鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕防護(hù)措施

1、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕防護(hù)措施 一.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕的意義 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合了鋼筋和混凝土的優(yōu)點,造價較低,在土建工程中應(yīng)用范圍特別廣泛。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中,鋼筋銹蝕是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)過早被破壞的主要原因之一。新奇混凝土是呈堿性的,其ph值一般大于12.5,在此堿性環(huán)境中鋼筋簡單發(fā)生鈍化作用,使鋼筋表面產(chǎn)生一層鈍化膜,能阻擋混凝土中鋼筋的銹蝕。但當(dāng)有二氧化碳、水汽和氯離子等有害物質(zhì)從混凝土表面通過孔隙進(jìn)入混凝土內(nèi)部時和混凝土材料中的堿性物質(zhì)中和,從而導(dǎo)致混凝土的ph值降低,就出現(xiàn)ph值小于9這種狀況,鋼筋表面的鈍化膜就會被漸漸破壞,鋼筋就會發(fā)生銹蝕,并且隨著銹蝕的加劇,會導(dǎo)致混凝土保護(hù)層開裂

2、,鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)力破壞,鋼筋受力截面削減,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低等,從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)耐久性的降低。 據(jù)調(diào)查,我國20世紀(jì)90年月前興建的海港工程,一般1020年就會出現(xiàn)鋼筋嚴(yán)重腐蝕破壞,結(jié)構(gòu)使用壽命基本上都達(dá)不到設(shè)計基準(zhǔn)期要求。我國50年月至70年月建的海港工程,高樁碼頭不到20年,甚至78年就出現(xiàn)嚴(yán)重鋼筋銹蝕破壞,海工混凝土結(jié)構(gòu)破壞已成為我國港口建設(shè)中不得不重視并迫切需要解決的問題。 國外學(xué)者曾用“5倍定律”形象地描述了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計的重要性,即設(shè)計階段對鋼筋防護(hù)方面節(jié)約1美元;在發(fā)覺鋼筋銹蝕時采取措施需要追加修理費5美元;混凝土表面順筋開裂時采取措施將追加修理費25美元;嚴(yán)重破壞時將追加修

3、理費125美元。我國海洋工程中廣泛使用的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)因腐蝕引起破壞的狀況同樣嚴(yán)重。除海洋環(huán)境本身屬于強(qiáng)腐蝕環(huán)境因素外,環(huán)境的日益惡化、相關(guān)的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)偏低、施工質(zhì)量不能保證等因素,致使我國混凝土結(jié)構(gòu)大部分在使用10年左右即出現(xiàn)較嚴(yán)重的腐蝕破壞,給國家建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了巨大的損失。因此,如何采取有效的防腐蝕技術(shù)措施,防止鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)過早出現(xiàn)鋼筋銹蝕破壞,確保建筑物達(dá)到預(yù)期的使用壽命是國內(nèi)外學(xué)術(shù)界、工程界極為關(guān)切的熱點。 二.鋼筋的銹蝕原理及分類 1.鋼筋的銹蝕條件: 鋼筋混凝土構(gòu)件內(nèi)鋼筋的銹蝕需要三個條件: (1)鋼筋表面堿性鈍化膜破壞。正常狀況下鋼筋是包裹在砼之內(nèi)的,砼則由

4、于水泥的水化反應(yīng)造成其初始堿性(含有一定ca(oh)2)較強(qiáng),正常狀況:下鋼筋在這種堿性環(huán)境下不會發(fā)生氧化腐蝕。當(dāng)ph值大于1o時,鋼筋腐蝕的速度很慢,當(dāng)ph值小于5時,其銹蝕的速度就快。由此可見,只有當(dāng)鋼筋混凝土構(gòu)件內(nèi)的鋼筋四周堿性鈍化膜因砼碳化或其它原因?qū)е缕茐暮?才可能出現(xiàn)腐蝕。 (2)必需產(chǎn)生電位差,使鋼筋產(chǎn)生微電池腐蝕式大電池腐蝕。鋼筋腐蝕,是由于鋼筋表面不同部分之間產(chǎn)生電位差引起的,其作用和電池一樣,在鋼筋表面有微弱的電流流淌。當(dāng)在鋼筋表面構(gòu)成了很多微小電池,其電化學(xué)反應(yīng),按下式進(jìn)行: 陽極反應(yīng)(活化區(qū)):fefe2+2e 陰極反應(yīng)區(qū):2h20+o2+4e4(oh)- 綜合反應(yīng)式就

