一般大氣環(huán)境下鋼筋開始銹蝕時間的計算方法

1、一般大氣環(huán)境下鋼筋開始銹蝕時間的計算方法在評估商品混凝土結(jié)構(gòu)耐久性時，其關(guān)鍵是確定鋼筋開始銹蝕條件。一般 大氣環(huán)境下商品混凝土中鋼筋開始銹蝕的條件是商品混凝土碳化及鋼筋脫鈍。 碳化殘量是描述鋼筋開始銹蝕的重要參數(shù)，其大小取決于部分碳化區(qū)長度、碳化 速度及脫鈍速度。以實際工程檢測數(shù)據(jù)為主要依據(jù)，考慮不同環(huán)境條件，以碳 化系數(shù)、保護層厚度和局部環(huán)境系數(shù)為主要參數(shù)，利用回歸分析方法建立了碳化 殘量的計算公式，并由此計算鋼筋開始銹蝕的時間。通過實際工程數(shù)據(jù)驗證， 表明本文給出的鋼筋開始銹蝕時間計算方法，在工程應(yīng)用上是可行的，從而為合 理評定商品混凝土結(jié)構(gòu)耐久性提供依據(jù)。關(guān)鍵詞：商品混凝土耐久性；商品混

2、 凝土碳化；鋼筋銹蝕；脫鈍；碳化殘量 商品混凝土中鋼筋銹蝕是造成商品混凝 土結(jié)構(gòu)耐久性損傷最普遍的因素。由于商品混凝土保護層的碳化或氯離子的滲 透導(dǎo)致鋼筋鈍化膜破壞，鋼筋表面在水和氧同時存在的條件下將發(fā)生電化學反應(yīng)， 造成鋼筋銹蝕。一般大氣環(huán)境下由于商品混凝土保護層碳化造成的鋼筋銹蝕廣 泛存在于各類商品混凝土結(jié)構(gòu)中，特別是一些高濕、高溫或干濕交替等不利環(huán)境 下的商品混凝土結(jié)構(gòu)，鋼筋銹蝕更為嚴重。鋼筋銹蝕造成的危害己人所共知。近 十年來，我國在鋼筋銹蝕的發(fā)生、發(fā)展、銹后構(gòu)件性能退化等方面展開了一系列 的理論與試驗研究，同時也對已有商品混凝土建（構(gòu)）筑物進行了大量的工程 調(diào)查與檢測工作。在此基礎(chǔ)上

3、，我國又相繼開展了對結(jié)構(gòu)耐久性評估和結(jié)構(gòu)耐 久性設(shè)計等技術(shù)標準的研究工作。然而在耐久性評估方面，確定鋼筋在不同條 件下開始銹蝕的時間是首先必須解決的問題。一般大氣環(huán)境下鋼筋銹蝕的前提 條件是鋼筋表面因商品混凝土保護層碳化而脫鈍，因此商品混凝土中鋼筋開始銹蝕時間常常被確定為碳化深度到達鋼筋表面的時間，依據(jù)碳化方程xc = k - 鋼筋開始銹蝕時間則為式中：c為商品混凝土保護層厚度；k為商品混凝土碳 化系數(shù)。然而大量工程調(diào)查和試驗結(jié)果表明，上述定義的鋼筋開始銹蝕時間是 不準確的，在有些環(huán)境下用酚酞試劑測定的碳化深度并未達到鋼筋表面而鋼筋已 經(jīng)銹蝕，也有工程調(diào)查資料顯示，碳化到達甚至超過鋼筋外表面而

