水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋銹蝕破壞和防控

母俊卿

（新疆卡拉貝利水利樞紐工程建設(shè)管理局，新疆 喀什 844000）

水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋銹蝕破壞和防控

母俊卿

（新疆卡拉貝利水利樞紐工程建設(shè)管理局，新疆 喀什 844000）

水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋銹蝕破壞是危及水利工程結(jié)構(gòu)安全的一大病害，不同地區(qū)、不同環(huán)境、不同作業(yè)階段，防控措施各不相同。文章針對在不利外部環(huán)境作用下鋼筋銹蝕現(xiàn)象進行機理分析，總結(jié)影響因素和發(fā)生原因，并結(jié)合工程規(guī)劃設(shè)計、施工建設(shè)實際提出了一些預(yù)防、控制措施。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；鋼筋銹蝕破壞；銹蝕原因；防控措施

水利水電工程中，鋼筋混凝土是建筑物結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重要組成部分。在不利外部環(huán)境作用下如出現(xiàn)比較嚴重的鋼筋銹蝕現(xiàn)象，會使水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)遭受破壞，使用年限縮短，安全性、可靠性降低，輕度危及建筑物安全的，必須進行除險加固建設(shè)，嚴重破壞無法使用的，甚至要報廢工程。水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕破壞除要投入巨額資金維修外，還嚴重威脅人民生命財產(chǎn)安全，無論是水利水電工程設(shè)計、施工、建設(shè)和運行管理，都應(yīng)深刻認識其形成機理、原因并掌握其基本防治措施［1］。

1 鋼筋銹蝕破壞機理及主要影響因素

1.1 鋼筋銹蝕機理

水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中存在Ca（OH）2及其它堿性物，pH值約為 12.5，鋼筋在混凝土的強堿性環(huán)境中，表面形成的鈍化膜可阻止鋼筋腐蝕，因而質(zhì)量良好、沒有裂縫的鋼筋混凝土，鋼筋基本上不發(fā)生腐蝕［2］。當鋼筋表面的鈍化膜受到破壞，組成鋼筋的Fe元素就容易腐蝕，鋼筋表面有溶解氧的水分存在時，產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)過程，發(fā)生Fe（鋼筋）電離的陽極反應(yīng)和溶解氧還原的陰極反應(yīng)：

若溶氧量有限，較容易產(chǎn)生含亞鐵離子的產(chǎn)物，在鋼筋表面析出化學(xué)反應(yīng)物 Fe（OH）2，若溶解氧充足，F(xiàn)e（OH）2可被繼續(xù)氧化：Fe＋3O2＋6H2O＝4Fe（OH）3，F(xiàn)e（OH）3可在空氣中脫水形成疏松的Fe2O3·xH2O。鋼筋銹蝕即為鋼筋中的 Fe元素發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，在鋼筋表面形成由Fe的多種氧化物及水合物組成的鐵銹混合物的過程［3］。

1.2 鋼筋銹蝕對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋發(fā)生銹蝕以后，鐵銹的體積是鋼筋體積的2～4倍，在鋼筋與四周混凝土交界面上產(chǎn)生鋼筋銹脹力，混凝土保護層因受拉而出現(xiàn)開裂，進一步加劇銹蝕，鋼筋的有效面積減小、強度降低導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力下降。

當預(yù)應(yīng)力鋼筋局部受損發(fā)生坑銹蝕時，由于結(jié)構(gòu)截面小而鋼筋工作應(yīng)力高，極有可能發(fā)生突然斷裂，對結(jié)構(gòu)安全造成極大威脅。另一方面，銹蝕鋼筋的抗滑移能力降低，有可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)滑移破 壞［4］。

