混凝土的钢筋锈蚀

混凝土的钢筋锈蚀 钢筋锈蚀已成为混凝土结构耐久性破坏中的首要因素 1985年 美国各类腐蚀引起损失达1680亿美元 钢筋锈蚀占40 左右 九十年代初 美国全部57 5万座钢筋混凝土桥中因钢锈破坏而限载通车的公路桥占1 4 其中已经不能通车的占1 约5000座 仅维修费高达900亿美元 我国交通部门于1980年对华南地区18座码头调查的结果发现 80 以上在使用不到20年间就出现了严重或较严重的钢筋锈蚀破坏 北方地区 北京西直门旧立交桥仅运行18年就拆除重建 沈阳文化路大立交桥使用13年后因钢筋锈蚀严重破坏 哈大公路 在建成5年后混凝土出现严重的顺筋胀裂和剥落 1 钢筋锈蚀破坏机理原电池反应原理 腐蚀电池必备条件 1 阴极 阳极和电位差 2 离子通路 电解质 3 电子通路 电极电位的形成原理图 钢筋微电池腐蚀 阳极反应 Fe 2e Fe 氧化反应 阴极反应 O2 2H2O 4e 4OH 还原反应 综合反应 2Fe O2 2H2O 2Fe OH 2 伴有电流 Fe OH 2 O2 2H2O Fe OH 3 Fe2O3 nH2O 铁锈 阴极 阳极 混凝土的保护作用 物理保护作用 阻止水分 氧气 氯离子等外界有害介质的侵入 化学保护作用 高碱性环境 由于孔溶液中存在有NaOH KOH CH等 pH值大于12 5 下 阳极产生的Fe OH 2被氧化成 型氢氧化铁 纯化膜层 Fe OH 2 O2 FeOOH H2O 致密保护层 钢筋钝化层 两个临界值 pH 9 88 开始形成钝化膜 pH 11 5 钝化膜才能完全覆盖钢筋表面 混凝土中性化导致锈蚀 pH 10 5 钢筋锈蚀产生的裂缝 混凝土碳化与钢筋锈蚀 氯盐导致钢筋锈蚀 Cl OH 0 6 Cl 在钢筋锈蚀中的作用 氯离子是极强的阳极活 去钝化 剂 在水泥的浸出液中 即使其pH值还很高 如达到13 只要有4 6mg L浓度的氯离子 就足以破坏钢筋钝化膜 Fe2 2Cl 4H2O FeCl2 4H2OFeCl2 4H2O Fe OH 2 2Cl 2H 2H2O氯离子虽然并不构成腐蚀产物 在腐蚀中也不消耗 但作为促进腐蚀的中间产物 会给腐蚀起催化作用 海洋浪溅区混凝土的氯离子侵蚀 浪溅区下部接触氯化物机会多 潮湿 易成为阳极区 而上部接解氧气较多 易成为阴极区 浪溅区混凝土潮湿 又含有渗入的电解质 使其易形成良好的导电通路 浪溅区干湿循环及海风风干作用使氯离子更易由于毛细管作用进入混凝土内部 钢筋混凝土锈蚀破坏机理 钢锈膨胀压力 胀裂破坏 2 钢筋锈蚀破坏特征 混凝土顺钢筋开裂 剥落 脱层 钢筋 混凝土间 握裹力 下降与丧失 钢筋断面损失 以局部腐蚀为主 均匀腐蚀较少 钢筋应力腐蚀断裂 应力 锈蚀相互促进的结果 钢筋腐蚀过程四阶段 1 腐蚀孕育期T0 2 腐蚀发展期 1 3 腐蚀破坏期T2 4 腐蚀危害期T3 T0 T1 T2 T3 3 钢筋锈蚀影响因素 混凝土密实度和保护层厚度 密实度 水灰比 矿物掺合料 骨料 保护层厚度 设计富余系数 30 混凝土保护层的完好性 成型质量 混凝土工作性 成型振动方式 表面开裂 材料性能 养护制度 开裂造成钢筋预应力损失 开裂 使水和其它离子进入 混凝土液相pH值 pH 10 钢筋锈蚀速率很小 pH 4时 钢筋锈蚀速率急剧增加 水泥品种 矿物掺合料不同 混凝土的碱度不同 碳化不同 对钢筋的保护不同 粉煤灰减小混凝土的氯离子扩散的作用 混凝土 l 含量 预应力混凝土 Cl 总量不超过0 06 水泥质量 