鋼筋混凝土的腐蝕與預(yù)防措施

鋼筋混凝土的腐蝕與預(yù)防措施摘要：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題一直沒(méi)有得到很好的解決,為此這方面的研究日益受到重視,外界惡劣環(huán)境的侵蝕,會(huì)使混凝土保護(hù)層受損、開(kāi)裂和剝落,從而使混凝土內(nèi)的鋼筋產(chǎn)生銹蝕,降低構(gòu)件的耐久性和結(jié)構(gòu)的安全性,特別是沿海地區(qū)的地下混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋銹蝕更為嚴(yán)重。本文提出了鋼筋混凝土的腐蝕機(jī)理和防腐技術(shù)，并介紹了相應(yīng)的防護(hù)措施,以提高鋼筋混凝土的耐久性。關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土；腐蝕；防腐技術(shù)；預(yù)防措施概述鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是目前應(yīng)用較廣的結(jié)構(gòu)形式之一。隨著建筑物的老化和環(huán)境污染的加重，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題越來(lái)越引起國(guó)內(nèi)外廣大研究者的關(guān)注。在第二屆國(guó)際混凝土耐久性會(huì)議上，Mehta教授指出："當(dāng)今世界混凝土破壞原因，按遞減順序是：鋼筋腐蝕、凍害、物理化學(xué)作用"。他明確地將"鋼筋腐蝕"排在影響混凝土耐久性因素的首位。而來(lái)自海洋環(huán)境的氯鹽和用于化冰雪的除冰鹽，又是造成鋼筋腐蝕的主要原因。美國(guó)1984年報(bào)道，僅就橋梁而言，57.5萬(wàn)座鋼筋混凝土橋，一半以上出現(xiàn)鋼筋腐蝕破壞，40%承載力不足和必須修復(fù)與加固處理，當(dāng)年的修復(fù)費(fèi)為54億美元；1988年報(bào)道，鋼筋混凝土腐蝕破壞的修復(fù)費(fèi)，一年要2500億美元，其中橋梁修復(fù)費(fèi)為1550億美元（是這些橋初建費(fèi)用的4倍）。加拿大早期大量使用除冰鹽，使鋼筋混凝土橋梁等破壞嚴(yán)重。歐洲、澳大利亞、海灣國(guó)家等，都有以氯鹽為主的鋼筋腐蝕破壞問(wèn)題，其中英國(guó)修復(fù)費(fèi)為每年50億英鎊。韓國(guó)曾發(fā)生一系列建筑物破壞、倒塌事件，其中很多也與"鹽害"有關(guān)。在我國(guó)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多海港碼頭的混凝土梁、板使用不到10年已普遍出現(xiàn)順筋銹脹開(kāi)裂、剝落。北京、天津的許多立交橋，因?yàn)槔涮烊鳆}化冰雪也日益暴露出嚴(yán)重的鋼筋腐蝕問(wèn)題，不得不斥巨資修復(fù)。鋼筋混凝土腐蝕機(jī)理的分析2.1硫酸鹽對(duì)混凝土腐蝕作用機(jī)理Na2SO4,MgSO4等硫酸鹽與混凝土中水泥的水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應(yīng)生成:1)鈣礬石(3CaO?Al2O3?3CaSO4?31H2O),一種針狀結(jié)晶體,固相體積是原來(lái)的1.5倍,由于是在固化了的混凝土中發(fā)生反應(yīng)。因此,在混凝土內(nèi)形成膨脹應(yīng)力而引起混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。