)。但在使用過(guò)程中鋼筋銹蝕是一個(gè)比較普遍,并且嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)安全耐久性的問(wèn)題,它在影響結(jié)構(gòu)耐久性因素中占據(jù)主導(dǎo)地位。正如Mchta教授在2001年以《21世紀(jì)建筑結(jié)構(gòu)的耐久性》為題,發(fā)表的如下主要觀點(diǎn):“鋼筋腐蝕是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞的主要機(jī)理?！变摻钿P蝕已成為導(dǎo)致鋼筋混凝土建筑物耐久性不足,過(guò)早破壞的主要原因,是世界普遍關(guān)注的一大災(zāi)害。因此對(duì)混凝土中鋼筋的銹蝕問(wèn)題必須引起重視,并采取相應(yīng)措施防止或減輕鋼筋銹蝕的發(fā)生。鋼筋銹蝕對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞分為三個(gè)時(shí)期:前期是鋼筋表面局部銹蝕出現(xiàn)銹斑、銹片等;中期是鋼筋整個(gè)表面銹蝕,并產(chǎn)生膨脹,與保護(hù)層脫離,發(fā)生層裂;后期表現(xiàn)為鋼筋鐵銹進(jìn)一步膨脹,混凝土本身發(fā)生破壞,出現(xiàn)順筋脹裂,混凝土脫離,直至鋼筋不斷銹蝕。本文對(duì)此進(jìn)行論述,以期對(duì)混凝土中鋼筋銹蝕的預(yù)防有所幫助。

2 影響鋼筋銹蝕的因素

影響鋼筋銹蝕的因素很多,包括鋼筋位置、鋼筋直徑、水泥品種、混凝土的密實(shí)度、保護(hù)層厚度及完好性、外部環(huán)境等。1)鋼筋銹蝕速度與混凝土液相pH值有密切關(guān)系。硬化的混凝土由于水泥水化,生成氫氧化鈣,故顯堿性,混凝土液相pH值大于10,此時(shí)鋼筋表面生成一層穩(wěn)定、致密、鈍化的保護(hù)膜,鋼筋銹蝕速度很小。當(dāng)混凝土的pH值小于4時(shí),鋼筋銹蝕速度急劇增加。2)混凝土中Cl-的含量。混凝土中Cl-的含量對(duì)鋼筋銹蝕影響極大,氯鹽的摻量應(yīng)少于水泥重量的1%。據(jù)有關(guān)試驗(yàn)證明,即便是pH值較高的液體(pH＞13),只要有4mg/L～6mg/L的氯離子含量,就可以破壞鋼筋的鈍化膜,使鋼筋在水和氧氣的作用下導(dǎo)致鋼筋銹蝕。3)混凝土的密實(shí)度和保護(hù)層厚度。混凝土能阻止外界腐蝕介質(zhì)、氧氣和水分等的滲入,混凝土密實(shí)度越高,保護(hù)層越厚,外界有害物質(zhì)就越難滲入,鋼筋銹蝕就不容易發(fā)生。4)其他因素。除上述因素外,鋼筋應(yīng)力狀態(tài)對(duì)其銹蝕也有很大影響,預(yù)應(yīng)力鋼筋更容易腐蝕,而且應(yīng)力腐蝕比一般腐蝕更危險(xiǎn)。