水利部2014年1月發(fā)布《水利水電工程合理使用年限及耐久性設(shè)計規(guī)范》（SL654—2014），提出了水利水電工程及其水工建筑物的合理使用年限（見表1、表2），是在正常設(shè)計、正常施工、正常運行使用和規(guī)定的維修下應(yīng)達到的最低使用年限，而當混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴重鋼筋銹蝕破壞后，工程或建筑物難以滿足規(guī)范規(guī)定、不能達到合理使用年限，降低了預(yù)期投資效果。

表1 水利水電工程合理使用年限 年

表2 水利水電工程各類永久性水工建筑物的合理使用年限 年

2 鋼筋腐蝕的主要原因及防控措施

2.1 促使鋼筋發(fā)生腐蝕破壞的常見原因

1）在工程設(shè)計階段，對外部環(huán)境不利因素考慮不足或?qū)?yīng)環(huán)境類別（見表3）的水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計安全等級不足，在超負荷荷載作用下，混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生裂縫或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不能有效應(yīng)對不利環(huán)境的侵蝕，混凝土耐久性降低而逐漸造成鋼筋銹蝕。

表3 水工混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境類別

2）混凝土配合比設(shè)計時，處于碳化、氯化物、化學(xué)腐蝕及堿活性骨料等不利環(huán)境時，在滿足強度、抗凍、抗?jié)B等主要指標的前提下，對外界不利環(huán)境的研究或經(jīng)驗不足，造成水灰比、水泥品種及用量、外加劑等不能完全滿足混凝土耐久性設(shè)計要求，不利條件下降低了混凝土對鋼筋的保護作用，引起鋼筋銹蝕。

3）水工混凝土結(jié)構(gòu)施工時未按設(shè)計或規(guī)范進行作業(yè)，產(chǎn)生使鋼筋銹蝕破壞的不利條件，使鋼筋暴露在空氣和外界不利條件下發(fā)生銹蝕，形成的主要原因有：①工程重要部位（如閘井、擋水拱壩、泄洪洞、渡槽）鋼筋混凝土澆筑過程中，施工縫面處理不當，澆筑層面未按規(guī)范做鑿毛、沖洗、界面漿處理；或連續(xù)澆筑的混凝土，不能保持混凝土澆筑的連續(xù)性，新舊混凝土結(jié)合不緊密形成施工縫，留下鋼筋銹蝕破壞隱患；②工程地質(zhì)勘察的內(nèi)容和深度不滿足建筑物耐久性所需的地質(zhì)基本資料要求或由于基礎(chǔ)施工處理不符合要求，產(chǎn)生基礎(chǔ)不均勻沉降，水工混凝土結(jié)構(gòu)受力不勻引起裂縫，逐漸形成鋼筋銹蝕破壞；③由于混凝土施工后水泥水化熱過大，混凝土表層未作妥善溫度養(yǎng)護處理，因溫度應(yīng)力造成混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫，形成鋼筋銹蝕條件；④混凝土結(jié)構(gòu)在施工過程中，保護層厚度不夠、施工中鋼筋偏位，混凝土澆筑振搗不足或過振、混凝土產(chǎn)生蜂窩、狗洞等質(zhì)量問題，使混凝土對鋼筋的保護作用減弱或喪失，耐久性降低而留下鋼筋銹蝕破壞隱患；⑤混凝土施工中由于措施不當產(chǎn)生裂縫，如：混凝土施工分縫留縫位置不當或拆模板過早或養(yǎng)護不力造成表面干縮裂縫等。

4）外部不良環(huán)境改變對混凝土結(jié)構(gòu)的破壞作用。外部條件變化后，環(huán)境水水質(zhì)出現(xiàn)改變、周圍介質(zhì)的 有 害 成 分 增 多，如 氯 離 子 （Cl-）、硫 酸 根（SO4

2-）及硫離子（S2-）、磷（P2-）等有害元素含量超過混凝土構(gòu)件的設(shè)計使用條件范圍，使混凝土對鋼筋的保護作用降低逐漸引起鋼筋銹蝕破壞。

2.2 鋼筋銹蝕的防治措施

對水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋銹蝕問題必須給予高度重視，并積極采取措施加以防治：