5、是:fe2+2(oh)一fe(oh)2 這就是鐵變成鐵銹的過程。當(dāng)構(gòu)筑物(或構(gòu)件)處在離子條件差別很大的兩種環(huán)境中,或遭受雜散直流電影響時,一部分鋼筋(或一部分構(gòu)筑物)作為陽極,而另一部分作為陰極,這樣便構(gòu)成大電池腐蝕。 (3)必需具備水和氧。水和氧是鋼筋腐蝕的必要條件(尤其是水),它們均參與鋼筋電化腐蝕的陽極反應(yīng)過程。水分子能穿透任何肉眼可辯的裂縫。水還能起著電解質(zhì)的作用,并溶餌氧和其它如氯等的有害離子,從而加速了腐蝕速度。另外在一定條件下氧還可以造成濃度電池腐蝕。最常見的實例就是水線腐蝕。如浸在海水中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),在水線四周鋼筋腐蝕最為嚴(yán)重,這是由于水線以上空氣中的含氧量較高,而水線以

6、下(水中)含氧量突然降低,造成濃度電池腐蝕,使水線以下的部位鋼筋成為陽極而腐蝕。 2.鋼筋混凝土構(gòu)件中鋼筋的銹蝕的幾種狀況。 (1)由于混凝土不密實或有裂縫存在造成鋼筋的腐蝕?；炷撩軐嵍炔涣己蜆?gòu)件上產(chǎn)生的裂縫,往往是造成鋼筋腐蝕的很重要原因。混凝土澆筑中產(chǎn)生露筋、蜂窩、麻面等狀況,都會加速鋼筋的銹蝕。因為孔隙和裂縫(一般在0.2ram以上時)給水(汽)、氧和其他侵蝕性介質(zhì)的滲透創(chuàng)造了有利條件。因此,鋼筋的電化學(xué)腐蝕和混凝土密實度、裂縫的寬度、保護(hù)層的厚度、空氣的濕度以及空氣中侵蝕性介質(zhì)的含量,都有直接的關(guān)系。當(dāng)混凝士密實度差和鋼筋保護(hù)層不足時,各種介質(zhì)就簡單到達(dá)鋼筋表面造成腐蝕。 (2)由于

7、混凝土碳化和侵蝕性氣體、介質(zhì)的侵入,造成鋼筋的腐蝕?？諝庵械亩趸?xì)怏w,在混凝土表層中漸漸為氫氧化鈣的堿性溶液所汲取,相互反應(yīng)生成碳酸鈣,這種現(xiàn)象稱為混凝土的碳化,亦稱“中性化”。砼碳化生成的碳酸鈣很難溶解,其飽和溶液的ph值為9,因此混凝土碳化的結(jié)果,就使ph值不斷下降,并不斷向內(nèi)部深化。混凝土碳化對混凝土強(qiáng)度一般無直接影響。其危害主要在于為鋼筋腐蝕供應(yīng)條件,而鋼筋銹蝕體積將發(fā)生膨脹(體積比原來提高2.2倍),混凝土保護(hù)層將因此遭到剝落和損壞,從而降低鋼筋和混凝土的工作性能;尤其對于薄殼鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度鋼絲構(gòu)件等,會造成嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)損壞而且這種破壞往往是脆性的,具有隱蔽、突然性等

