混凝土结构外露金属耐久性研究进展

1、第 19卷第 4期宁波工程学院学报 Vol . 19No . 42007年 12月 JOURNALOF N I N G BOUN I V ERSI TY OFTECHNOLOGY Dec . 2007收稿日期 :2007-10-13作者简介 :高明赞 , 男 , 宁波工程学院化学工程学院 。混凝土结构外露金属耐久性研究进展高明赞 , 徐天宁 , 蒋海平 , 干伟忠(宁波工程学院 , 浙江 宁波 315016摘 要 :混凝土结构中外露金属腐蚀是混凝土结构耐久性的影响因素之一 , 外露金属包括暂时外露金属和永久外 露金属 。 本文对通过对这两部分金属腐蚀机理 、 腐蚀因子 、 腐蚀行为的评价及腐蚀

2、防护措施等几方面进行了综述 , 并探 讨了研究的发展趋势 。关键词 :混凝土结构 ; 外露金属 ; 腐蚀 ; 进展中图分类号 :T U37文献标识码 :A 文章编号 :1008-7109(2007 04-0042-05混凝土结构是世界上使用最为广泛的结构形式 , 120亿吨 , 但 在应用上较多被关注的是与承载能力相关的安全问题 , 劣化 。 达 700亿美元 , 加拿大的全部修复费要超过 , 720-1440亿元 。 可见 , 。, 主要有 :混凝土受 CO 2作用引起的碳化 ; 混凝土中的碱 混凝土在饱和状态下因冻融循环产生的冻融破坏 ; 混凝土在侵蚀 ; 还有使用除冰盐和沿海混凝土结构中

3、受氯离子侵蚀的腐蚀破坏等 。学者 们对此进行了大量的研究 。 然而目前对混凝土结构外露金属耐久性的研究还稀有报道 。 本文就此方面 的进展作简要的综述 。混凝土结构中外露金属包括暂时外露金属和永久外露金属 , 这些金属的腐蚀会对整个混凝土结构 的耐久性有一定程度的影响 , 通过对这部分金属腐蚀机理的研究 , 并采取相应的措施 , 以提高混凝土 结构乃至整体结构的耐久性 。1外露金属腐蚀现状混凝土结构工程中外露金属腐蚀主要出现在工程建设施工期间暂时外露金属腐蚀和与混凝土结构 相连的永久外露金属腐蚀 。混凝土结构工程建设施工期间的外露金属腐蚀有两种情况 :一是结构在施工阶段由于施工速度的 限制 ,

4、 使得混凝土内钢筋等金属必须暂时暴露在外环境中 , 而导致这部分金属受腐蚀 ; 二是许多混凝 土结构在施工中由于种种原因需要暂停一段时间 , 有时几月 , 有时多达数年 , 那些预留的钢筋以及场 内露天堆放已加工好及待加工钢筋将会暴露在外环境中 , 虽然停工时会对其表面做一些简单的处理 , 但还会使钢筋出现不同程度的锈蚀 。 前者 , 金属在外环境中暴露的时间相对较短 , 出现的腐蚀程度也 较轻 ; 而后者 , 金属暴露时间较长 , 腐蚀会更加严重 , 钢筋表面逐步锈蚀 。个别锈蚀严重 , 出现麻坑 , 将严重影响钢筋使用性能 。混凝土结构永久外露金属腐蚀也包括两种情况 , 一是对混凝土结构起

5、受力作用的金属 , 例如斜拉高明赞 , 等 :混凝土结构外露金属耐久性研究进展桥或悬索桥的钢索部分 , 因其本身的作用限制必须暴露在自然环境中 , 虽然表面进行了防腐处理 , 但 长期经酸雨 、 盐雾等大气中有害物质的侵蚀 , 表面保护层剥落 , 开始大面积腐蚀 , 情节轻微的降低桥梁 使用年限 , 严重的最后导致工程事故 。如 2001年宜宾小南门桥 , 因吊杆节点腐蚀导致桥面局部倒塌 等 。 二是对整体结构不起承载作用的部分 , 例如避雷针 、 栏杆 、 路灯 、 落水管 、 网架等 , 一般都是在金属 表面采用涂刷油漆进行防腐 , 但经半年或一年后 , 使涂层起泡 、 锈透 、 脱落 ,

