鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕及防護(hù)措施

1、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕及防護(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(diǎn),造價(jià)較低,在土建工程中應(yīng)用范圍非常廣泛。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(guò)早被破壞的主要原因之一。新鮮混凝土是呈堿性的,其PH值一般大于12.5,在此堿性環(huán)境中鋼筋容易發(fā)生鈍化作用,使鋼筋表面產(chǎn)生一層鈍化膜,能阻止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(guò)孔隙進(jìn)入混凝土內(nèi)部時(shí)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這種情況,鋼筋表面的鈍化膜就會(huì)被逐漸破壞,鋼筋就會(huì)發(fā)生銹蝕,并且隨著銹蝕的加劇,會(huì)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,鋼筋受力截面減少,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(guó)20世紀(jì)90年代前興建的海港工程,一般1020年就會(huì)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(jì)基準(zhǔn)期要求。我國(guó)50年代至70年代建的海港工程,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(guó)港口建設(shè)中不得不重視并迫切需要解決的問(wèn)題。國(guó)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(jì)的重要性,即設(shè)計(jì)階段對(duì)鋼筋防護(hù)方面節(jié)省1美元;在發(fā)現(xiàn)鋼筋銹蝕時(shí)采取措施需要追加維修費(fèi)5美元;混凝土表面順筋開裂時(shí)采取措施將追加維修費(fèi)25美元;嚴(yán)重破壞時(shí)將追加維修費(fèi)1

3、25美元。我國(guó)海洋工程中廣泛使用的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)因腐蝕引起破壞的情況同樣嚴(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(guó)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(guó)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(guò)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(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界、工程界極為關(guān)切的熱點(diǎn)。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(gè)條件:(1鋼筋表面堿性鈍化膜破壞。正常情況下鋼筋是包裹在砼之內(nèi)的,砼則由于水泥的水化反應(yīng)

4、造成其初始?jí)A性(含有一定Ca(OH2較強(qiáng),正常情況下鋼筋在這種堿性環(huán)境下不會(huì)發(fā)生氧化腐蝕。當(dāng)PH值大于1O時(shí),鋼筋腐蝕的速度很慢,當(dāng)PH值小于5時(shí),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)的鋼筋周圍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必須產(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動(dòng)。當(dāng)在鋼筋表面構(gòu)成了許多微小電池,其電化學(xué)反應(yīng),按下式進(jìn)行:陽(yáng)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)式就是:Fe2+2(OH一Fe(OH2這

5、就是鐵變成鐵銹的過(guò)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(shí),一部分鋼筋(或一部分構(gòu)筑物作為陽(yáng)極,而另一部分作為陰極,這樣便構(gòu)成大電池腐蝕。(3必須具備水和氧。水和氧是鋼筋腐蝕的必要條件(尤其是水,它們均參加鋼筋電化腐蝕的陽(yáng)極反應(yīng)過(guò)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(shí)例就是水線腐蝕?！句摻罨炷两Y(jié)構(gòu)的腐蝕及防護(hù)措施】鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕及防護(hù)措施。如浸在海水中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),在水線附近鋼筋腐蝕最為嚴(yán)重,這是由于水線以上空氣中的含氧量

6、較高,而水線以下(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(yáng)極而腐蝕。2.鋼筋混凝土構(gòu)件中鋼筋的銹蝕的幾種情況。(1由于混凝土不密實(shí)或有裂縫存在造成鋼筋的腐蝕。混凝土密實(shí)度不良和構(gòu)件上產(chǎn)生的裂縫,往往是造成鋼筋腐蝕的很重要原因?；炷翝仓挟a(chǎn)生露筋、蜂窩、麻面等情況,都會(huì)加速鋼筋的銹蝕。因?yàn)榭紫逗土芽p(一般在0.2ram以上時(shí)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(shí)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(shí)度差和鋼筋保護(hù)層不足時(shí),各種介質(zhì)就容易到達(dá)鋼筋表面造成腐蝕。(2由于混

7、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,在混凝土表層中逐漸為氫氧化鈣的堿性溶液所吸收,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(duì)混凝土強(qiáng)度一般無(wú)直接影響。其危害主要在于為鋼筋腐蝕提供條件,而鋼筋銹蝕體積將發(fā)生膨脹(體積比原來(lái)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(duì)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(huì)造成嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)損壞而且這種破壞往往是脆性的,具有隱藏、突然性等特

8、點(diǎn),必須引起高度重視。(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(guò)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(duì)鋼筋的腐蝕多呈潰瘍狀,容易造成鋼筋的應(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(lái)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(guó)內(nèi)外已出現(xiàn)多起加氯鹽過(guò)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)了高強(qiáng)鋼筋中的一

9、種特殊腐蝕形式,即“應(yīng)力腐蝕”。一般在表面只有輕微損害或根本看不見損害,這種腐蝕尤為危險(xiǎn),因?yàn)樗鼪]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(yáng)極而腐蝕。在電化學(xué)腐蝕過(guò)程中繼續(xù)擴(kuò)大,同時(shí)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,使裂縫迅速向深度發(fā)展,以致鋼筋在看不到明顯的腐蝕現(xiàn)象的情況下會(huì)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(shí),會(huì)造成鋼筋的腐蝕。在這種情況下,電流流入處相當(dāng)于陰極區(qū),電流流出處相當(dāng)于陽(yáng)極區(qū)。目前我國(guó)一些直流電解工廠、電氣化鐵路、直流電的載流設(shè)備