普通混凝土 Cl 总量不超过0 10 水泥质量 水 200 350mg L 海砂 低于0 06 外加剂 防冻剂 早强剂 环境条件 氯盐 潮湿 冷热交替 干湿变化 当构件使用环境很干燥 湿度 40 或完全处于水中 钢筋的锈蚀极慢 几乎不发生锈蚀 4 钢筋锈蚀的预防措施 混凝土表面处理阻锈剂钢筋涂层电化学保护法 1 混凝土表面处理 普通水泥砂浆层 5 20mm厚 减缓碳化 用于轻弱侵蚀性环境 聚合物改性水泥砂浆层将聚合物以乳液形式掺入水泥砂浆 提高砂浆层密实性和粘接力 主要种类有 丙烯酸类乳液 己烯基树脂 环氧树脂乳液 主要用于盐类强腐蚀环境 海洋 盐碱地 撒化冰盐工程 表面渗透型防水涂层在混凝土表面涂以渗透型涂层材料 这些渗入的物质 可与混凝土组分起化学作用和堵塞孔隙 或自行聚合形成连续性憎水膜 典型代表应属有机硅类材料 如烷基烷氧基硅烷等 防水 透气 用于轻腐蚀环境下的混凝土防 老化 如碳化 中性化 表面涂层沥青 煤焦油类 用于地下工程 有较好的防水 防腐性能 价格低廉 油漆类 耐碱 弹性 一般不能在潮湿基面上施工 易老化 不耐久 防水涂料 有效防止水 水汽进入混凝土中 则能起到防止 减缓钢筋混凝土腐蚀的效果 树脂类涂料 环氧树脂 己烯基树脂 丙烯酸树脂 聚氨酯等都可用于混凝土的面层涂料 以环氧树脂为主的涂层 有较好的防护性能和耐久性 可用于较严酷的腐蚀环境中 2 阻锈剂能抑制或减轻混凝土中钢筋锈蚀的外加剂 分为三类 阳极型阻锈剂 阴极型阻锈剂 综合型阻锈剂 最常用的阳极型 主要作用于阳极区 提高钝化膜抵抗Cl 的渗透性来抑制钢筋锈蚀的阳极过程 具氧化性 如亚硝酸盐 铬酸盐 硼酸盐等 Fe2 OH NO2 FeOOH NOCl 的破坏作用与亚硝酸盐的成膜作用同时存在 当NO2 量大于Cl 量时 钢筋锈蚀被阻止 阴极型 主要作用于阴极区 其主要作用机理是这类物质大都是表面活性物质 它们选择性地吸附在阴极区 形成吸附膜 从而阻止或减缓电化学反应的阴极过程 钢筋涂层 环氧树脂涂层钢筋 用黏性环氧涂层包裹钢筋 与钢筋紧密胶结在一起 阻止了阳极反应 环氧涂层钢筋的研究起源于美国 美国联邦公路 FHWA 于70年代初开始研制环氧涂层钢筋 1973年首次试用于桥面板 并不断扩大应用和制定相关标准 随后 其他国家和地区 也在发展和应用环氧涂层钢筋技术 在海洋环境 使用防冰盐及其他强腐蚀条件下 使用环氧涂层钢筋是被推荐措施之一 有些是首选措施 主要技术特点 涂层制作 环氧涂层钢筋采用静电粉末喷涂的方法 在工厂对钢筋涂层 能保证涂层与基体钢筋的良好粘结 抗拉 抗弯好 90 弯曲不出现裂缝 这是其他涂层难以达到的 环氧涂层钢筋与混凝土的握裹力下降幅度最小 相关标准允许降低10 而其他涂层都可能使握裹力大幅度降低 甚至超过50 环氧树脂粉末涂层还具备以下性能 耐碱性 能长期经受混凝土的高碱性环境 pH 12 5 13 5 耐化学侵蚀 由于环氧树脂粉末涂层具有很高的化学稳定性和耐腐蚀性 并且膜层具有不渗透性 因此能阻止水 氧 氯盐等腐蚀介质与钢筋接触 弹性和耐摩擦性都是良好的 近年来 我国建设部也制定了环氧涂层钢筋的产品标准 并开始有一些工程应用的实例 使用中应注意问题 保证钢筋表面环氧涂层的完整性 无孔洞 破伤或膜层太薄等 运输 装卸过程中 应最大限度的保证不碰伤 划伤钢筋表面的环氧涂层 施工中 人和机械搅捣 都不应碰伤 划伤 损坏钢筋表面的环氧涂层 环氧涂层钢筋在价格方面要比普通钢筋贵 在国外 增加的费用可能占到整个工程总造价的1 