6、 导致金属结构严重腐蚀 , 一方面需要对其进行长期的维修或多次更换 , 增加了维护成本 , 另一方面影响了整个混凝土结构的耐 久性 。2金属腐蚀机理根据金属腐蚀的机理 , 可将混凝土外露金属的腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀 。2. 1化学腐蚀化学腐蚀是根据化学的多相反应机理 , 金属表面的原子直接与反应物 (如氧 、 水 、 酸 的分子相互作 用 。 这类反应比较简单 , 仅仅是金属跟氧化剂之间的氧化还原反应 。例如 ,针 、 栏杆等外露钢材在氧气 、 酸作用下发生腐蚀 , 反应式见 (1 式 : Fe +2H +=Fe 2+H2 (12. 2电化学腐蚀电化学腐蚀是最常见的腐蚀 , , 如在自然

7、条件下 (如海 水 、 土壤 、 地下水 、 潮湿大气 、 酸雨等 。因此 , 在对混凝土结构外露金 。 下面就以钢结构为例 , 介绍钢铁的电化学 腐蚀 。, 但在潮湿的空气里 , 金属经过一定时间就会锈蚀 , 其 , 结露会使钢铁表面形成一层水膜 , 空气中的氧气 、 二氧化 碳 、 盐类等会溶解在这层水膜中 , 生成导电性能良好的电解质溶液 。而钢铁中一般都含有炭 , 于是构 成了铁为阳极 、 炭为阴极 、 水膜为电解质溶液的很多微小原电池 。 在负极发生的电极反应为 (2 式 : Fe -2e Fe 2+ (2在阴极发生的反应有两种 , 如果水膜的酸性很弱或者呈中性 , 就由溶解在水膜里

8、的氧气作为氧化剂 , 它在阴极上发生电极反应方程式见 (3 式 , 这种腐蚀称为吸氧腐蚀 , 钢铁等金属的腐蚀主要是吸氧腐蚀 。 O2+2H 2O +4e - 4OH - (3阳极附近生成的 Fe 2+向周围水溶液扩散 、 迁移 , 阴极附近生成的 OH -扩散到阳极 , 与阳极附近的 Fe 2+反应生成 Fe (OH 2, Fe (OH 2被进一步氧化成 Fe (OH 3, Fe (OH 3脱水后变成疏松 、 多孔的红锈 Fe 2O 3, 在少氧的情况下 Fe (OH 2氧化不完全 , 部分生成黑锈 Fe 3O 4。 反应方程式为 : Fe 2+2OH - Fe (OH 2 (4 4Fe (

9、OH 2+O 2+2H 2O 4Fe (OH 3 (5 2Fe (OH 3 Fe2O 3+3H 2O (6 6Fe (OH 2+O 2 2Fe 3O 4+6H 2O (7另一种情况是 , 由于在水膜里溶解了较多的酸性气体 , 如二氧化碳 、 二氧化硫 、 氮氧化合物等 , 水膜里 的 H +浓度较大 , 水膜的酸性较强 , 这时就由 H +作为氧化剂 , 它在阴极发生的电极反应方程式为 (8 式 ,这种腐蚀称为析氢腐蚀 。 2H +2e H2 (83外露金属腐蚀的影响因素影响外露金属腐蚀的因素很多 , 可分为结构因素和环境因素 。结构因素有 :所使用金属的材料 、 34宁 波 工 程 学 院