10、等的電流泄漏現(xiàn)象比較多,有時(shí)比較嚴(yán)重。這些雜散電流對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(如基礎(chǔ)、梁、柱等鋼筋的腐蝕破壞時(shí)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,必須在勘察、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、使用等各個(gè)階段對(duì)所涉及的防腐問(wèn)題進(jìn)行細(xì)致的了解、分析和處理,各個(gè)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(jì)、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(jì)、施工的優(yōu)質(zhì)混凝土保護(hù)層本身具有長(zhǎng)期防止環(huán)境介質(zhì)滲透的功能,因此,盡可能提高混凝土本身對(duì)鋼筋的防

11、護(hù)功能是預(yù)防鋼筋腐蝕的許多措施中最經(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(jì)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(cè)。如構(gòu)件截面幾何形狀應(yīng)簡(jiǎn)單、平順,減少棱角、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;特別注意構(gòu)件應(yīng)易于施工,盡可能在工場(chǎng)預(yù)制;結(jié)構(gòu)形式應(yīng)便于對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行檢測(cè)和設(shè)置檢測(cè)、維護(hù)和采取補(bǔ)充保護(hù)措施的通道;對(duì)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(shí)間成平方關(guān)系,適當(dāng)增加混凝土保護(hù)層厚度,以延長(zhǎng)侵蝕性介質(zhì)滲透到鋼筋周圍達(dá)到破壞鈍化膜臨界值的時(shí)間。但保護(hù)層厚度不宜大于80mm,否則混凝土

12、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。控制主筋的直徑不宜過(guò)大,一般混凝土保護(hù)層厚度宜大于215倍主徑直徑,原因是較粗的鋼筋提供較小的電阻,也就是提供了較大的腐蝕電流。更重要的是較粗的鋼筋會(huì)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(shí),鋼筋越粗,鋼筋直徑對(duì)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(shí)間也就越短。(2選擇優(yōu)質(zhì)原材料和優(yōu)化混凝土配合比設(shè)計(jì)選擇優(yōu)質(zhì)原材料和優(yōu)化混凝土的配合比,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(shí)度,混凝土密實(shí)度高,孔隙率小,有利于提高混凝土的抗?jié)B性,增強(qiáng)對(duì)侵蝕性介質(zhì)的

13、抗蝕能力;限制粗骨料的最大粒徑,減少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(shí),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)量控制制作的高耐久性,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凝土,其抗氯離子滲透性比普通混凝土提高數(shù)倍,可顯著

14、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(zhǎng)結(jié)構(gòu)物的安全使用壽命。目前,該項(xiàng)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(xiàng)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周圍侵蝕性介質(zhì)隔離開來(lái)或阻止有害介質(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年代開始,在我國(guó)一些海港工程,跨海大橋工程中得到應(yīng)用,實(shí)踐證明,混凝土表

15、面實(shí)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(guó)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(duì)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(duì)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。浸入型涂料不能在混凝土表面上成膜,不會(huì)形成隔離層,也不能充滿混

16、凝土毛細(xì)孔隙,所以不會(huì)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)管吸收作用吸進(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(guó)內(nèi)外已有不少海港工程、跨海大橋使用,但材料費(fèi)用較高,國(guó)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(duì)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

17、接觸。這種鋼筋是在嚴(yán)格控制的工廠流水線上,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(guò)的預(yù)熱的鋼筋上,形成具有一層堅(jiān)韌、不滲透、連續(xù)的絕緣層的鋼筋。所以,只要這種鋼筋在運(yùn)輸、存放、加工、安裝和混凝土澆搗過(guò)程中能按規(guī)范嚴(yán)格保護(hù),它是可以將鋼筋與周圍混凝土隔開,即使氯離子、氧氣等已大量侵入混凝土,它也能長(zhǎng)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,可阻止或延緩金屬和電解質(zhì)界面的電化學(xué)反應(yīng),從而阻止金屬腐蝕是預(yù)防惡劣環(huán)境中鋼筋腐蝕的一種有效的補(bǔ)充措施。但是它不能代替優(yōu)質(zhì)混凝土,也就是說(shuō)摻加阻銹劑不能降低對(duì)混凝土保護(hù)層的基本要求。按照作用機(jī)理,鋼筋阻

18、銹劑可分為陽(yáng)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(shí)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(guò)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(guò)使鋼筋脫鈍的臨界值,由于電化學(xué)腐蝕過(guò)程得到有效的抑制而使鋼筋不會(huì)發(fā)生銹蝕。陰極保護(hù)的方式有犧牲陽(yáng)極和外加電流兩種:（1）犧牲陽(yáng)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(yáng)極，與 被保護(hù)的鋼電聯(lián)接，以本身的腐蝕（犧牲）提供自由電子，對(duì)被保護(hù)的鋼實(shí)施陰極保護(hù)。它 施工簡(jiǎn)便，不需要外部直流電源，不必經(jīng)常維護(hù)管理，但由于提供的保護(hù)電流有限，一般不 適用于暴露于大氣中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。 （2）外加電流陰極保護(hù) 以直流電源的正極接通難溶性陽(yáng)極，發(fā)射保護(hù)電流;以其負(fù)極接通被保護(hù)的鋼，而陽(yáng)極 與被保護(hù)的鋼均處于連續(xù)的電介質(zhì)中， 使被保護(hù)的鋼接觸電解質(zhì)的全部表面都充分而且均勻 地接受自由電子，從而受到陰極保護(hù)。外加電流陰極防護(hù)技術(shù)在歐、美等國(guó)家已經(jīng)用于環(huán)境 惡劣的重要工程上。我國(guó)目前尚處于技術(shù)開發(fā)和引進(jìn)階段，中港-圣維可（廣州）防腐工程 有限公司已將該項(xiàng)技術(shù)成功應(yīng)用于天津港、 杭州灣大橋等工程， 為該項(xiàng)新技術(shù)在國(guó)內(nèi)的推廣 應(yīng)用發(fā)揮了重要的示范作用。隨著技術(shù)進(jìn)步和