2)Mg(OH)2,一種白色松軟的不定形物質(zhì),會(huì)使水泥漿體的結(jié)構(gòu)遭到破壞。3)氯化鈣和石膏,其溶于水后會(huì)造成混凝土的浸析增加。4)硅酸鎂水化物,其與硅酸鈣水化物的取代反應(yīng)會(huì)使混凝土強(qiáng)度下降。2.2氯離子對(duì)鋼筋的腐蝕作用機(jī)理混凝土在水化作用時(shí),水泥中氯化鈣生成氫氧化鈣,使混凝土中含有大量的OH-,使pH值一般可達(dá)到12~14,鋼筋在這樣的高堿環(huán)境中,表面容易生成一層致密的鈍化膜。研究結(jié)果表明,這種鈍化膜能阻止鋼筋的銹蝕,只有這層膜遭到破壞后,鋼筋才開(kāi)始銹蝕。破壞鈍化膜鈍化膜只有在高堿性環(huán)境中才是穩(wěn)定的。當(dāng)pH值小于一定的數(shù)值時(shí),就會(huì)難以生成鈍化膜或已經(jīng)生成的會(huì)逐漸受損。Cl-進(jìn)入混凝土中并到達(dá)鋼筋表面,局部鈍化膜開(kāi)始破壞,發(fā)生鋼筋腐蝕。氯離子導(dǎo)電作用由于混凝土結(jié)構(gòu)中氯離子的存在,降低了陰極、陽(yáng)極間的電阻,強(qiáng)化了離子通路,提高了腐蝕電流的效率,從而加速了鋼筋的電化學(xué)腐蝕過(guò)程。形成腐蝕電流Cl-對(duì)鋼筋表面鈍化膜的破壞,使某些部位露出鐵基本體,與尚完好的鈍化膜區(qū)域之間構(gòu)成電位差。大面積的鈍化膜區(qū)作為陰極發(fā)生還原反應(yīng),鐵基體作為陽(yáng)極而受到腐蝕。腐蝕由局部開(kāi)始逐漸在鋼筋表面擴(kuò)展。氯離子的陽(yáng)極去極化作用加速陽(yáng)極過(guò)程者,稱(chēng)做陽(yáng)極去極化作用,Cl-具有這樣的作用:陽(yáng)極:Fe—2e=Fe2+,Cl-與Fe2+相遇生成FeCl2,使Fe2+消失,從而加速陽(yáng)極反應(yīng)。但是FeCl2是可溶的,在向混凝土內(nèi)擴(kuò)散遇到氫氧根離子發(fā)生反應(yīng),最后可氧化成鐵的氧化物。在這個(gè)過(guò)程中,Cl-只起“搬運(yùn)”作用,而不被“消耗”。因此,混凝土中的Cl-會(huì)周而復(fù)始的起破壞作用。與水泥的作用對(duì)鋼筋的銹蝕影響在一定的條件下,氯鹽可與水泥中的鋁酸三鈣生成不溶性“復(fù)鹽”,可以降低Cl-含量,同時(shí)降低硫酸鹽與鋁酸三鈣作用而發(fā)生“膨脹”破壞。但當(dāng)混凝土的堿度降低時(shí),“復(fù)鹽”會(huì)分解重新釋放出Cl-,對(duì)鋼筋產(chǎn)生腐蝕。3鋼筋混凝土防護(hù)措施通過(guò)上面腐蝕機(jī)理的分析,要提高鋼筋混凝土的耐久性就要做到:保持混凝土的高堿度;提高混凝土的密實(shí)度,增強(qiáng)抗?jié)B能力;控制SO42-,Cl-的含量。3.鋼筋在鹽環(huán)境中的防腐技術(shù)3.1防腐技術(shù)研究防腐技術(shù)的目的，在于使結(jié)構(gòu)物從投入使用，到內(nèi)部的鋼筋開(kāi)始銹蝕的時(shí)間盡可能的接近設(shè)計(jì)壽命。要想完全避免Cl－的腐蝕，最理想的方法就是從根本上保證混凝土與氯鹽環(huán)境隔絕，事實(shí)上這是不可能的。重要的是如何有效地控制氯鹽的總量，使之限定在規(guī)定的范圍之內(nèi)。依據(jù)鋼筋在氯鹽環(huán)境中的電化學(xué)行為的研究結(jié)果和腐蝕機(jī)理，認(rèn)為凡是能夠有效的阻止混凝土PH值下降、保證鋼筋界面上的鈍化膜不活化、維持界面雙電層的電位恒定、避免鋼筋表面去極化的發(fā)生，就能夠有效地控制腐蝕的發(fā)生，也即防腐技術(shù)。