建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中鋼筋混凝土構(gòu)件的銹蝕及其影響

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中鋼筋混凝土構(gòu)件的銹蝕及其影響隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷進(jìn)步，國(guó)民生活水平不斷提升，人們對(duì)建筑的需求量越來(lái)越大。建筑已經(jīng)成為人民生活中的一大開銷。但是建筑質(zhì)量不容樂觀。本文從混凝土鋼筋銹蝕的主要原因入手，探討了銹蝕鋼筋混凝土對(duì)建筑物的影響，最后提出了改善鋼筋銹蝕的幾點(diǎn)措施。

前言

近年來(lái)，全國(guó)各地建筑需求量不斷增長(zhǎng)，購(gòu)房用于居住或用于投資，已經(jīng)成為人們生活中的一大開銷。但建筑質(zhì)量卻不容樂觀。

目前我國(guó)常規(guī)房屋設(shè)計(jì)的使用壽命為50年，這種預(yù)測(cè)是建立在我國(guó)混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范的基礎(chǔ)上的。但我國(guó)許多房屋都達(dá)不到此標(biāo)準(zhǔn)。由于一些原因，許多鋼筋混凝土的壽命不過(guò)25年左右，造成這種情況的主要原因，其中之一就是鋼筋的銹蝕。

一、鋼筋銹蝕

鋼筋混凝土構(gòu)件是由鋼筋和混凝土組成。由于鋼筋抗拉強(qiáng)度非常高，一般在200MPa以上，所以在混凝土中加入鋼筋以增加混凝土的拉力。由鋼筋承擔(dān)其中的拉力，混凝土承擔(dān)壓應(yīng)力部分。鋼筋與混凝土之間有良好的粘結(jié)力。鋼筋和混凝土的彈性模量比較接近，還有較好的化學(xué)膠合力、機(jī)械咬合力和銷栓力，這樣既發(fā)揮了各自的受力性能，又能很好地協(xié)調(diào)工作，共同承擔(dān)結(jié)構(gòu)構(gòu)件所承受的外部荷載。在一棟建筑中，鋼筋和混凝土的結(jié)合物是支撐起建筑全身重量的骨架?？梢哉f(shuō)鋼筋混凝土是建筑物的主體部分。

混凝土中的鋼筋銹蝕一般為電化學(xué)銹蝕反應(yīng)。

混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋腐蝕是在有水分子參與的條件下發(fā)生的,鋼筋銹蝕的電極反應(yīng)式為：

陽(yáng)極：Fe?Fe2++2e

陰極：O2+2H2O+4e?4OH-

陽(yáng)極表面二次化學(xué)過(guò)程：

Fe2++2OH-?Fe(OH)2

4Fe(OH)2+O2+2H2O?4Fe(OH)3

在氧氣和水的共同作用下，鋼筋表面的鐵不斷失去電子而溶于水，從而逐漸被腐蝕，在鋼筋表面生成紅鐵銹，引起銹蝕。

二、鋼筋銹蝕主要原因

1.混凝土不密實(shí)

混凝土密實(shí)度不良。當(dāng)水泥用量偏小,水灰比例不當(dāng)，振搗不良,或在混凝土澆筑中產(chǎn)生露筋、蜂窩、麻面等情況,會(huì)加速鋼筋的銹蝕。

2.混凝土碳化和侵蝕性氣體

空氣中的二氧化碳?xì)怏w,在混凝土表層中逐漸被氫氧化鈣的堿性溶液所吸收,相互反應(yīng)生成碳酸鈣(CaCO3)。這種現(xiàn)象稱為混凝土的碳化。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,就是PH值不斷下降,并不斷向內(nèi)部深化；當(dāng)碳化深度達(dá)到或超過(guò)鋼筋保護(hù)層時(shí),鋼筋表面的鈍化膜遭到局部破壞,鋼筋銹蝕開始。

3.雜質(zhì)的侵入

鋼筋材質(zhì)中的一些“雜質(zhì)”，使鋼筋容易銹蝕。為了在混凝土中避免這種情況的發(fā)生，外邊要加混凝土保護(hù)層。如果保護(hù)層厚度不足，里面的鋼筋就會(huì)提前銹蝕。

4.環(huán)境條件

環(huán)境條件是引起鋼筋銹蝕的外在因素，如溫度、濕度及干燥交替作用，海水飛濺、海鹽滲透等都對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋銹蝕有明顯影響。

三、對(duì)建筑物的影響

鋼筋銹蝕使其力學(xué)性能以及粘結(jié)性能發(fā)生退化，嚴(yán)重降低了鋼筋在混凝土結(jié)構(gòu)中的作用，甚至導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的坍塌破壞。直接影響到混凝土結(jié)構(gòu)的安全性及耐久性。

