钢筋混凝土锈蚀的原因与耐久性设计

钢筋混凝土锈蚀的原因与耐久性设计研究摘要:碳化和氯离子是引起混凝土结构中钢筋锈蚀的最主要原因,通过分析碳化的发生机理和影响因素及混凝土中氯离子的来源和诱发钢筋锈蚀的机理,提高混凝土结构耐久性的措施。分析混凝土结构耐久性失效带来的经济损失，制定相应的措施，以及减少混凝土耐久性失效造成的经济损失。关键词:碳化;氯离子;钢筋锈蚀;耐久性，经济损失。钢筋混凝土结构具有坚固耐久、力学行为稳定等优点，但是钢筋混凝土结构长期在使用环境中的作用下功能将逐渐衰退，直至最终的达到破坏。这是一个不可逆的过程，其实实质是一个耐久性的问题。耐久性问题不是直接由力学因素引起的,而是混凝土材料的物理化学作用的结果。其定义：结构在规定的使用年限内,在各种环境条件作用下,不需要额外的费用加固处理而保持其安全性、正常使用性和可接受的外观的能力。混凝土结构耐久性是基于材料耐久性的研究和深化,是材料耐久性的实际应用。钢筋混凝土结构耐久性能降低,影响工程结构的安全使用。造成耐久性降低的主要原因是混凝土的碳化和氯离子侵入造成钢筋的锈蚀，降低了钢筋的力学性能，在工程设计中采取钢筋防锈蚀措施,重视对混凝土结构中钢筋锈蚀问题的研究,对于提高混凝土结构的安全性和耐久性非常重要混凝土结构的耐久性问题已成为世界性问题.1）美国土木工程学会报告：美国现有29%桥梁，1/3道路老化，2100个水坝不安全，估计需1.3万亿美元改善状态.美国每年用于基础设施修复的费用约为这些设施总资产的10%。对于桥梁等生命线工程，因修复、更换造成交通延误造成间接经济损失是直接用于桥梁修复费用的10倍。2）据报道日本检查103座混凝土海港码头,凡是有20年以上历史的,都有相当大的顺筋开裂,需要修补。3）沙特阿拉伯东部输送冷却用海水的渠道钢筋混凝土墙和预应力混凝土虹吸管,处于特别严重的侵蚀环境,使用2～3年后因锈蚀使钢筋截面损失率达1/44）据估计发达国家，建筑工业总投资的40%以上用于现存结构的修理和维护。在经济损失方面一些西方发达国家吃了大亏.有关混凝土耐久性的研究，已经引起国内外学术界，工程界的极大的重视。自20世纪60年代开始，混凝土的结构的耐久性的研究成为国际学术机构或国际学术会议讨论的重要课题。混凝土的耐久性在中国的也日益受到重视，耐久性设计规范或是标准已经初具规模。钢筋锈蚀原因分析1.1碳化原因分析混凝土的微孔内含有可溶性的钙、钠、钾等碱金属及其氧化物,这些氧化物与微孔中的水起化学反应生成碱性很强的氢氧化物,为钢筋造成高碱性的环境条件(pH=12-13)。在此环境下,钢筋表面生成一层致密的、分子和离子难以穿过的“钝化膜”。钝化膜能完全覆盖钢筋表面,长期保持完好,钢筋表面不容易发生锈蚀。混凝土碳化：是大气中co2与混凝土中的碱性氢氧化物作用的结果:CO2+H2O=H2CO3H2CO3+Ca(OH)2=CaCO3+2H2O由于cao在微孔水溶液中是过饱和的,微孔中存在的ca(oH)2比溶入微孔水中的ca(oH)2多,因此当碳酸化反应开始后,微孔水溶液的pH能在12-13的正常水平维持一段时间，随着微孔中ca(oH)2的消耗和生成的caco3在水溶液中的沉淀,微孔水溶液的pH值明显降低。当pH=11.5时,钝化膜不再稳定;当pH=9=10时,钝化膜的作用完全被破坏,钢筋处于脱钝状态,锈蚀就有条件发生了。此时的pH值即为钢筋锈蚀的起始门槛值。影响混凝土碳化的因素(1)水灰比水灰比是决定混凝土孔结构与孔隙率的主要因素,游离水的多少还关系着孔隙饱和度的大小。因此,水灰比是决定CO2有效扩散系数及混凝土碳化速度的主要因素之一。水灰比增加,混凝土的孔隙率加大,CO2有效扩散系数扩大,混凝土的碳化速度加大。(2)水泥品种和用量水泥品种决定各种矿物成分在水泥中的含量,水泥用量决定单位体积混凝土中水泥熟料多少。两者是决定水泥水化后单位体积混凝土中可碳化物质含量的主要材料因素。3)外加剂混凝土中掺减水剂,能直接减少用水量;引气剂使混凝土中形成很多封闭的气泡,切断毛细管的通路。两者均可以使CO2有效扩散系数显著减少,从而降低碳化速度,(4)湿度与温度湿度通过温湿平衡决定着孔隙水饱和度,一方面影响CO2的扩散速度;另一方面,由于混凝土碳化都在溶液中或固液面上进行,湿度也是决定碳化反应快慢的主要环境因素之一。若环境湿度过高,混凝土接近饱和状态,则CO2扩散速度缓慢,碳化发展慢。但缺少碳化反应所需的液相环境,碳化难展。70%~80%的中等湿度碳化速度最快。温度升高加快CO2的扩散,温度的交替变化利于CO2扩散,促进碳化速度。(5)施工质量施工质量对混凝土的品质有很大影响。