本文就防腐技術(shù)歸納如下：（1）混凝土中Cl－總量限定值所謂“限定值”是指混凝土中所允許的最大值。研究表明，Cl－的總量限定值應(yīng)小于0.18％（普通混凝土水泥重量百分比），折合為0.55kg／m3，該值相當(dāng)于美國(guó)（ACI）的限定值，比日本土木學(xué)會(huì)的規(guī)范值低8％，研究結(jié)果與美、日發(fā)達(dá)國(guó)家規(guī)范值基本上是一致的。此外Cl－的總量還直接影響著其在混凝土中的擴(kuò)散速率，擴(kuò)散過(guò)程可用下列方程描述：（2）可利用正態(tài)分布求出。這樣，利用擴(kuò)散方程可以將Cl－擴(kuò)散與使用年限建立起關(guān)系，進(jìn)而據(jù)此進(jìn)行混凝土耐久性設(shè)計(jì)或檢驗(yàn)評(píng)估，同時(shí)也確定了擴(kuò)散速率與Cl－濃度的關(guān)系。（3）限定鋼筋界面的電流密度和酸堿度限定鋼筋界面的電流密度是保證電位恒定的基本指標(biāo)，即鋼筋界面保護(hù)膜鈍化狀態(tài)向活化狀態(tài)轉(zhuǎn)化的臨界值。該臨界值不小于10A／cm2.而強(qiáng)堿性則是鋼筋界面保護(hù)膜的最佳環(huán)境條件，酸堿度的最佳值不小于11.5.（4）限定混凝土裂縫寬度和水膠比混凝土裂縫使腐蝕介質(zhì)通過(guò)混凝土保護(hù)層，進(jìn)入到鋼筋表面。必須對(duì)混凝土保護(hù)層裂縫的寬度加以限制，對(duì)高性能混凝土裂縫的限定值為0.2mm.對(duì)普通混凝土該值要適當(dāng)減小。而對(duì)混凝土本身要減小Cl－的擴(kuò)散速度，必須減小混凝土的滲透性，控制混凝土滲透性最有效的方法是控制其水膠比，一般限制在0.35～0.45.3.2水泥和骨料材料的選擇水泥是配置抗腐蝕混凝土的關(guān)鍵原料。為提高混凝土抗SO42-腐蝕性和抗裂性能,選用含C3A、堿量低的普通硅酸鹽水泥和堅(jiān)固耐久的潔凈骨料。并控制水泥和骨料中Cl-的含量;要重視單方混凝土中膠凝材料的用量和混凝土骨料的級(jí)配以及粗骨料的粒形要求,并盡可能減少混凝土膠凝材料中的硅酸鹽水泥用量。3.3摻入高效活性礦物摻料活性礦物質(zhì)摻料中含有大量活性SiO2及活性Al2O3。由于現(xiàn)在水泥產(chǎn)品的細(xì)度減小、活性增加,使得水化反應(yīng)加速、放熱加劇、干燥收縮增加,導(dǎo)致混凝土溫度收縮和干縮產(chǎn)生的裂紋增加。將二級(jí)粉煤灰,S95級(jí)礦粉復(fù)合摻入混凝土中,可以減少熱開(kāi)裂,提高抗?jié)B性,降低混凝土中鈣礬石的生成量。3.4摻入高效減水劑一般情況下,材料的組合與配合比中對(duì)混凝土抗?jié)B性最具影響力的因素是水灰比。因此在保證混凝土拌合物所需流動(dòng)性的同時(shí),應(yīng)盡可能降低用水量。加入減水劑可以使水泥體系處于相對(duì)穩(wěn)定的懸浮狀態(tài),在水泥表面形成一層溶劑化水膜,同時(shí)使水泥在加水?dāng)嚢柚行跄w內(nèi)的游離水釋放出來(lái),達(dá)到減水的目的。天津地鐵2號(hào)線的具體施工中摻入了DF-6緩凝高效減水劑,以降低水灰比,增加混凝土的密實(shí)性。3.5摻加防腐劑針對(duì)地下水同時(shí)含SO42-,Cl-,采用SRA-1型防腐劑,可以將水泥抗硫酸鹽極限濃度提高到1500mg/L。因?yàn)?