钢筋混凝土结构的腐蚀与防护.doc

钢筋混凝土结构的腐蚀与防护摘要大型土木工程结构中,钢筋混凝土的腐蚀对其结构的耐久性具有很大的影响,混凝土结构钢筋腐蚀是影响结构耐久性和安全性的重要因素之一。根据混凝土结构钢筋腐蚀机理,抑制钢筋腐蚀,应控制好混凝土保护层厚度、氯离子含量和混凝土裂缝宽度,并应采取有效措施提高混凝土的密实性、合理选择饰面材料等。因而正确分析钢筋腐蚀原因至关重要。关键词:钢筋混凝土；腐蚀；抑制措施；The Corrosion and Protection of Reinforced Concrete Structures Abstract: Large civil engineering structure, the corrosion of reinforced concrete has a great influence on the durability of the structure, the steel corrosion of concrete structure is one of the important factors that affect the structure durability and safety. Based on the mechanism of concrete structure reinforcement corrosion and inhibition of steel corrosion, should control the thickness of concrete cover, chloride ion content and concrete crack width, and effective measures should be taken to improve the compactness of concrete, the reasonable choice facing material, etc. Steel corrosion reason and correct analysis is very important. Key Words: Reinforced concrete; Corrosion; Inhibition of measures 引言钢筋混凝土结构是由钢筋及混凝土两种力学性能完全不同的材料所组成的复合材料，它具有材料来源容易、价格低廉、坚固耐用等特点1,有效的利用了钢筋的抗拉性能和混凝土的抗压性能，已成为最常见的建筑结构。但是，钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀会影响钢筋的力学性能，降低了钢筋与混凝土之间的黏结力，从而引起混凝土胀裂破坏，影响钢筋混凝土结构的可靠度、耐久性和适用性，在使用过程中常因腐蚀而提前失效,甚至导致事故发生,因而人们对钢筋混凝土结构的腐蚀与防护的研究越来越重视2。1钢筋混凝土简介钢筋混凝土3（英文：Reinforced Concrete或Ferroconcrete），是指通过在混凝土中加入钢筋与之共同工作来改善混凝土力学性质的一种组合材料，被广泛应用于建筑结构中。浇筑混凝土之前，先进行绑筋支模，也就是用铁丝将钢筋固定成想要的结构形状，然后用模板覆盖在钢筋骨架外面4。1.1结构现状 目前在中国，钢筋混凝土为应用最多的一种结构形式，占总数的绝大多数，同时也是世界上使用钢筋混凝土结构最多的地区5。混凝土是水泥（通常硅酸盐水泥）与骨料的混合物。当加入一定量水分的时候，水泥水化形成微观不透明晶格结构从而包裹和结合骨料成为整体结构。钢筋抗拉强度非常高，一般在200MPa以上6，故通常人们在混凝土中加入钢筋等加劲材料与之共同工作，由钢筋承担其中的拉力，混凝土承担压应力部分。1.2工作原理钢筋混凝土之所以可以共同工作是由它自身的材料性质决定的。首先钢筋与混凝土有着近似相同的线膨胀系数，不会由环境不同产生过大的应力。其次钢筋与混凝土之间有良好的粘结力，有时钢筋的表面也被加工成有间隔的肋条（称为变形钢筋）来提高混凝土与钢筋之间的机械咬合，当此仍不足以传递钢筋与混凝土之间的拉力时，通常将钢筋的端部弯起180 度弯钩7。此外混凝土中的氢氧化钙提供的碱性环境，在钢筋表面形成了一层钝化保护膜，使钢筋相对于中性与酸性环境下更不易腐蚀8。2 混凝土中钢筋腐蚀过程92.1腐蚀孕育期t0:从浇注混凝土到混凝土碳化层深度达到钢筋表面,或氯离子侵入开始破坏钢筋钝化层,即钢筋开始腐蚀为止。