4、鋼筋并未銹蝕， 這一現(xiàn)象很難用傳統(tǒng)的碳化-鋼筋銹蝕機理解釋，因此建立合理的鋼筋開始銹蝕 條件是確定鋼筋開始銹蝕時間的關(guān)鍵。鋼筋開始銹蝕條件的分析一般大氣環(huán)境下鋼筋開始銹蝕時間即為商品混凝土中鋼筋表面鈍化膜破壞 （脫鈍）的時間，研究表明，對鋼筋的鈍化膜存在兩個pH臨界值，其一是pH =9. 18，低于此值，鋼筋表面鈍化膜不可能生成。其二是p H = 11. 5， 大于11. 5才可能生成完整的鈍化膜。p H值在9. 18 11. 5之間時，鋼 筋表面的鈍化膜處于不穩(wěn)定狀態(tài)。由于商品混凝土碳化過程中在完全碳化區(qū)前 沿存在一個不完全碳化區(qū)（部分碳化區(qū)），pH值由低到高在8. 5 12. 5之 間變化

5、，這就使處于部分碳化區(qū)內(nèi)的鋼筋鈍化膜有了脫鈍的前提條件，部分碳化 區(qū)范圍較大（長度較長）時，鋼筋可能較早脫鈍，因此部分碳化區(qū)的長短是影 響鋼筋鈍化膜破壞的重要因素之一。決定鈍化膜破壞時間的另一個重要因素是 脫鈍速度，由于各種因素的影響，脫鈍速度的差異同樣對鋼筋開始銹蝕時間有十 分重要的影響。部分碳化區(qū)長度國內(nèi)外學者通過不同途徑研究部分碳化區(qū)長度，如 通過x射線衍射分析Ca （OH） 2和CaCO3在商品混凝土中的濃度分布曲線 或 碳化過程中商品混凝土的pH分布曲線的變化判定部分碳化區(qū)長度。同濟大學蔣利學、張譽等4 通過碳化前后的物質(zhì)平衡條件分析了部分碳化區(qū)長度，并給出：Xl=1.017 X10

6、4X（0.7- R H）1。82（2）由（2）式可以看出，部分碳化區(qū)長度的主要影響因素是水灰比（W/C）、水泥含量（C）、環(huán)境相 對溫度R H （ R H 0. 7時取為0. 7）。部分碳化區(qū)是CO2的擴散速度大于 反應(yīng)速度產(chǎn)生的碳化反應(yīng)區(qū)段，當前雖然還沒有進行更多的理論和試驗研究工作， 但從概念上分析，影響部分碳化區(qū)長度的因素除（2）式所含因素外，還包括以 下因素：（1）環(huán)境CO2濃度。當環(huán)境CO2濃度愈高，滲透壓力愈大，部分碳 化區(qū)長度愈長；（2）影響碳化的諸多因素也都影響部分碳化區(qū)的長度，如澆 注面和養(yǎng)護面碳化系數(shù)的系統(tǒng)差異、水泥品種、摻合料、環(huán)境溫濕度等；（3） 部分碳化區(qū)長度與碳化時

7、間有關(guān)，隨著碳化過程的發(fā)展，部分碳化區(qū)長度增加。 碳化區(qū)長度的變化與保護層厚度無關(guān)，但當保護層厚度增加時，鋼筋脫鈍所需的 碳化時間將增長。因此也可認為，部分碳化區(qū)長度隨保護層厚度的增加而加大， 但到某一界限后將不再繼續(xù)增大。由于商品混凝土碳化的影響因素對部分碳化 區(qū)長度有影響，而這些因素具有隨機性。迄今為止，部分碳化區(qū)長度還缺乏一 個較準確、實用的計算方法。脫鈍速度商品混凝土中鋼筋在高堿度環(huán)境中形成致密穩(wěn)定的厚約20 60A的氧化亞 鐵鈍化膜，阻隔水和氧滲透到鋼筋表面而使鋼筋免于生銹。當商品混凝土保護 層碳化后，鋼筋周圍的pH值降至11. 5以下時，這種保護膜將變得不穩(wěn)定而 逐步活化，失去對鋼