8、特點,必需引起高度重視。 (3)由于混凝土內(nèi)摻入氯鹽造成鋼筋的腐蝕。為提高混凝土早期強(qiáng)度或抗凍性能,過去人們往往在混凝土內(nèi)摻入一定量的氯鹽,如氯化鈣、氯化鈉等。氯化鈣與水泥中的氫氧化鈣、硅酸三鈣、鋁酸三鈣結(jié)合,生成高水分子復(fù)合化合物,如氯硅酸鹽等,并提高了氫氧化鈣的溶解度?；炷林?氯鹽對鋼筋的腐蝕多呈潰瘍狀,簡單造成鋼筋的應(yīng)力集中:因此它的危害性是比較大的?；炷林新入x子主要來源于原材料、外加劑加海砂、海水或氯鹽高的水,以及摻加的用氯化鈣作為促凝劑,用氯化鈉作為防凍劑等,國內(nèi)外已出現(xiàn)多起加氯鹽過量而引起的嚴(yán)重腐蝕事件。 (4)由于高強(qiáng)鋼筋中的應(yīng)力腐蝕隨著預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的采用,出現(xiàn)了高

9、強(qiáng)鋼筋中的一種特別腐蝕形式,即“應(yīng)力腐蝕”。一般在表面只有稍微損害或根本看不見損害,這種腐蝕尤為危急,因為它沒有任何預(yù)兆而可以發(fā)生突然破壞。一般認(rèn)為:高強(qiáng)鋼筋在應(yīng)力(拉應(yīng)力)的作用下,導(dǎo)致鈍化膜的破壞,裂縫比較活化,并作為陽極而腐蝕。在電化學(xué)腐蝕過程中連續(xù)擴(kuò)大,同時由于鋼筋中具有很高的拉應(yīng)力,和高強(qiáng)鋼筋的低變形性能。因此,腐蝕和應(yīng)力共同作用,使裂縫快速向深度發(fā)展,以致鋼筋在看不到明顯的腐蝕現(xiàn)象的狀況下會突然斷裂 (5)電流腐蝕工業(yè)用電中的直流電,當(dāng)它泄漏到地下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中時,會造成鋼筋的腐蝕。在這種狀況下,電流流入處相當(dāng)于陰極區(qū),電流流出處相當(dāng)于陽極區(qū)。目前我國一些直流電解工廠、電氣化鐵路

10、、直流電的載流設(shè)備等的電流泄漏現(xiàn)象比較多,有時比較嚴(yán)重。這些雜散電流對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(如基礎(chǔ)、梁、柱等)鋼筋的腐蝕破壞時有所見。 三.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)防護(hù)措施 混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕是系統(tǒng)工程,必需在勘察、規(guī)劃、設(shè)計、施工、使用等各個階段對所涉及的防腐問題進(jìn)行細(xì)致的了解、分析和處理,各個階段都應(yīng)充分重視和充分合作,共同完成?；炷两Y(jié)構(gòu)防護(hù)措施可分為基本防護(hù)措施、混凝土表面涂覆防護(hù)措施和鋼筋防護(hù)措施。 3.1混凝土的基本防護(hù)措施 混凝土的基本防護(hù)措施即是從設(shè)計、施工、制作等方面提高混凝土自身的防護(hù)性能。由于混凝土本身具有高堿性,正確設(shè)計、施工的優(yōu)質(zhì)混凝土保護(hù)層本身具有長期防止環(huán)境介質(zhì)滲透的功能,因此,盡

11、可能提高混凝土本身對鋼筋的防護(hù)功能是預(yù)防鋼筋腐蝕的很多措施中最經(jīng)濟(jì)合理、最有效的基本措施。這一類措施主要有以下幾方面: (1)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計 混凝土結(jié)構(gòu)形式及細(xì)部構(gòu)造應(yīng)有利于防腐、檢測。如構(gòu)件截面幾何外形應(yīng)簡潔、平順,削減棱角、突變和應(yīng)力集中;混凝土表面應(yīng)有利于排水,不宜在接縫或止水處排水;特殊留意構(gòu)件應(yīng)易于施工,盡可能在工場預(yù)制;結(jié)構(gòu)形式應(yīng)便于對關(guān)鍵部位進(jìn)行檢測和設(shè)置檢測、維護(hù)和采取補充保護(hù)措施的通道;對處于腐蝕較嚴(yán)重部位和構(gòu)件,應(yīng)考慮其易于更換的可能性。由于混凝土保護(hù)層厚度與發(fā)生腐蝕的時間成平方關(guān)系,適當(dāng)增加混凝土保護(hù)層厚度,以延長侵蝕性介質(zhì)滲透到鋼筋四周達(dá)到破壞鈍化膜臨界值的時間。但保護(hù)