10、学 报 2007年第 4期设计是否合理 、 防腐措施等 。 环境因素有 :大气污染程度 、 平均相对湿度 、 温度 、 金属表面含氧量 、 盐度 等 , 这些因素都是影响金属腐蚀的关键 。3. 1结构设计金属结构设计不合理导致的腐蚀有很多 :当结构采用几种不同电位的金属相互搭接时 , 电位较负的 金属腐蚀速度加大 , 而电位较正的金属腐蚀速度减缓和受到保护 , 就形成电偶腐蚀 ; 构件采用螺钉 、 铆 、 焊等方式连接时 , 在这些连接件或焊接接头缺陷处可能出现狭窄的缝隙 , 会使溶液进入缝宽内 , 使缝 内金属与缝外金属构成短路原电池 , 并且在缝内发生强烈的腐蚀 , 就形成了以局部腐蚀为主

11、缝隙腐 蚀 ; 除此之外还有由拉伸应力和腐蚀介质联合作用而引起的低应力脆性断裂应力腐蚀 、 冲击腐蚀 、 晶间 腐蚀 、 磨蚀等等 。3. 2大气污染程度大气中 CO 2 、 S O2、 尘埃等物质的含量反映了大气的污染程度 。 当大气中含有过量的 CO2和 S O 2等酸性气体时 , 可导致降水中 pH 值下降而呈酸性 , 酸性降水可直接对大气中的外露金属进行腐蚀 。还有 尘埃 , 金属表面积灰后比清洁表面容易引起锈蚀 , 在积灰的表面上 , 尘粒的四周更容易形成结露 , 其 原因可能跟尘粒与钢表面之间形成缝隙的毛细凝聚作用有关 。3. 3温度温度对金属腐蚀速率的影响较为复杂 , 恒定湿度下

12、 , , 促 进金属腐蚀破坏 。 但是 ,挥发 , 以此方式降低润湿时间 , , 大气中的水蒸汽压超 过饱和蒸汽压时 , , 形成水膜 , 有利 于金属腐蚀 , 然而 , 。3. 4湿度在潮湿 , 。反之 , 腐蚀较轻 。原因是大气的湿度会直接影响金属表 面结露 , , 湿度越大 , 结露越容易 。研究表明 , 湿度越大 , 结露越容易 。相对 湿度 30%时不出现结露 , 40%时只有十分细小的露珠 , 结露速度很慢 , 50%以上时才有显著的结露 。 金属表面锈层的湿润时间也是腐蚀的最重要的影响因素 , 影响锈层湿润的所在的环境因素对长期 的大气腐蚀有影响 。3. 5含氧量从金属腐蚀机理可

13、知 , 金属腐蚀基本都需氧气参与反应 , 许多常用的金属来说 , 氧含量越高 , 腐 蚀速度越快 。 水环境与大气环境相比其含氧量要低得多 , 含氧量还会随着温度升高而下降 , 所以金属 在水中要比大气中腐蚀更轻 。3. 6氯盐各种金属在海洋大气中的腐蚀均明显超过在内陆大气中 。 海洋大气有较强的腐蚀性 , 一般归因于 其中的盐粒促进了金属腐蚀过程 , 其中 , 以氯盐为代表 。Cl -离子最重要的一方面是具有吸湿作用 , 另一方面具有破坏表面锈层致密性作用 。研究表明 , 首先是容易结露 , 接着形成薄层水膜 。 溶解在凝结水中的氯化物提高了介质的电导率 , 强化了腐蚀电 池的作用 , 同时

14、 Cl -会破坏金属表面的钝化膜 , 产生可溶性的腐蚀产物 。大气中盐粒子的含量是影响 大气腐蚀性的主要环境因素 。 根据最近 40年来世界各地海洋大气盐粒沉降量与碳钢腐蚀的关系 , 再 次验证了盐粒促进腐蚀的现象 。 至海边的距离是沿海地区大气腐蚀最重要的影响因素之一 , 距离海岸 250m 处钢铁的腐蚀速度比 2500m 处大 10倍以上 。 进一步研究发现腐蚀速度随着这一距离按指数关 系而降低 。44高明赞 , 等 :混凝土结构外露金属耐久性研究进展4金属腐蚀试验方法4. 1化学浸泡试验把金属材料制成特定形状和尺寸的试片 , 在选定的介质中浸泡一定时间 。取出后 , 通过称重 、 表 观