8、筋的保護，即所說的脫鈍現(xiàn)象。迄今為止，人們對脫鈍過 程了解和研究的甚少，有研究認為脫鈍是氧化亞鐵逐漸氧化的過程，pH值越小 脫鈍速度越快，另外，脫鈍速度與鋼筋表面水膜中的溶氧程度有關(guān)，因而影響脫鈍速度的因素與影響鋼筋銹蝕速度的諸因素相近，如干濕交替環(huán)境將加速脫鈍， 干燥環(huán)境的脫鈍速度將小于潮濕環(huán)境的脫鈍速度。碳化殘量碳化殘量最早由日本學者岸谷孝一提出，其定義為在鋼筋開始銹蝕時碳化前 沿到鋼筋外表面的距離，此時碳化深度采用酚酞試劑測試。實際上我們最為關(guān) 注的是碳化殘量的大小，碳化殘量一旦確定，鋼筋開始銹蝕的時間即可確定。碳 化殘量有別于部分碳化區(qū)長度，后者僅與碳化過程有關(guān)，恒為正值。而碳化殘 量

9、不僅與商品混凝土碳化過程有關(guān)，還與鋼筋的脫鈍過程有關(guān)，其數(shù)值可為正值， 也可能為零和負值。由于在脫鈍過程中，商品混凝土碳化同時在進行，因此碳化 殘量取決于商品混凝土部分碳化區(qū)長度、鋼筋脫鈍速度及商品混凝土碳化速度。碳化殘量的確定與鋼筋開始銹蝕時間的計算2.1 試驗研究與工程調(diào)查結(jié)果國內(nèi)外對碳化殘量進行過一些試驗和工程調(diào)查， 如文獻提出，對室外環(huán)境，當碳化深度達到鋼筋表面時，鋼筋明顯銹蝕，對室內(nèi) 環(huán)境，當碳化深度超過鋼筋表面20 30 mm時，鋼筋銹蝕明顯。文獻根據(jù)試 驗及實際工程檢測，對水灰比W/ C = 0. 7的不含氯離子商品混凝土，發(fā)生均 勻銹蝕時，碳化殘量為10mm，發(fā)生坑蝕時，碳化殘

10、量為8 mm，文獻通過試驗 研究提出碳化殘量約為0. 3c （ c為保護層厚度）。我們在文獻中，通過快 速碳化及不同環(huán)境下長期暴露試驗研究了碳化殘量，結(jié)果見表1。分析文獻的試 驗結(jié)果，在同一環(huán)境條件下，鋼筋銹蝕深度極小（0 0. 0015 mm）時得到的 碳化殘量。西安建筑科技大學通過工程檢測得到的碳化殘量數(shù)據(jù)如表3所示。 從上述試驗和工程調(diào)查結(jié)果可以看出：（1）同種環(huán)境條件下，碳化殘量隨保 護層厚度增大而增加。（2）碳化殘量隨相對濕度變大而增加。相對濕度增加 時，部分碳化區(qū)長度相對減小，碳化速度減小，而鋼筋脫鈍速度加快，在鋼筋脫 鈍過程中最終導(dǎo)致碳化殘量xo變大，這符合潮濕環(huán)境中鋼筋容易銹蝕

11、的實際情 況。（3）碳化殘量隨水灰比（W/ C）增大而減少。水灰比增加時，商品混 凝土強度降低，部分碳化區(qū)長度減小，鋼筋脫鈍速度加快，而碳化系數(shù)增長更快。 在鋼筋脫鈍過程中，碳化深度顯著增加，導(dǎo)致碳化殘量變小。（4）室外淋雨 環(huán)境脫鈍速度快，碳化殘量大，一般室內(nèi)環(huán)境脫鈍速度慢，碳化殘量小，鋼筋不 易發(fā)生銹蝕。（5）碳化系數(shù)與碳化殘量有明顯的相關(guān)關(guān)系，碳化系數(shù)增大， 碳化殘量減小。（6）由于在快速碳化銹蝕試驗中，CO2濃度過大，滲透壓增加， 鋼筋過早脫鈍，使碳化殘量在某些情況下偏大，而不能真實反映自然環(huán)境下的碳 化殘量。2.2 碳化殘量的計算公式如前所述，影響碳化殘量的有部分碳化區(qū)長度、脫 鈍速

