建筑主体结构维修与保护.docx

建筑结构混凝土内金属锈蚀的影响作者 金乐仁【摘要】 钢筋腐蚀对混凝土耐久性和安全性有很大影响。笔者阐述了研究钢筋锈蚀的原因、目的和意义;研究了钢筋在未开裂和裂缝状态下的锈蚀机理,钢筋的腐蚀过程实质上是一个电化学反应过程;影响钢筋锈蚀的主要因素有混凝土的密实度、混凝土碳化、环境湿度、氯离子侵入等对钢筋腐蚀过程中的4个阶段进行了研究;从锈后钢筋截面面积损失率对结构受力的影响进行讨论;从正常使用寿命和承载能力使用寿命两方面对在役混凝土结构剩余寿命进行预测;并提出了钢筋锈蚀应采取的预防措施,以提高结构的耐久性和安全性,减少耐久性破坏造成的损失。研究的成果在工程上具有一定的理论意义和实用价值。【关键词】钢筋锈蚀;耐久性; 电化学腐蚀；氯离子侵蚀;碳化;裂缝; 【前言】混凝土结构常见的病害主要有混凝土内金属的锈蚀、混凝土瓦解、潮湿对混凝土的影响、热对混凝土的影响、荷载的影响和认为缺项等。随着混凝土结构的出现和诞生，在70年代、80年代和90年代，人类建造了大量的混凝土结构。这些建筑在当今都有30多年以上的使用时间，在近几年的新闻报道中，时常有个别地区的住宅用房开裂或整体坍塌。混凝土维修将成为住宅在使用年限中避免发生意外的保障，在维修前犹如医生问诊般的检查将必不可少。其中混凝土内金属的锈蚀影响是一项隐蔽的检查。2 混凝土内金属的锈蚀2.1混凝土是一种强碱性材料，新混凝土的PH值一般在12-13之间，在这样强碱性的环境下，埋置金属表面会形成一层钝化膜，这层钝化膜对金属有良好的保护功能，使其不会生锈。但是，一旦这层钝化膜收到破坏，锈蚀就可能发生。当钢筋表面的钝化膜受到破坏，成为活化态时，钢筋就容易腐蚀。 呈活化态的钢筋表面所发生的腐蚀反应的电化学机理是，当钢筋表面有水分存在时，就发生铁电离的阳极反应和溶液态氧还原的阴极反应，相互以等速度进行，其反应式如下：阳极反应2Fe-4e-2Fe2+阴极反应O2+2H2O+4e-4OH-腐蚀过程的全反应是阳极反应和阴极反应的组合，在钢筋表面析出氢氧化铁，其反应式为2Fe+O2+2H2O2Fe2+4OH-2Fe（OH2）4Fe（OH2）+O2+2H2O4Fe（OH）3该化合物被溶解氧化后生成氢氧化铁Fe（OH）3，并进一步生成nFe3O3mH2O（红锈），一部分氧化不完全的变成Fe3O4（黑锈），在钢筋表面形成锈层。红锈体积可大到原来体积的4倍，黑锈体积可大到原来的两部。铁锈体积膨胀，对周围混凝土产生压力，将使混凝土沿钢筋方向开裂（通常称之为“顺筋开裂”、“先锈后裂”），进而使保护层成片脱落，而裂缝及保护层的剥落又进一步导致钢筋更剧烈的腐蚀。3金属锈蚀导致开裂和破损混凝土内金属锈蚀严重导致混凝土开裂和破损主要因素为： 混凝土的抗拉强度降低； 混凝土保护层质量和厚度降低； 钢筋与周围混凝土的粘结强度降低； 钢筋的有效直径减少； 钢筋的修饰率增加；4混凝土结构承载能力下降4.1混凝土构件的承载能力受到钢筋锈蚀和混凝土开裂的影响。钢筋锈蚀对钢筋混凝土结构性能的影响主要体现在三方面。其一，钢筋锈蚀直接使钢筋截面减小，从而使钢筋的承载力下降，极限延伸率减少；其二，钢筋锈蚀产生的体积比锈蚀前的体积大得多（一般可达23倍），体积膨胀压力使钢筋外围混凝土产生拉应力，发生顺筋开裂，使结构耐久性降低；其三，钢筋锈蚀使钢筋与混凝土之间的粘结力下降。5氯化物对金属的影响5.1 Cl-对金属腐蚀的影响表现在两个方面：一是降低材质表面钝化膜形成的可能或加速钝化膜的破坏,从而促进局部腐蚀；另一方面使得H2S、CO2在水溶液中的溶解度降低,从而缓解材质的腐蚀.Cl-具有离子半径小、穿透能力强,并且能够被金属表面较强吸附的特点.Cl-浓度越高,水溶液的导电性就越强,电解质的电阻就越低,Cl-就越容易到达金属表面,加快局部腐蚀的进程。酸性环境中Cl-的存在会在金属表面形成氯化物盐层,并替代具有保护性能的FeCO3膜,从而导致高的点蚀率。腐蚀过程中，Cl不仅在点蚀坑内富积,而且还会在未产生点蚀坑的区域处富积，这可能是点蚀坑形成的前期过程。