鋼筋銹蝕，銹跡擴(kuò)展使混凝土開裂并使鋼筋與混凝土之間的結(jié)合力喪失。當(dāng)水穿透混凝土表面進(jìn)入內(nèi)部時(shí)，受凍凝結(jié)的水分體積膨脹，經(jīng)過(guò)反復(fù)的凍融循環(huán)作用，在微觀上使混凝土產(chǎn)生裂縫并且不斷加深，從而使混凝土壓碎并對(duì)混凝土造成永久性不可逆的損傷。

1.鋼筋銹蝕對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響

(1)削弱鋼筋的受力,尤其是預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的高強(qiáng)度鋼絲,表面積大、截面小、應(yīng)力高,一旦發(fā)生腐蝕,危險(xiǎn)性更大,嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件斷裂的危險(xiǎn)。

(2)鋼筋腐蝕體積膨脹大約增大了2.2倍,使混凝土保護(hù)層破裂甚至脫落,從而降低結(jié)構(gòu)的受力性能和耐久性能。

2.銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能

銹蝕作用造成鋼筋的局部坑蝕將嚴(yán)重影響鋼筋的力學(xué)性能,實(shí)際工程中鋼筋的銹蝕是由最初的點(diǎn)蝕坑逐漸擴(kuò)大發(fā)展的,銹蝕坑產(chǎn)生的缺口效應(yīng)力集中將引起銹蝕鋼筋屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、延伸率和粘結(jié)強(qiáng)度等力學(xué)性能指標(biāo)的變化,蝕坑處應(yīng)力集中現(xiàn)象對(duì)構(gòu)件的受力性能有著嚴(yán)重的影響。

鋼筋銹蝕影響結(jié)構(gòu)耐久性主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:

(1)導(dǎo)致鋼筋有效截面面積的減少；

(2)銹蝕后體積膨脹(約為銹蝕前的2-4倍)引起順筋裂縫、保護(hù)層脫落以及粘結(jié)力下降等,最終導(dǎo)致構(gòu)件承載力下降、服役壽命縮短。

3.銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件的粘結(jié)性能退化

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是一種鋼筋和混凝土的復(fù)合材料結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能不僅取決于鋼筋與混凝土的物理力學(xué)性能,而且與鋼筋與混凝土之間的協(xié)調(diào)工作能力有關(guān)。在承載能力和使用極限狀態(tài)下,鋼筋強(qiáng)度能否得到利用取決于粘結(jié)的有效長(zhǎng)度。鋼筋與混凝土之間粘結(jié)性能的退化往往造成構(gòu)件剛度降低,喪失強(qiáng)度。

四、改善措施

1.混凝土保護(hù)層

增加混凝土保護(hù)層厚度可以顯著地推遲腐蝕因子滲透到鋼筋表面的時(shí)間，也可提高對(duì)鋼筋銹蝕膨脹的抵抗力?；炷撂蓟_(dá)到鋼筋表面的時(shí)間與保護(hù)層厚度的平方成正比。增大保護(hù)層厚度能有效地推遲碳化時(shí)間。

2.控制混凝土拌和物中的氯鹽含量

某些化學(xué)離子（如C1－、I－、Br－）對(duì)鈍化膜有特殊的破壞作用。它們?cè)阡摻畋Ｗo(hù)層不被碳化或中性化的情況下也可以破壞鋼筋鈍化膜，發(fā)生銹蝕現(xiàn)象。氯離子是這一類離子中最常遇到的。氯離子半徑很小，穿透力強(qiáng)，很容易吸附在鋼筋陽(yáng)極區(qū)的鈍化膜上，取代鈍化膜中氧離子，使鋼筋起保護(hù)作用的氫氧化鐵變?yōu)闊o(wú)保護(hù)作用的氯化鐵。由于氯離子到達(dá)鋼筋表面的不均勻性，特別是氯離子作用在鋼筋局部區(qū)域時(shí)，則局部區(qū)域?yàn)殛?yáng)極，形成了大陰極小陽(yáng)極的腐蝕。

因此必須嚴(yán)格控制氯離子的總量，即應(yīng)對(duì)混凝土拌和物中的氯鹽含量加以控制。拌合混凝土?xí)r只允許使用清水。禁止使用鹽來(lái)為混凝土路面除冰。

3.提高混凝土密實(shí)性

提高混凝土的密實(shí)性，減少內(nèi)部微細(xì)孔函隙和毛細(xì)管通首是加強(qiáng)鋼筋防腐蝕能力的最根本途徑。首先要嚴(yán)格控制水灰比。施工時(shí)就要均勻振搗，嚴(yán)格控制振搗時(shí)間“防止偏振和漏振”還要認(rèn)真加以養(yǎng)護(hù)。這樣才能保證保護(hù)層的密實(shí)，并使水泥漿完全覆蓋住鋼筋以形成一層有效的隔離層。

4.采用防護(hù)材料或外部措施，

如采用噴塑鋼筋、鋼筋表面涂鋅、混凝土中摻加緩蝕劑、混凝土表面涂刷防護(hù)層、采用聚合物浸漬混凝土表層以及設(shè)置陰極保護(hù)設(shè)