12、層厚度不宜大于80mm,否則混凝土表面易出現(xiàn)由于混凝土收縮、溫度應(yīng)力等所引起的混凝土表面裂縫。掌握主筋的直徑不宜過大,一般混凝土保護(hù)層厚度宜大于215倍主徑直徑,原因是較粗的鋼筋供應(yīng)較小的電阻,也就是供應(yīng)了較大的腐蝕電流。更重要的是較粗的鋼筋會生成較多的腐蝕產(chǎn)物,膨脹的體積增大比較多,從而造成較高的拉應(yīng)力。所以,當(dāng)混凝土保護(hù)層厚度相同時,鋼筋越粗,鋼筋直徑對保護(hù)層厚度的比值越大,鋼筋開始腐蝕到開始使混凝土脹裂的時間也就越短。 (2)選擇優(yōu)質(zhì)原材料和優(yōu)化混凝土協(xié)作比設(shè)計 選擇優(yōu)質(zhì)原材料和優(yōu)化混凝土的協(xié)作比,以提高混凝土的抗蝕能力。如盡量減 小水灰比提高混凝土的密實度,混凝土密實度高,孔隙率小,有

13、利于提高混凝土的抗?jié)B性,增加對侵蝕性介質(zhì)的抗蝕能力;限制粗骨料的最大粒徑,削減粗骨料與水泥砂漿界面的不利影響;規(guī)定混凝土拌合物最低水泥用量(或最低膠凝材料用量),確?；炷辆哂休^高的堿度;有抗凍要求時,加入合適量的引氣劑以提高混凝土的抗凍性;不得采用可能發(fā)生堿-集料反應(yīng)的活性骨料;嚴(yán)格限制砂、石、外加劑、拌和水等原材料中的氯離子含量,使混凝土拌合物中氯離子含量符合規(guī)定要求。 (3)采用高性能混凝土 高性能混凝土是指用常規(guī)材料、常規(guī)工藝,以較低水膠比、適當(dāng)摻量的優(yōu)質(zhì)摻合料和較嚴(yán)格的質(zhì)量掌握制作的高耐久性,良好工作性及較高強(qiáng)度的混凝土。中交集團(tuán)廣州四航工程技術(shù)研究院等單位開發(fā)的海工抗鹽污染高性能混

14、凝土,其抗氯離子滲透性比平凡混凝土提高數(shù)倍,可顯著提高混凝土本身的護(hù)筋性能,從根本上提高混凝土的耐久性,從而延長結(jié)構(gòu)物的安全使用壽命。目前,該項技術(shù)已成功應(yīng)用于鹽田港、湛江港、洋山港、東海大橋、杭州灣大橋等多項使用年限要求50年甚至100年的大型海港工程和跨海大橋工程中。 3.2混凝土表面涂覆防護(hù)措施 除了采取措施提高混凝土本身的耐久性外,采用混凝土表面涂覆防護(hù)措施有效地將混凝土與四周侵蝕性介質(zhì)隔離開來或阻擋有害介質(zhì)的侵入,也是一種有效的防護(hù)措施。 3.2.1混凝土表面涂層 該措施是在混凝土表面涂覆一層涂料,形成一層隔離層制止氯離子、氧、水等介質(zhì)滲入混凝土,以延緩鋼筋腐蝕。從90年月開始,在我

15、國一些海港工程,跨海大橋工程中得到應(yīng)用,實踐證明,混凝土表面實施涂層防腐蝕保護(hù)的技術(shù)成熟、保護(hù)效果顯著,是海洋環(huán)境混凝土防腐最經(jīng)濟(jì)有效的保護(hù)措施。我國海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范已將該技術(shù)列為海港工程混凝土結(jié)構(gòu)最重要的防腐蝕措施之一。對涂料的要求是能耐堿、耐老化和與混凝土表面應(yīng)有良好的附著性。對海港工程潮差、浪濺區(qū)涂層,要求涂料應(yīng)具有良好濕表面固化功能。 3.2.2表面涂覆浸入型涂料 浸入型涂料是一種粘度很低的有機(jī)硅化合物液體,將它涂(或噴)于風(fēng)干的混凝土表面上,靠毛細(xì)孔的表面張力作用吸入(深約數(shù)毫米的混凝土表層中,它與孔壁的氫氧化鈣反應(yīng),以非極性基使毛細(xì)孔憎水化或者填充部分細(xì)孔,使孔細(xì)化