15、检查 、 测量蚀孔深度 、 考察力学性能或分析溶液成分等方法 , 评定金属材料的腐蚀行为 。根据试片与 溶液的相对位置 , 分为全浸试验 、 半浸试验和间浸试验 。4. 1. 1全浸试验 :在实验室试验时 , 将试片完全浸入溶液 , 严格控制各种影响因素 , 试验时悬挂于 溶液中不同深度的孤立小试片的腐蚀效应与延伸于不同深度的长尺度试片的腐蚀效应是不同的 , 因为 后者由于充气差异而形成宏观腐蚀电池效应 。 在自然水中的全浸试验是把试片安装在框架中 , 集装于 吊笼内 , 浸入相同深度的水中 。 试片彼此之间绝缘 , 并与框架绝缘 。试片主平面应平行于水流方向 , 互 不遮蔽 。4. 1. 2

16、半浸试验 :半浸试验又称水线腐蚀试验 。 试片的一部分浸入溶液 , 使试片的尺寸保持恒定 , 使气相和液相交界的 “ 水线 ” 长期保持在试片表面的固定位置上 , 在 “ 水线 ” 附近可以观察到严重局部腐 蚀 。 自然水中的半浸试验往往把装有试片的框架固定在浮筒或浮筏上 。4. 1. 3间浸试验 :使试片按照设定的循环程序 , 又称交替浸泡试 验 。 试验时需严格控制环境的温度和湿度 ,是把安装有试片的框架固定在专用的间浸平台上 , 、 。4. 2盐雾试验, 该方法借助于压缩空气 将盐溶液吸入喷嘴 , 。因 NaCl 盐雾是强腐蚀 并伴有氧和水分 , 。 按盐溶液的成分不同可把盐雾实验分为中

17、性盐雾 试验 (NSS 法 (ASS 法 和铜醋酸盐雾试验 (CASS 法 等 3种 。4. 3, 试验结果与金属实际腐蚀相近 , 但试验时间较 长 。 主要试验设备是大气曝晒架 , 试片平面朝南 , 在海岸暴露时往往面向海洋 。 试片与垂直面成 30° 45°角 , 大尺寸试片有时也垂直悬挂 。 一般通过称重 、 表面观察检查 、 力学性能分析等确定试验结果 。5外露金属的防腐暂时外露金属与永久外露金属的防腐措施有所不同 , 防止金属腐蚀的一个简单原理 , 就是把金属 和腐蚀性的环境相隔离 。5. 1暂时外露钢筋保护近年来因各种原因 , 停建的工程项目增多 , 其中以钢筋

18、混凝土框架 、 剪力墙结构的大型工程居多 。 这些主体结构停建后剪力墙 、 柱等结构的钢筋必须留置 , 以便日后续建 , 还有在工地上的未加工钢筋 和已加工的钢筋 , 对这些裸露的钢筋应采取有效的防腐措施 , 如果防护措施或防护方法不当 , 将造成 钢筋严重锈蚀 , 甚至削弱钢筋的断面面积 。新浇混凝土以上外露部分的钢筋 、 型钢柱在除锈后直接在钢筋表面涂刷苛性钠水泥浆保护层作防 护 , 其防护效果主要取决于该种水泥砂浆的配合比 、 厚度及施工质量等 , 因此 , 在施工时应严格加以控 制管理 , 确保防护效果 。 此方法适用短期暂时外露钢筋防腐的保护 , 时间长钢筋依然会锈蚀 。除此之 外还