2.2腐蚀发展期t1:从钢筋开始腐蚀发展到混凝土保护层表面因钢筋锈胀而出现破坏。2.3腐蚀破坏期t2:从混凝土表面因钢筋锈蚀肿胀开始破坏发展到混凝土严重胀裂、剥落破坏,达到不可容忍的程度,必须全面大修时为止。2.4腐蚀危害期t3:钢筋修饰已经扩大到使混凝土结构区域性破坏,致使结构不能安全使用8。通常, t0 t1 t2 t3。3影响钢筋腐蚀的因素 混凝土结构中钢筋腐蚀是一个非常复杂的过程,一方面是由混凝土碳化,钢筋表面的钝化膜遭到破坏,从而产生电化学腐蚀,腐蚀结果在钢筋表面生成红铁锈10,体积膨胀数倍,引起混凝土开裂;另一方面是由于外加剂或原材料中含有氯盐成分混入混凝土内,或由于环境中所含的氯盐渗透到混凝土中,Cl-进入混凝土并到达钢筋表面,穿透氧化膜,导致钢筋表面局部钝化膜破坏,使钢筋表面产生点蚀(坑蚀)。碳化和Cl-的作用结果都是先腐蚀钢筋,后引起保护层混凝土胀裂破坏,而保护层的破坏又加剧了钢筋的电化学腐蚀11。3.1水对混凝土中钢筋腐蚀的影响在混凝土中钢筋发生腐蚀的过程中，水发挥着重要作用。水是混凝土中形成电解质的必要条件12，也是使钢筋发生化学反应所必需的反应物。此外，水还起到扩散离子的作用，为化学反应提供了适当的反应环境。水对钢筋的腐蚀的影响与水的含量有关。综合各种情况，水对混凝土中钢筋腐蚀的影响具有以下规律：（1）当混凝土孔隙水含量较多时，会引起腐蚀电位降低，从而加快钢筋腐蚀速率。（2）当混凝土孔隙水含量处于饱和及过饱和时，腐蚀电位降低，但此时由于过氧控制下阴极的极限腐蚀电流降低，会导致钢筋腐蚀速率下降。（3）当混凝土孔隙含水量极高时，会发生氧浓差极化，加快钢筋腐蚀速率。3.2温度对钢筋腐蚀速率的影响 在阳极区，温度的升高使参与腐蚀反应的离子的溶解度提高，从而使混凝土孔隙溶液中离子的活动能力提高，提高了阳极的反应速度。在阴极区，随着温度的升高，O2在水中的溶解度降低，当温度超过一定值后，离子溶解度也会降低，从而降低了钢筋腐蚀速率6。 混凝土内钢筋的腐蚀速率由混凝土自身的材料性质和外部的环境气候条件共同决定。环境的相对湿度和环境与温度的综合效应可对钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀速度产生影响。水分及温度对钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀均有较大影响，仅考虑其单独作用并不能真实地反映钢筋腐蚀的规律。水和温度对钢筋的腐蚀是相互影响的，其共同作用不能单纯地进行叠加。水和温度相互之间的关系具有以下特点12。（1） 在环境湿度相同的情况下，混凝土的腐蚀速率随着温度的升高而增大，其增长速率随着温度的增加逐渐增大。（2） 在环境温度相同的情况下，混凝土的腐蚀速率随着湿度的增大，在前期处于较平缓的发展，在后期增加幅度较大。（3）环境的温度与混凝土孔隙水含量对钢筋腐蚀速率的影响并不是孤立的，钢筋腐蚀速率随着温度的升高，所需混凝土孔隙的水含量也相应降低。（4）温度、湿度对混凝土腐蚀增长速率的影响也是不同的，总体来说，温度效应比湿度效应的影响明显。3.3电化学对钢筋腐蚀的影响 钢筋腐蚀机理混凝土内钢筋的腐蚀过程实际是电化学腐蚀过程,其原理本质上是氧化还原反应13。这种氧化还原反应是通过阳极反应(氧化反应)和阴极反应(还原反应)同时而分别进行的,类似于将化学能直接转变为电能的原电池,反应过程见图1。在钢筋混凝土结构中，阳极反应和阴极反应分别看作是一个电极反应过程,在具备阳极、阴极、阳极与阴极间的电连接及电解质的条件下，以微观腐蚀电池及宏观腐蚀电池的形式，在阳极和阴极发生氧化还原反应。具体过程如下：钢筋混凝土中，Fe为阳极，O2与水共同构成阴极，钢筋为阳极与阴极间的电连接，混凝土孔隙液为电解质。在阳极区和阴极区会产生如下反应：阳极区反应为FeFe2+2e阴极区反应为O2+2H2O+4e4OH阳极区产生的Fe2+由钢筋表面向周围水溶液扩散，阴极区产生的OH-由水溶液通过混凝土孔隙到达阳极，在这种情况下会发生以下反应：Fe2+2OHFe(OH)2Fe(OH)又可与O2发生进一步反应：在氧气充足条件下，有4Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3 2Fe(OH)3Fe2O3+3H2O在氧气不充足条件下，有Fe(OH)2+O22Fe2O3+3H2O3.4氯盐对钢筋的腐蚀的影响 氯盐对钢筋的腐蚀是电化学腐蚀的一种,使用海砂、含氯盐的施工用水、含氯盐外加剂、在氯盐环境中拌制和浇注混凝土是Cl-进入水泥石的主要途径,这通常是施工管理的问题。