其中的SiO2與水泥的水化產(chǎn)物氫氧化鈣生成水化硅酸鈣凝膠,降低硫酸鹽腐蝕速度;次水化反應(yīng)也減少氫氧化鈣的含量,降低液相堿度,從而減少了硫酸根離子生成石膏的鈣礬石數(shù)量,減緩了膨脹破壞。同時(shí)它還相對(duì)降低水泥中鋁酸鹽的含量,它的氯離子滲透系數(shù)為抗硫酸鹽水泥的0.1,為普通硅酸鹽的0.5,所以SO42-和Cl-并存時(shí),它更有利于抵抗鹽類(lèi)腐蝕。4.預(yù)防措施（1）嚴(yán)把檢測(cè)關(guān)、增厚保護(hù)層建議質(zhì)檢部門(mén)把“新拌砂漿法”和“硬拌砂漿法”作為工程質(zhì)檢的必測(cè)過(guò)程。使原材料中所含氯鹽總量控制在限定值之內(nèi)。而僅僅靠自身帶入的氯離子不足以造成鋼筋的銹蝕。在此基礎(chǔ)上適當(dāng)提高保護(hù)層的厚度。大量工程實(shí)踐和試驗(yàn)表明，處于氯鹽環(huán)境中的混凝土表面12mm深度內(nèi)的氯離子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于25～50mm深度范圍。因此在氯鹽環(huán)境中的工程，混凝土保護(hù)層的厚度應(yīng)不小于38mm，最好是不小于50mm，考慮到施工偏差，設(shè)計(jì)保護(hù)層厚度應(yīng)選擇65mm.（2）優(yōu)選原材料和阻銹劑在選擇水泥時(shí)盡量選擇礦渣、火山灰、粉煤灰水泥。這些水泥中的水泥石Ca（OH）2含量低，能夠預(yù)防氯鹽對(duì)水泥石的溶解和溶出，并防止氯鹽與水泥石發(fā)生堿集料反應(yīng)，生成低強(qiáng)度、低膠結(jié)力的膨脹鹽，以及由此產(chǎn)生的混凝土松散、露骨和脫落。粗骨料應(yīng)盡量選擇高堿性的碳酸巖碎石，它一方面能與水泥有高強(qiáng)度的膠結(jié)力，另一方面能形成高堿性的環(huán)境，使鋼筋界面的鈍化膜長(zhǎng)期處于鈍化態(tài)。細(xì)骨料要盡量采用河砂以防止海砂帶入氯鹽。在此基礎(chǔ)上優(yōu)選適合于工程特點(diǎn)的鋼筋阻銹劑，建議使用NaNO2復(fù)合型阻銹劑，這種堿性阻銹劑在堿性環(huán)境中可生成Fe3O4氧化膜，阻止Cl－離子對(duì)鋼筋的腐蝕。（3）采用三組分膠結(jié)材料及涂層降低腐蝕介質(zhì)在混凝土中的滲透性，是防止Cl－進(jìn)入鋼筋表面最直接的方法之一。通常采用的方法是在混凝土中摻加一定量的微硅粉、粉煤灰或磨細(xì)礦渣。水泥、微硅粉、粉煤灰稱(chēng)為三組分膠結(jié)材料。三組分材料制成的混凝土，具有極低的滲透性并具有很高的抗Cl－滲透能力，同時(shí)具有低熱、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。微硅粉可以提高混凝土的耐磨性，微硅粉和粉煤灰能有效降低活性集料含量及總堿量，從而避免堿集料反應(yīng)發(fā)生。此外混凝土表面涂層是防止鋼筋銹蝕的第一道防線?；炷帘砻娴耐繉幽茉谝欢〞r(shí)期內(nèi)有效防止腐蝕介質(zhì)浸入，但因其使用壽命的限制，而不能廣泛使用。目前與混凝土壽命匹配的水泥基聚合物涂層、砂漿層成為混凝土表面保護(hù)層的首選。（4）禁止使用含氯鹽的融雪、化冰劑對(duì)于已成型的結(jié)構(gòu)物而言最重要的是禁止在結(jié)構(gòu)物表面直接接觸氯鹽。