12、度和碳化速度三個要素，當前除對碳化速度及其影響因素有較深入的認識外， 對部分碳化區(qū)長度和鋼筋脫鈍速度還缺乏了解，更無法進行定量描述，因此對于 碳化殘量的計算可借助試驗和工程檢測數(shù)據(jù)進行回歸分析，并利用實際工程資料 進行必要的修正。根據(jù)文獻，水灰比（W/C）和水泥用量（C）對碳化系數(shù)（k）和部分碳化區(qū)長度的影響趨勢完全相同，其它因素對二者的影響也有很 好的相關(guān)性，影響碳化速度的諸因素都對碳化殘量有影響。并且除濕度外，碳 化系數(shù)和脫鈍速度也有正相關(guān)性。因此，以碳化系數(shù)和保護層厚度作為基本參 數(shù)，建立碳化殘量公式應(yīng)該是合理的。三鋼棧橋柱實測數(shù)據(jù)進行回歸分析，并通 過西北、華東、西南、中南、華北、東北

13、18個城市和地區(qū)120余個構(gòu)件的工程 檢測資料的驗證，本文提出以下經(jīng)驗公式：式中：k為碳化系數(shù)，可采用實測 值，在沒有實測值時可用（4）式計算；kCO2為CO2濃度系數(shù)；kki為碳化部 位系數(shù)，角區(qū)取1。4 ,其他情況取1。0 ; kkt為養(yǎng)護澆注面影響系數(shù)，取 1. 2 ； kks為應(yīng)力狀態(tài)影響系數(shù)，拉應(yīng)力區(qū)取1. 1，受壓區(qū)取1 ； R H為環(huán)境 濕度；T為溫度；kce為局部環(huán)境影響系數(shù)，室外淋雨環(huán)境取3。5 -4 （潮濕 地區(qū)取4，干燥地區(qū)取3.5），一般室內(nèi)環(huán)境取1 1.5 （干燥地區(qū)取1，潮 濕地區(qū)取1.5）； fcu為商品混凝土立方體抗壓強度（MPa）。值得說明的是， 商品混凝土碳

14、化和鋼筋銹蝕取決于商品混凝土的滲透性，與商品混凝土強度無直 接關(guān)系，但為簡化計算，可把商品混凝土強度作為衡量商品混凝土滲透性參數(shù)。 雖然強度在一定程度上能反映商品混凝土滲透性的大小，但商品混凝土滲透性的 變異很大，遠遠超過商品混凝土強度的變異，因此當有實測碳化系數(shù)時，建議用 實測值通過（4）式推算七，以期能更好地反映實際情況。鋼筋開始銹蝕時間計算將碳化殘量代入式（1），則鋼筋開始銹蝕的時間可表示為：式中，碳化殘量按式（3）計算，k均按實測值取用，推算商品 混凝土強度時，取1.3。其他系數(shù)按實測碳化部位取用。為了對比起見，將用 式（5）計算各個檢測點的理論值也列入表3。由計算結(jié)果可看出，碳化殘量 的計算與實測差值（-% ）在-5。59 6。4范圍內(nèi)變化，均值為-0148， 開始銹蝕時間的計算與實測比值（tj/ti ）在0。53 1。65范圍內(nèi)變化， 比值的均值1。003 5，標準差0.260 9。商品混凝土材料性質(zhì)（包括孔隙率、 密實度等）的不均勻性是引起計算與實測數(shù)據(jù)差值離散性較大的主要因素。另 外，計算模式的偏差和檢測數(shù)據(jù)誤差也是造成離散性大的因素。然而從統(tǒng)計角 度，開始銹蝕時間的驗算平均比值為1，表明式（3）至式（5）的計算公式 在宏觀上控制鋼筋開始銹蝕時間是合理可行的。小結(jié)合理計算碳化殘量是準確判斷鋼筋開始銹蝕時間的關(guān)鍵，碳化殘量由商品混