3 鋼筋銹蝕后的現(xiàn)象

鋼筋銹蝕后,導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)性能的裂化和破壞,主要有如下表現(xiàn):1)鋼筋銹蝕,導(dǎo)致截面積減少,從而使鋼筋的力學(xué)性能下降。大量的試驗(yàn)研究表明,對(duì)于截面積損失率達(dá)5%～10%的鋼筋,其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度及延伸率均開(kāi)始下降,對(duì)于截面積損失率大于10%,但小于60%的嚴(yán)重腐蝕,鋼筋各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)嚴(yán)重下降。如:鋼筋截面積損失率達(dá)1.2%,2.4%和5%時(shí),鋼筋混凝土板的承載能力分別下降8%,17%和25%。鋼筋截面積損失率達(dá)60%時(shí),構(gòu)件承載能力降低到與未配筋構(gòu)件相近。2)鋼筋腐蝕導(dǎo)致鋼筋與混凝土之間的結(jié)合強(qiáng)度下降,從而不能把鋼筋所受的拉伸強(qiáng)度有效傳遞給混凝土。3)鋼筋銹蝕生成腐蝕產(chǎn)物,其體積是基體體積的2倍～4倍,腐蝕產(chǎn)物在混凝土和鋼筋之間積聚,對(duì)混凝土的擠壓力漸增,混凝土保護(hù)層在這種擠壓力的作用下拉應(yīng)力逐漸加大,直到開(kāi)裂、起鼓、剝落?；炷帘Ｗo(hù)層破壞后,使鋼筋與混凝土界面結(jié)合強(qiáng)度迅速下降,甚至完全喪失,不但影響結(jié)構(gòu)物的正常使用,甚至使建筑物遭到完全破壞。民用建筑工程中,由于在建造時(shí)摻加了氯鹽防凍劑或使用海砂,建成不久就出現(xiàn)鋼筋腐蝕破壞問(wèn)題。如西安某教學(xué)樓,由于加氯鹽作為防凍劑,梁、柱等混凝土構(gòu)件中鋼筋腐蝕嚴(yán)重,不得不在次年進(jìn)行加固修復(fù);深圳和舟山的某些建筑,由于濫用海砂,尚未使用就已發(fā)生鋼筋銹蝕破壞。

鋼筋銹蝕對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)物造成了嚴(yán)重的危害,為了保證混凝土建筑物的正常工作,必須采取措施,防止混凝土中鋼筋的銹蝕。

4 鋼筋銹蝕的預(yù)防措施

通過(guò)大量的調(diào)查研究證明,鋼筋銹蝕的原因正是由于混凝土保護(hù)層的碳化和氯離子的侵入而造成的,為了防止鋼筋銹蝕,必須防止混凝土的碳化或減慢碳化速度和防止氯離子的侵入。而混凝土碳化又是由于混凝土抗?jié)B性能不足引起的,所以為防止碳化,必須提高混凝土的抗?jié)B性。