此外, Cl-也可通过混凝土宏观、微观缺陷进行侵入,这是综合技术问题,与混凝土的多孔性、密实性、钢筋表面的混凝土保护层等因素有关。Cl-进入混凝土后,首先是破坏钢筋表面的保护膜。保护膜通常是Fe的氧化物,能阻碍铁基体与外界介质发生,降低钢筋的活性,又被称为钝化膜。该层氧化物遇水微溶呈碱性,Cl-吸附在局部保护膜上可使该处的pH迅速降低,因绝大部分氯化物会不同程度地与水发生反应(NaCl、KCl、BaCl除外),生成碱式盐与盐酸,使酸性增强。如FeCl2+H2OFe (OH) Cl+HCl,其中Fe (OH) Cl为碱式氯化亚铁,故Cl-也可以归为酸根14。4钢筋混凝土结构的防护措施4.1降低混凝土中腐蚀性组分的渗透性 混凝土中腐蚀性组分的渗透是钢筋发生腐蚀的必要条件。因此要抑制钢筋的腐蚀可以从两方面着手，一方面要尽可能控制混凝土中C1一的浓度和相对湿度;另一方面要选择适当的水泥品种以尽量提高混凝土的密实性及适当增加混凝土层厚度以阻止腐蚀性组分的渗人。4.2 合理选择饰面材料结构饰面装修除了达到美观效果外,还可达到保护结构的重要目的。不同的饰面材料抑制外部环境对混凝土结构的影响也不一样。设计过程中应根据环境情况合理选择混凝土结构的饰面材料12。4.3采用钢筋的阴极保护 阴极保护常作为一种补助措施来防止混凝土中钢筋的腐蚀。在良好的导电介质中，例如海水中，这可以通过在钢筋上联结牺牲阳极来实现。而在导电性差的环境中，例如在大气中，这种阴极保护则在钢筋和难溶性阳极之间施加电流实现。4.4在混凝土中加入添加剂为了改善混凝土某一方面的性能，或防止钢筋的锈蚀，常常使用添加剂。比如亚硝酸钙、油酸乳化丁醋和二甲基乙醇胺常作为缓蚀剂添加到混凝土中15，可控制混凝土中钢筋的腐蚀。但缓蚀剂的加入不能破坏混凝土的其他性能，阳极型缓蚀剂要特别慎用。4.5防止杂散电流混入混凝土结构 电气火车、电车等以接地为回路的交通工具以及电焊机、电解槽等直流电力系统都可以引起杂散电流，正确的接地和隔离杂散电流源，可以有效地防止杂散电流引起钢筋混凝土结构的电化学腐蚀16。4.6进行腐蚀检测或监测 对钢筋混凝土结构的关键部位进行定期的检测或监测，以便及时发现混凝土结构的早期断裂和潜在的事故隐患。根据检测或监测结果，调整和优化工况条件，作出维修保养的决策。通常采用物理方法和电化学方法来检测或监测钢筋混凝土结构的腐蚀11。4.7 提高混凝土的密实性提高混凝土的密实性可抑制空气和水分的侵入,抑制外界环境中氯离子和化学介质渗透侵蚀,是抑制混凝土结构钢筋腐蚀的有效措施。5结论 分析了钢筋混凝土结构的钢筋腐蚀机理,简要地介绍了钢筋腐蚀过程,总结了钢筋腐蚀的影响因素。钢筋混凝土结构的腐蚀主要受电化学腐蚀受到温度、水的综合效应的影响。应重视温度、水等环境对钢筋混凝土结构中钢筋腐蚀的影响17。应寻求更加合理、科学的措施来减缓钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀速率，以便对症下药选择最佳的维修对策,更经济有效地延长结构的使用寿命;另一方面也有助于对新建过程项目进行耐久性设计和研究,揭示影响结构寿命的内部和外部因素,从而提高工程的设计水平和施工质量,保证钢筋混凝土结构的耐久性、可靠性和适用性，确保混凝土结构在使用年限中正常工作。参考文献1陈雅福.土木工程材料M.广州:华南理工大学出版社,2001,3:124-127;134-135.2陈立军，黄德馨，孔令炜等.水泥组成和粉磨细度对混凝土耐久性的影响及改善途径J.建筑技术，2009，4（1）：62-64.3GB50204-2002,混凝土结构工程施工质量验收规范S.4GB50119-2003,混凝土外加剂应用技术规范S.5陈丽金.混凝土结构钢筋腐蚀的产生J.中国建材科技, 2003,(1):27-30.6刘秉京.混凝土结构耐久性设计M.北京：人民交通出版社，2007.7CCES 01-2004，混凝土结构耐久性设计与施工指南S.北京：中国建筑工业出版社，2005.8杜荣归，黄若双，赵冰，等.钢筋混凝土结构中阴极保护技术的应用现状及研究进展J.材料保护，2003，36（4）：11-13.9朱雅仙，蔡伟成，吴烨，等.氯盐环境中钢筋混凝土阴极防护技术有关问题初探J.混凝土，2010（4）：31-33.10王睿，王信