2 电化学保护法 根据腐蚀电池原理 强制使钢筋成为原电池阴极而受到保护不发生锈蚀的一种防锈技术 混凝土中钢筋阴极保护示意 a 外加电流法 b 牺牲阳极法1 混凝土 2 钢筋 阴极 3 铸铁阳极 4 直流电源 5 水 6 镁阳极 使用中应注意问题 结构物可实施阴极保护措施的前提条件是 混凝土中所有钢筋必须是电连通的 否则会引起 杂散电流 腐蚀 大气环境下电解质导电问题 导电涂层 施工时严格避免阴 阳极短路 断路 在整个使用期间 要维护 保证所有设备正常工作 电化学除氯阻锈法 在外加电场作用下 使钢筋混凝土中氯盐被排出 钢筋重新钝化的一种混凝土结构无损修复技术 从上世纪九十年代开始在北美 英国 德国 瑞士 日本及中东等20多个国家和地区得到一定工程应用 总应用面积在20万m2左右 可能产生的负面影响 混凝土中其它阴离子如OH SO42 NO2 如以Ca NO2 2作为阻锈剂掺入使用时 也同时被排出 可能导致部分CSH 硫铝酸盐水化产物会发生分解 从而导致混凝土内层孔隙结构粗化 同时在钢筋 混凝土界面处聚集了大量富钠 富钙 富铁 富钙的水化产物 可能导致或加速碱 骨料反应破坏 在外加电场作用下 混凝土中钢筋阴极极化反应生成的大量氢气 可能导致钢筋抗拉强度和延性降低而发生 氢致脆断 破坏象 6 混凝土钢筋锈蚀的检测技术 直接测量法 破损检测方法 分析推测法 基于材料 环境 荷载综合因素基础上进行分析无损检测方法 电化学法 物理法等 半电池电位测量钢筋不同部位电极电位 电位差越大 腐蚀速率越快 现象 北京二环路西北角的西直门立交桥旧桥于1978年12月开工 1980年12月完工 使用一段时间后 桥使用混凝土的部位都有不同程度开裂 1999年3月因各种原因拆除部分旧桥改建 旧桥东南引桥桥面和桥基钻芯作K2O Na2O Cl 含量测试 Cl 浓度呈明显梯度分布 表面Cl 浓度为0 15 0 094 和0 15 距表面1cm处Cl 浓度骤增 分别为0 30 0 18 和0 78 在1 2cm处Cl 浓度达到最高值 其后随着离开表面距离的增加 Cl 浓度逐渐减至0 1 左右 该混凝土的粗 细集料均含有一定数量的活性成分 存在发生碱一集料的可能性 碱含量Na2O为0 3 3 6kg m3 可形成碱集料反应的条件 冬夏气候变化 原因 北京市80年代每年化冰盐的撒散量为400 600t 主要用于长安街和城市立交桥 西直门立交旧桥混凝土中的Cl 主要来自化冰盐NaCl 混凝土表面Cl 含量低于距表面1 2cm处 是因其表面受雨水冲刷 部分Cl 溶解入雨水中流失 Cl 超过最高极限值后 会破坏钢筋的钝化膜 锈蚀钢筋 锈蚀产物体积膨胀 导致钢筋开裂 保护膜脱落 该混凝土的粗 细集料均含有一定数量的活性成分 存在发生碱一集料的可能性 盐冻 冻融 北京北四环健翔桥防撞墩修复实例 健翔桥是北京北四环换乘道路上的一座主要的桥梁 该桥自从开始使用到现在一直饱受汽车尾气中SO2等有害气体 冬天化雪用的化雪盐中含有大量的Cl 等有害离子的侵蚀 致使该桥的防撞墩出现了大量的钢筋锈蚀 保护层开裂等不同程度的破坏 材料 钢筋保护剂MucisSteelProtection表面型迁移性阻锈剂MuCismia200修补砂浆MuCisBS39混凝土表面加强防水剂TECNOSOLID82 WP泰美涂保护涂料TECNORIVAC100 剔除保护层 施工 用修补砂浆BS39修补 调配 涂刷钢筋保护剂MSP 涂刷表面型迁移性阻锈剂 修复后效果 