1)提高混凝土的密實(shí)度,降低混凝土的孔隙率。外界的有害物質(zhì)通過(guò)混凝土內(nèi)部的孔隙,滲入到混凝土內(nèi),最后到達(dá)鋼筋表面,破壞鋼筋鈍化膜,引起鋼筋銹蝕,因此,為阻止外界有害物質(zhì)侵入混凝土內(nèi)而使鋼筋銹蝕,就要提高混凝土的密實(shí)度。而要提高混凝土的密實(shí)度,就必須降低混凝土的孔隙率,特別是毛細(xì)管孔隙率,最主要的方法是降低混凝土的拌和用水量。但如果純粹的降低用水量,混凝土的工作性將隨之降低,又會(huì)導(dǎo)致?lián)v實(shí)成型困難,同時(shí)造成混凝土結(jié)構(gòu)不致密,甚至出現(xiàn)蜂窩等缺陷。提高混凝土密實(shí)度的措施有:a.保證混凝土的施工質(zhì)量:首先要選用級(jí)配良好的骨料,控制材料的含泥量。其次混凝土要采用機(jī)械攪拌和機(jī)械振搗,保證混凝土攪拌均勻,振搗密實(shí)。同時(shí),要防止混凝土在運(yùn)輸和澆筑過(guò)程中產(chǎn)生離析現(xiàn)象。最后要做好混凝土的養(yǎng)護(hù),保證混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。b.摻入高效減水劑:在保證混凝土拌合物所需流動(dòng)性的同時(shí),盡可能降低用水量,減少水灰比,使混凝土的總孔隙率,特別是毛細(xì)管孔隙率大幅度降低。水泥在加水?dāng)嚢韬?會(huì)產(chǎn)生一種絮凝狀結(jié)構(gòu),在這些絮凝狀結(jié)構(gòu)中,包裹著許多拌合水,從而降低了新拌混凝土的工作性。施工中為了保持混凝土拌合物所需的工作性,就必須在拌和時(shí)相應(yīng)地增加用水量,這樣就會(huì)促使水泥石結(jié)構(gòu)中形成過(guò)多的孔隙。加入減水劑的定向排列,使水泥質(zhì)點(diǎn)表面均帶有相同電荷。在電性斥力的作用下,不但使水泥體系處于相對(duì)穩(wěn)定的懸浮狀態(tài),還在水泥顆粒表面形成一層溶劑化水膜,同時(shí)使水泥絮凝體內(nèi)的游離水釋放出來(lái),從而達(dá)到減水的目的。2)防止氯離子的侵蝕。氯離子的侵入是鋼筋被銹蝕的主要因素。氯離子進(jìn)入混凝土有兩種途徑:一種是“混入”;另一種是“滲入”。環(huán)境中的氯離子通過(guò)混凝土的宏觀、微觀缺陷滲入混凝土中,并到達(dá)鋼筋表面。為防止氯離子的侵入,采取的主要措施有:a.控制原材料中氯離子的含量。當(dāng)原材料中氯離子含量超標(biāo)時(shí),就要采取預(yù)防措施,這是防止混入型氯離子進(jìn)入混凝土的主要措施。b.提高混凝土保護(hù)層厚度?；炷帘Ｗo(hù)層增加,則氯離子滲入混凝土到達(dá)鋼筋的時(shí)間就會(huì)增加,這是延遲混凝土內(nèi)部開(kāi)始鋼筋銹蝕的很有效的一種方法。c.混凝土表面涂層。為制止氯離子滲入混凝土,延緩鋼筋腐蝕,涂覆混凝土作為第一道防線是一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)和有效的輔助性保護(hù)措施。d.鋼筋表層涂刷防腐涂料。目前采用較多的是環(huán)氧涂層鋼筋,由于其是在鋼廠流水線上涂覆的,因此一般可以保證涂層的高質(zhì)量,使鋼筋與周?chē)炷粮糸_(kāi),即使有害物質(zhì)大量侵入混凝土,也可長(zhǎng)期保護(hù)鋼筋,使鋼筋免遭腐蝕。3)控制混凝土裂縫,盡量避免有害裂縫的出現(xiàn)?；炷亮芽p是普遍存在的,由于裂縫的存在和發(fā)展通常會(huì)使內(nèi)部的鋼筋等材料產(chǎn)生腐蝕,降低鋼筋混凝土材料的承載能力、耐久性及抗?jié)B能力,影響建筑物的外觀、使用壽命,嚴(yán)重者將會(huì)威脅到人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全,很多工程的失事都是由于裂縫的不穩(wěn)定發(fā)展所致。因此在施工中應(yīng)盡量采取有效措施控制裂縫產(chǎn)生,使結(jié)構(gòu)盡可能不出現(xiàn)裂縫或盡量減少裂縫的數(shù)量和寬度,尤其要盡量避免有害裂縫的出現(xiàn)。預(yù)防混凝土裂縫的主要措施有:a.盡量選用收縮量較小、低熱或中熱水泥。b.混凝土的干縮受水灰比的影響較大,水灰比越大,干縮越大,因此要嚴(yán)格控制水灰比,摻加高效減水劑來(lái)增加混凝土的坍落度和和易性,減少水泥及水的用量。

5 結(jié)語(yǔ)

混凝土中因鋼筋的銹蝕而導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞,造成了損失也浪費(fèi)了資源,但在實(shí)際施工中,只要加強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo),嚴(yán)格管理,精心施工,并根據(jù)環(huán)境的特點(diǎn)和材料的性質(zhì)采取相應(yīng)的措施,完全能夠防止和推遲混凝土中鋼筋的銹蝕,從而提高混凝土的使用性和耐久性。

[1] 劉彥昌,趙 新,吳鋼偉.鋼筋混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕程度檢測(cè)研究[J].山西建筑,2009,35(2):78-79.