16、。浸入型涂料不能在混凝土表面上成膜,不會形成隔離層,也不能布滿混凝土毛細(xì)孔隙,所以不會影響混凝土透氣性,透水蒸汽性,但是,它卻能顯著降低混凝土的吸水性,使水和只能溶解于水中才能被毛細(xì)管汲取作用吸進(jìn)去的氯化物都難以吸進(jìn)混凝土中,而混凝土中的水份卻可以化為水蒸汽自由蒸發(fā)出去,使混凝土保持干燥,從而顯著地提高混凝土的護(hù)筋性。目前使用的侵入型憎水涂料中,以異丁基三乙氧基硅烷、異辛基三乙氧基硅烷作為浸漬材料效果最好,有液狀和膏體狀。國內(nèi)外已有不少海港工程、跨海大橋使用,但材料費用較高,國內(nèi)能批量生產(chǎn)的較少。 3.3鋼筋防護(hù)措施 3.3.1鍍層鋼筋和涂層鋼筋 鍍層鋼筋主要是鍍鋅鋼筋,利用鋅的電位比鐵低,對

17、鋼筋施加陰極保護(hù)。涂層鋼筋是指在鋼筋表面制作涂層,隔離鋼筋與腐蝕介質(zhì)的接觸。這種鋼筋是在嚴(yán)格掌握的工廠流水線上,采用靜電噴涂工藝將涂層(目前使用較普遍的是環(huán)氧涂層)噴涂于表面處理過的預(yù)熱的鋼筋上,形成具有一層堅韌、不滲透、連續(xù)的絕緣層的鋼筋。所以,只要這種鋼筋在運輸、存放、加工、安裝和混凝土澆搗過程中能按規(guī)范嚴(yán)格保護(hù),它是可以將鋼筋與四周混凝土隔開,即使氯離子、氧氣等已大量侵入混凝土,它也能長期保護(hù)鋼筋使它免遭腐蝕。 3.3.2鋼筋阻銹劑 混凝土拌合物中摻入適量阻銹劑,可阻擋或延緩金屬和電解質(zhì)界面的電化學(xué)反應(yīng),從而阻擋金屬腐蝕是預(yù)防惡劣環(huán)境中鋼筋腐蝕的一種有效的補充措施。但是它不能代替優(yōu)質(zhì)混凝

18、土,也就是說摻加阻銹劑不能降低對混凝土保護(hù)層的基本要求。根據(jù)作用機(jī)理,鋼筋阻銹劑可分為陽極型、陰極型和混合型三種。加入鋼筋阻銹劑既推遲了鋼筋開始生銹的時間,又減緩了鋼筋腐蝕發(fā)展的速度。 3.3.3陰極保護(hù) 陰極保護(hù)技術(shù)是應(yīng)用電化學(xué)原理,通過給被保護(hù)鋼筋加一負(fù)向電流,使它的電極電位負(fù)移,即使鋼筋表面氯離子已達(dá)到或超過使鋼筋脫鈍的臨界值,由于電化學(xué)腐蝕過程得到有效的抑制而使鋼筋不會發(fā)生銹蝕。陰極保護(hù)的方式有犧牲陽極和外加電流兩種: (1)犧牲陽極方式 采用電化學(xué)上比鋼更活潑,即電位更負(fù)的金屬(如鋁合金、鋅合金等)作為陽極,與被保護(hù)的鋼電聯(lián)接,以本身的腐蝕(犧牲)供應(yīng)自由電子,對被保護(hù)的鋼實施陰極保護(hù)。它施工簡便,不需要外部直流