它反映出基体铁与腐蚀产物膜的界面处的双电层结构容易优先吸附Cl，使得界面处Cl浓度升高。在部分区域,Cl会积聚成核,导致该区域阳极溶解加速.这样金属基体会被向下深挖腐蚀，形成点蚀坑阳极金属的溶解，会加速Cl透过腐蚀产物膜扩散到点蚀坑内，使点蚀坑内的Cl浓度进一步增加，这一过程是属于Cl的催化机制，当Cl浓度超过一定的临界值之后，阳极金属将一直处在活化状态而不会钝化.因此,在Cl的催化作用下，点蚀坑会不断扩大、加深。尽管溶液中的Na+含量较高,但是对腐蚀产物膜能谱分析却未发现Na元素的存在,说明腐蚀产物膜对阳离子向金属方向的扩散具有一定的拟制作用。而阴离子则比较容易的穿过腐蚀产物膜到达基体与膜的界面.这说明腐蚀产物膜具有离子选择性,导致界面处阴离子浓度升高。5.2、Cl-对缝隙腐蚀具有催化作用。腐蚀开始时，铁在阳极失去电子.随着反应的不断进行，铁不断的失去电子，缝隙内Fe2+大量的聚积，缝隙外的氧不易进入，迁移性强的Cl-即进入缝隙内与Fe2+形成高浓度、高导电的FeCl2、FeCl2水解产生H+，使缝隙内的pH值下降到34，从而加剧腐蚀。6碳化反应空气中CO2气渗透到混凝土内，与其碱性物质起化学反应后生成碳酸盐和水，使混凝土碱度降低的过程称为混凝土碳化，又称作中性化，其化学反应为：Ca（OH）2+CO2=CaCO3+H2O。水泥在水化过程中生成大量的氢氧化钙，使混凝土空隙中充满了饱和氢氧化钙溶液，其碱性介质对钢筋有良好的保护作用，使钢筋表面生成难溶的Fe2O3和Fe3O4，称为钝化膜。碳化后使混凝土的碱度降低，当碳化超过混凝土的保护层时，在水与空气存在的条件下，就会使混凝土失去对钢筋的保护作用，钢筋开始生锈。可见，混凝土碳化作用一般不会直接引起其性能的劣化，对于素混凝土，碳化还有提高混凝土耐久性的效果，但对于钢筋混凝土来说，碳化会使混凝土的碱度降低，同时，增加混凝土孔溶液中氢离子数量，因而会使混凝土对钢筋的保护作用减弱。7 不同金属的锈蚀7.1现代建筑中往往预埋着不同的金属，当有足够的电解液存在时，就会发生锈蚀。潮湿的混凝土基质是一种理想的电解液。这类锈蚀称为“电锈蚀”。每种金属的电化学活跃不同，例如混凝土中的日常预埋的套管、装饰装修金属品和钢筋之间的“电锈蚀”。 钢筋混凝土结构中常常有铝构件。例如铝通常被作为电导线，近来也被作为扶手和装饰埋件。铝的电化学活跃度比钢材低，因此铝构件很容易锈蚀。铝锈蚀时表面会出现氧化物，这层氧化物会产生张力作用于周围的混凝土上，使周围的混凝土开裂。结论(1)研究混凝土中的钢筋腐蚀是目前混凝土耐久性大课题中的一个难点,混凝土中钢筋腐蚀与钢材腐蚀既有相同之处又有其特殊性,混凝土中的钢筋在各种侵蚀性介质作用下的腐蚀可归为化学腐蚀和电化学腐蚀。条件不同,腐蚀的机理、程度均不同。(2)钢筋腐蚀导致钢筋与混凝土之间粘结性能退化,使结构的破坏形态发生了变化,因此在结构的承载力评估中必须予以充分考虑。(3)在开裂出现前,主要是由于腐蚀性的物质由混凝土扩散到钢筋导致其腐蚀,因此,应严格控制混凝土的施工质量,以保证其密实度。裂缝出现后由于腐蚀气体可以直接腐蚀混凝土中的钢筋,而由于普通混凝土结构允许带裂缝工作,因此,必须对结构采取有效的防腐措施。(4)近年来,国内外的大量研究发现,不少在役的钢筋混凝土结构已受到腐蚀损伤,尤其在潮湿多雨的地方,情况更为严重。为了提高混凝土中钢筋的耐腐蚀性,减小和避免可能导致的危害,提高混凝土保护层密实度和钢筋的表面覆盖无疑是有效的防腐措施。(5)笔者探讨钢筋混凝土的腐蚀问题,所得的结论和一些观点,可供工程实际中结构耐久性的设计和评估参考。参考文献：1、李惠强。建筑结构诊断鉴定与加固修复。武汉:华中科技大学出版社,2002:1351702；2、李琮琦。混凝土中钢筋锈蚀的研究进展。建筑技发,2002,29(7):79；3、赵国藩,金伟良,贡金鑫等。结构可靠度理论.北京:中国建筑工业出版社,2000:1321384；4、惠云玲。混凝土结构钢筋锈蚀耐