19、有 T N -922G 防锈防腐涂层法和在钢筋表面喷锌发 。 T N -922G 防锈防腐涂层 , 该方法防腐时间 适中 , 施工时去除涂层容易 , 效果好 , 目前以在三峡大坝得以应用 。钢筋表面喷锌 , 此方法适用长期 保护 , 但今后恢复施工时不易去除 , 会影响钢筋与混凝土之间的粘结力 。场外露天堆放的型钢柱的防护由于场外露天堆放的型钢柱量大场地小 , 不能全面进行水泥砂浆防 护 , 因此仅将堆放场地四周降低并平整 , 外侧四周做成 1m 宽 、 坡度不小于 2. 0%的水泥砂浆面散水 , 54宁 波 工 程 学 院 学 报 2007年第 4期并与临时排水沟相接 , 以便雨水及时排走

20、。 若条件许可 , 搭设临时防护棚进行防护更好 。另外在靠近 地面处型钢柱面上每隔 2. 0m 左右靠接 1根镁条 , 采取阴极保护法减少型钢柱生锈 , 把腐蚀降到最低 限度 。5. 2永久外露钢筋保护工程中对与永久性外露的金属可采用以下方法进行防腐 :(1 在金属表面采用耐腐蚀性非金属物质涂层 , 如油漆 、 喷漆 、 搪瓷 、 陶瓷 、 玻璃 、 沥青 、 高分子材料 等 , 涂在要保护的金属表面上 , 使金属与腐蚀介质隔离 。(2 采用不易腐蚀的金属 。 如采用不锈钢 、 合金材料等 , 但此方法的修建费用要比使用普通钢材 要高 , 其性能也有所差别 。(3 阴极保护法与阳极保护法 。阴

21、极保护法是在易腐蚀金属表面喷镀耐腐蚀性金属 , 如镀锡铁 板 。 阳极保护法是在易腐蚀金属表面喷镀比基体金属电极电位低的标准金属保护层 , 如镀锌铁板 。就 保护层将金属和环境隔离的作用而言 , 两种保护层无原则区别 。但当保护层受到损坏变得不完整时 , 情况就不同了 。 阴极保护中将使基体金属成为阳极 , 造成孔蚀 。而阳极保护中 , 直到镀层受到相当大 的破坏时 , 基体金属才开始腐蚀 。综上所述 , 在多种腐蚀因素的共同作用下 , , 对此 , 学 者也做了少量研究 , 并提出了部分有效的防护措施 。 ,究还是远远不够 , 有效防腐措施过少 ,因此 , ,环境下的有效防腐措施和技术 ,的

22、预算 , 。参考文献 :1李续业 , 新型混凝土实用技术手册 M.北京 :化学工业出版社 , 2005.2薛伟辰 . . 工业建筑 , 1999(12 .3张誉等编著 . 混凝土结构耐久性概论 M.上海 :上海科学技术出版社 , 2003.4王春生 , 陈惟珍 , 陈艾荣 . 桥梁损伤安全评定与维护管理策略 J .交通运输工程学报 , 2002(4 .5徐乃欣 , 等 . 研究大气腐蚀金属表面结露行为的新技术 J .中国腐蚀与防护学报 , 2001(5 .6加 R.温斯顿 . 里维 (Revie, R. W. 主编 . 杨武等译 . 尤利格腐蚀手册 M.北京 :化学工业出版社 , 2005.7

23、朱相荣 , 王相润等编著 . 金属材料的海洋腐蚀与防护 M北京 :国防工业出版社 , 1999, 117.8Morcillo M , Chico B , O ter o E ,M ariaca L. Effect of marine aer os ol on at m os pheric corr osi on J .M aterials Perfor mance , 1999, 38(4 :72.9Corrosi on and Pr otecti on Comm ittee of Japan S ociety ofMaterials ed . Corr osi on Cases and TheirAnlysis M. Japan:Japan 2 Takusan Publishing House , 1988, 10.10Feliu S ,Morcill o M , Chico B. Ef