1）在水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，應(yīng)根據(jù)《水利水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計標準》規(guī)定的水工建筑物的級別，采用適宜的水工建筑物的結(jié)構(gòu)安全級別。

2）水工混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性、設(shè)計使用年限應(yīng)和結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境掛鉤。

a.合理提出混凝土設(shè)計指標。根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（SL191—2008）要求，按照水工混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境條件（參見表3）提出相應(yīng)的耐久性要求，分別做好混凝土強度、抗凍、抗?jié)B、抗侵蝕、抗沖刷等耐久性指標的確定，可根據(jù)結(jié)構(gòu)保護措施的實際情況及預(yù)期的施工質(zhì)量控制水平，將環(huán)境類別適當提高，以保證結(jié)構(gòu)耐久性和使用年限；選取不小于規(guī)范的混凝土保護層厚度，合理使用年限150 a的，專門研究確定保護層厚度。

b.在不同環(huán)境，混凝土給予適當?shù)呐浜媳裙に?。對混凝土中氯化物的含量?yīng)嚴格限制，預(yù)應(yīng)力混凝土中不得摻用氯鹽；降低混凝土的水灰比，降低混凝土的透水系數(shù)有助于提高鋼筋的抗蝕性；對于接觸侵蝕性介質(zhì)的結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用抗侵蝕性水泥；對于不得不使用堿活性骨料的混凝土結(jié)構(gòu)，采用低堿水泥、加入足量的粉煤灰、礦渣等摻合料等抑制堿骨料反應(yīng)措施；水流沖刷劇烈部位的水工混凝土結(jié)構(gòu)，在混凝土中摻入硅粉提高抗沖耐磨性能，增加混凝土的耐久性。

3）混凝土對鋼筋有很好的保護作用，施工中提高混凝土的澆筑質(zhì)量是最簡單有效的方法。在混凝土澆筑前做好鋼筋綁扎、模板支立等準備工作，按設(shè)計預(yù)留好混凝土保護層厚度；混凝土澆筑中，避免發(fā)生混凝土裂縫、混凝土密實度不好等混凝土質(zhì)量缺陷，提高混凝土密實性，降低滲透性、抑制氧和水分的進入，防止鋼筋銹蝕；根據(jù)外界溫度，采取適當?shù)谋鼗蚪禍亍⒈ＫB(yǎng)護控制措施，避免出現(xiàn)溫度裂縫。

4）加強工程檢查和維修養(yǎng)護。對于已發(fā)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)的鋼筋銹蝕破壞問題，應(yīng)積極查找原因并加以防治，避免擴大；對于因周圍環(huán)境變化可能對水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形成的有害因素，要及早發(fā)現(xiàn)及時采取對策，及早消除影響，有條件的地區(qū)，建議逐步建立起水利水電工程鋼筋混凝土不良影響預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)。

3 結(jié) 語

鋼筋銹蝕現(xiàn)象在水利水電工程實踐中很常見，水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)往往因鋼筋銹蝕破壞開始而引起工程和建筑物的安全問題，隨之帶來工程維修養(yǎng)護或除險加固的資金大量投入，對人民生命財產(chǎn)安全構(gòu)成威脅、給生產(chǎn)管理帶來不利影響。本文結(jié)合工程建設(shè)實踐，系統(tǒng)深入分析水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕破壞的機理、原因，意在引起重視，并總結(jié)提出防控措施，為類似問題提供參考。

［1］張譽，蔣利學(xué)，張偉平，等.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性概論［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2003：59-61.

［2］劉宏.水工建筑混凝土施工質(zhì)量控制［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2010（07）：109.

［3］水利部長江水利委員會長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院 . SL191—2008水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國水利水電出版社，2008.

TU375

B

1007-7596（2015）02-0087-02

2014-12-15

母俊卿（1975-），男，河南永城人，工程師，從事水利水電工程規(guī)劃建設(shè)。