混凝土浇筑、振捣不仅影响混凝土的强度,而且直接影响密实性。调查表明:其他条件相同，施工质量差,混凝土表面不平,内部有裂缝、蜂窝、孔洞等,增加CO2在混凝土中的扩散路径,使碳化速度加快。1.2氯化物诱发钢筋锈蚀混凝土中氯化物的来源主要来源：氯化物速凝剂、早强剂，抗冻剂,海水进行混凝土搅拌时进入的海盐;海砂作骨料带入的海盐;海水溅湿混凝土结构,化雪除冰喷撒的粗盐;氯化物的锈蚀机理(1)局部酸化作用。(C1-)与阴离子(OH-等)共存、并竞相被吸附时,Cl-具有优先被吸附的趋势。钢筋钝化层表面的Cl-浓度远高于微孔水中Cl-的平均浓度。资料表明:Cl-的局部酸化作用,钢筋表面阳极电解液的pH值被局部降低到3.5左右。(2)形成“活化-钝化”锈蚀原电池。(C1-)半径小、活性大,常从膜结构的缺陷处渗进去将钝化膜击穿,直接与金属原子发生反应。露出的金属便成了“活化-钝化”锈蚀电池的阳极。这种小阳极、大阴极的锈蚀电池促成了所谓的小孔锈蚀,即坑蚀现象。试验表明:击穿电位是氯离子浓度的函数,随着氯离子浓度的增加,击穿电位将随之下降(3)催化剂作用。氯离子在钢筋锈蚀过程中起到加速锈蚀进程的催化剂作用。在氯离子的催化作用下,钢筋表面锈蚀微电池的阳极反应产物Fe2+被及时地“搬运”出去,不堆积在阳极区域堆。加速了钢筋的锈蚀。氯化物侵蚀一旦发生,就很难补救。(4)降低混凝土电阻的作用。氯化物侵入混凝土后,(Cl-)(Na+)、(Ca2+)等会参与混凝土中的离子导电,降低钢筋表面阴、阳极之间的混凝土电阻,提高锈蚀电池的效率,从而加速了钢筋电化学锈蚀的进程。2钢筋防锈蚀设计2.1保证混凝土有足够的保护层厚度混凝土的保护层阻止外界腐蚀介质的渗入,保护效果与保护层厚度有密切关系。适当加大保护层厚度是提高结构耐久性、延长结构寿命的重要措施。我国最新制定的GBJ50010—2002《混凝土结构设计规范》对混凝土最小保护层厚度的要求有很多改进,扩展了对不同使用环境的要求,但我国设计规范对环境恶劣情况下混凝土最小保护层厚度的要求依旧较低,在设计时应参照国外的数值相应提高。2.2正确选择材料混凝土在混凝土耐久性设计中,应当选用与腐蚀环境相适应的水泥品种。2.3添加钢筋阻锈剂钢筋阻锈剂是掺入混凝土拌合物中,通过化学反应,抑制钢筋表面阳极或阴极反应的一种外加剂,主要用于预防盐类的侵蚀。2.4采用环氧涂层钢筋在钢筋表面静电喷涂一层环氧树脂粉末,形成一定厚度的不渗透连续的绝缘层,隔离钢筋与腐蚀介的接触。我国制定了JG3042—1997《环氧树脂涂层钢筋产品标准》,并在工程中推广使用。环氧涂层钢筋可延长结构使用寿命20年左右，但其涂层钢筋应保证涂层应有最小厚度，以免影响正常固化和混凝土的黏结作用。2.5加强施工管理,重视使用阶段的维护对混凝土耐久性有重大影响的密实度、保护层厚度的变异性,在很大程度取决于施工质量。加强工程质量对提高耐久性有重要作用。在结构的使用阶段,应重视对结构的维护和管理,重视服役混凝土结构的检测和评估,必要时进行修理和加固。研究目标以及方向：混凝土耐久性的研究是一个多学科，多目标的系统工程，涉及材料，结构，数学，化学，以力学等多个领域，影响因素众多，涉及问题复杂。因此，分两个阶段进行研究。短期目标，针对钢筋混凝土结构耐久性失效的原因和特点，制定出切合实际的，为工程设计人员习惯的耐久性的耐久性的设计与施工规范。目前我国正在进大规模的基础性建设，钢筋混泥土结构会得到更加广泛的应用。在设计及施工的阶段考虑耐久性，其长远意义以及效益是不可以低估的。长期目标：分析混凝土结构组成材料，构件以及构建体系的三个层次的耐久性的研究，分析影响耐久性的因素，弄清其组成材料在不同环境下的破坏机理，失效原因，建立结构，材料，构件在多种荷载作用下耐久性的失效随机模型，最终制定出以概率论为基础在可靠度意义上的耐久性设计以及评价方法。并且制定一套详细的评估体系，作为混凝土结构耐久性鉴定的行业标准混凝土结构检测评估的重要意义（1）我国已步入基本建设向旧建筑物的维护改造阶段。正确诊断评价建筑结构的破损状态,预测可以继续使用的年限以期间的可靠度,有着重大的社会效益和经济效益。伴随着我国经济的大发展,大跨、高层及复杂工程结构的建设,使结构失效带来的损失风险增大。为了确保这些重要工程的正常运营和安全可靠,必须建立完善的监控和维护机制（2）地震、台风、火灾等自然或人为灾害也对工程结构造成重大损害,对灾后结构残余承载力进行评估为结构加固也是非常重要的。（3）对结构进行损伤诊断与健康监控,及时发现结构的损伤,对可能出现的灾害进行预测,和对受损结构进行评估已成为土木工程学科发展的一个重要领域。参考文献：（1）关于对桥梁