涂刷TECNOSOLID82 WP 涂刷泰美涂保护涂料AC100 日照港煤码头7 墩钢筋混凝土结构锈蚀 日照港煤码头主要以钢筋混凝土结构为主 由于长期受海水浸泡 干湿交替 日光曝晒 沿海盐雾 海生生物及潮湿空气的腐蚀 混凝土表面存在着大量的毛细孔及各种原因造成的细微缝隙 这些都是海水侵蚀码头混凝土的直接通道 混凝土孔隙中的水分通常以饱和的氢氧化钙溶液形式存在 其中还含有一些氢氧化钠和氢氧化钾 pH值约为12 5 海水环境下又含有较高浓度的氯离子 日积月累的作用使混凝土逐步形成表面多孔的腐蚀面 这种腐蚀面在海水的动力作用下更加速了混凝土表层腐蚀 如果腐蚀介质进一步渗透到钢筋并造成锈蚀就会对码头的结构严重破坏 造成巨大的损失 工程概况 发生的主要破坏情况 钢筋锈蚀 盐水侵蚀 混凝土开裂 某码头板梁底出现裂缝及钢筋锈蚀 华南地区某海港油气码头引桥使用仅8年 型板梁底出现明显裂缝及钢筋锈蚀 而 型板却基本完好请讨论其原因 工程概况 而 型板却基本完好 型板梁底出现明显裂缝及钢筋锈蚀 码头 型板梁混凝土不同深度Cl 分布情况 测试结果 从表中可见 随混凝土深度增加 Cl 含量依次递减 目前国外一般把混凝土内Cl 含量达到其致锈临界含量值时的时间 确定为混凝土的安全使用寿命 华南地区海港码头调查该值为0 105 0 145 该混凝土保护层设计厚度为5 5cm 且由于施工偏差 部分构件实际保护层厚度低于设计值 当海水中Cl 渗透进混凝土 使钢筋表面Cl 含量达致锈值时 锈蚀开始 腐蚀产物体积膨胀 使混凝土产生与钢筋平行的顺筋裂缝 乃至混凝土开裂 钢筋的电化学腐蚀迅速进行 取样标高为2 91 3 06m 原因分析 加拿大魁北克省拉瓦尔立交桥坍塌事故原因分析 该桥于2006年 月 日发生立交桥坍塌事故并造成5人死亡 6人受伤 这座建于1970年的立交桥设计寿命为70年 目前尚未发现任何设计方面的瑕疵 工程概况 拉瓦尔立交桥坍塌事故发生后 有关人员对全省境内的4500座立交桥进行了紧急普查 并确定其中20座将接受进一步检查 该市另一座建于同一时间并拥有同样结构的立交桥及蒙特利尔附近另一座桥梁 也因担心存在安全隐患而关闭 当地下雪频繁 桥面上撒的盐过多 使用情况 雪水渗透立交桥结构里面腐蚀钢筋 使其与混凝土脱离 才引发了事故 主要原因 事故后采取行动 最近几年我国桥梁坍塌事故 2011年7月以来 一系列桥梁塌陷事故纷至沓来 7月11日凌晨 江苏盐城境内328省道通榆河桥发生坍塌 12日 武汉黄陂一高架桥被发现引桥严重开裂 14日上午 通车不到12年的武夷山公馆大桥倒塌 15日凌晨 钱江三桥引桥桥面塌陷 19日凌晨 一辆重达160吨的严重超载货车造成北京市宝山寺白河桥塌毁 整个7月 脆弱的桥梁一个个倒下 压迫着公众的神经 人们用 桥脆脆 来比喻这些 年轻有为 的大桥 据相关统计 在2007年至2011年5年间 全国已经有至少17座大桥发生垮塌事故 造成156人死亡 88人受伤 23人失踪 台湾高雄市的情况 高雄市政府在96年9月至97年2月間針對69座橋樑隧道做目視檢測 其中有大順橋 民族橋等20座橋樑隧道分別有鋼筋鏽蝕 伸縮縫擴大 橫隔樑被管線通過破壞 等缺失 應在一年內做急迫性修復 且69座橋樑隧道中 其中33座都有鋼筋鏽蝕裸露的缺失 对桥梁进行混凝土中性化 碳化 檢測以定混凝土品質 甚至進行 橋樑承載力評估 也就是常說之 橋樑載重試驗 以確認橋樑之承載能力 钱江三桥引桥桥面塌陷事故分析 中国工程院外籍院士 著