我國(guó)長(zhǎng)江以北地區(qū)噴灑氯鹽融雪化冰的勢(shì)頭有增無(wú)減，因此有必要建立一套關(guān)于融雪化冰劑的檢測(cè)規(guī)程和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，授權(quán)于相關(guān)質(zhì)檢部門(mén)對(duì)市場(chǎng)上的所有融雪劑進(jìn)行強(qiáng)制性檢查，合格者進(jìn)入市場(chǎng)，CI－超標(biāo)者禁止進(jìn)入市場(chǎng)。5.結(jié)語(yǔ)（1）混凝土中的鋼筋銹蝕已構(gòu)成影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物耐久性的最主要原因，給世界各國(guó)造成了巨大損失。必須認(rèn)識(shí)到防腐技術(shù)和預(yù)防措施的緊迫性。（2）以氯鹽作為融雪、破冰劑的屢禁不止，是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物過(guò)早破壞的直接原因。有關(guān)部門(mén)必須把預(yù)防鋼筋銹蝕的具體措施落實(shí)到實(shí)處。如能將鋼筋銹蝕快速試驗(yàn)方法應(yīng)用到每一個(gè)工程施工的全過(guò)程，將給防腐技術(shù)帶來(lái)一次革命，必將帶來(lái)巨大而又長(zhǎng)遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。為提高混凝土的耐久性,選用了優(yōu)質(zhì)原材料,除水泥、水和骨料,并摻入了足夠數(shù)量的礦物集料和高效減水劑,這樣就減少了水泥用量、混凝土內(nèi)部空隙率以及體積收縮;并結(jié)合施工天氣,加強(qiáng)施工各環(huán)節(jié)控制,提高了其耐久性。但是混凝土是水泥、砂、石、水等多成分構(gòu)成的一種性能多樣化的材料,其性能不僅與組成材料有直接關(guān)系,而且還與施工技術(shù),所處環(huán)境及維護(hù)條件等因素有關(guān)。雖然目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)在受腐蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的性能方面開(kāi)展了一些研究，做了不同腐蝕情況下鋼筋混凝土受彎構(gòu)件、大小偏心受壓構(gòu)件、鋼筋與混凝土粘接試件的試驗(yàn)等，并進(jìn)行過(guò)一些有限元分析，得出了構(gòu)件承載力和變形性能隨鋼筋腐蝕量的增加而不同程度降低的結(jié)論。但是對(duì)受腐蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗剪性能、動(dòng)力性能的研究仍然極少，特別是對(duì)受腐蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)疲勞性能的研究幾乎還是空白,因此研究的工作難度大,進(jìn)展慢。在這方面還需要做大量的研究工作,以便滿(mǎn)足和適應(yīng)當(dāng)前建筑市場(chǎng)的需要。參考文獻(xiàn):[1]GB50046-95,工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)規(guī)范[S].[2]張信鵬,王德森.耐腐蝕混凝土[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1989.[3]洪乃豐.海砂的利用與鋼筋銹蝕的防護(hù)[J].建筑技術(shù),1996(1):27-28.[4]洪乃豐.氯鹽與鋼筋腐蝕破壞[J].工業(yè)建筑,1999(