钢筋混凝土的腐蚀与预防措施

钢筋混凝土的腐蚀与预防措施摘要：钢筋混凝土结构的耐久性问题一直没有得到很好的解决,为此这方面的研究日益受到重视,外界恶劣环境的侵蚀,会使混凝土保护层受损、开裂和剥落,从而使混凝土内的钢筋产生锈蚀,降低构件的耐久性和结构的安全性,特别是沿海地区的地下混凝土结构中的钢筋锈蚀更为严重。本文提出了钢筋混凝土的腐蚀机理和防腐技术，并介绍了相应的防护措施,以提高钢筋混凝土的耐久性。关键词：钢筋混凝土；腐蚀；防腐技术；预防措施概述钢筋混凝土结构是目前应用较广的结构形式之一。随着建筑物的老化和环境污染的加重，钢筋混凝土结构耐久性问题越来越引起国内外广大研究者的关注。在第二届国际混凝土耐久性会议上，Mehta教授指出："当今世界混凝土破坏原因，按递减顺序是：钢筋腐蚀、冻害、物理化学作用"。他明确地将"钢筋腐蚀"排在影响混凝土耐久性因素的首位。而来自海洋环境的氯盐和用于化冰雪的除冰盐，又是造成钢筋腐蚀的主要原因。美国1984年报道，仅就桥梁而言，57.5万座钢筋混凝土桥，一半以上出现钢筋腐蚀破坏，40%承载力不足和必须修复与加固处理，当年的修复费为54亿美元；1988年报道，钢筋混凝土腐蚀破坏的修复费，一年要2500亿美元，其中桥梁修复费为1550亿美元（是这些桥初建费用的4倍）。加拿大早期大量使用除冰盐，使钢筋混凝土桥梁等破坏严重。欧洲、澳大利亚、海湾国家等，都有以氯盐为主的钢筋腐蚀破坏问题，其中英国修复费为每年50亿英镑。韩国曾发生一系列建筑物破坏、倒塌事件，其中很多也与"盐害"有关。在我国已经发现许多海港码头的混凝土梁、板使用不到10年已普遍出现顺筋锈胀开裂、剥落。北京、天津的许多立交桥，因为冷天撒盐化冰雪也日益暴露出严重的钢筋腐蚀问题，不得不斥巨资修复。钢筋混凝土腐蚀机理的分析2.1硫酸盐对混凝土腐蚀作用机理Na2SO4,MgSO4等硫酸盐与混凝土中水泥的水化产物Ca(OH)2反应生成:1)钙矾石(3CaO•Al2O3•3CaSO4•31H2O),一种针状结晶体,固相体积是原来的1.5倍,由于是在固化了的混凝土中发生反应。因此,在混凝土内形成膨胀应力而引起混凝土结构的破坏。2)Mg(OH)2,一种白色松软的不定形物质,会使水泥浆体的结构遭到破坏。3)氯化钙和石膏,其溶于水后会造成混凝土的浸析增加。4)硅酸镁水化物,其与硅酸钙水化物的取代反应会使混凝土强度下降。2.2氯离子对钢筋的腐蚀作用机理混凝土在水化作用时,水泥中氯化钙生成氢氧化钙,使混凝土中含有大量的OH-,使pH值一般可达到12~14,钢筋在这样的高碱环境中,表面容易生成一层致密的钝化膜。研究结果表明,这种钝化膜能阻止钢筋的锈蚀,只有这层膜遭到破坏后,钢筋才开始锈蚀。破坏钝化膜钝化膜只有在高碱性环境中才是稳定的。当pH值小于一定的数值时,就会难以生成钝化膜或已经生成的会逐渐受损。Cl-进入混凝土中并到达钢筋表面,局部钝化膜开始破坏,发生钢筋腐蚀。氯离子导电作用由于混凝土结构中氯离子的存在,降低了阴极、阳极间的电阻,强化了离子通路,提高了腐蚀电流的效率,从而加速了钢筋的电化学腐蚀过程。形成腐蚀电流Cl-对钢筋表面钝化膜的破坏,使某些部位露出铁基本体,与尚完好的钝化膜区域之间构成电位差。大面积的钝化膜区作为阴极发生还原反应,铁基体作为阳极而受到腐蚀。腐蚀由局部开始逐渐在钢筋表面扩展。氯离子的阳极去极化作用加速阳极过程者,称做阳极去极化作用,Cl-具有这样的作用:阳极:Fe—2e=Fe2+,Cl-与Fe2+相遇生成FeCl2,使Fe2+消失,从而加速阳极反应。但是FeCl2是可溶的,在向混凝土内扩散遇到氢氧根离子发生反应,最后可氧化成铁的氧化物。在这个过程中,Cl-只起“搬运”作用,而不被“消耗”。因此,混凝土中的Cl-会周而复始的起破坏作用。与水泥的作用对钢筋的锈蚀影响在一定的条件下,氯盐可与水泥中的铝酸三钙生成不溶性“复盐”,可以降低Cl-含量,同时降低硫酸盐与铝酸三钙作用而发生“膨胀”破坏。但当混凝土的碱度降低时,“复盐”会分解重新释放出Cl-,对钢筋产生腐蚀。3钢筋混凝土防护措施通过上面腐蚀机理的分析,要提高钢筋混凝土的耐久性就要做到:保持混凝土的高碱度;提高混凝土的密实度,增强抗渗能力;控制SO42-,Cl-的含量。3.钢筋在盐环境中的防腐技术3.1防腐技术研究防腐技术的目的，在于使结构物从投入使用，到内部的钢筋开始锈蚀的时间尽可能的接近设计寿命。要想完全避免Cl－的腐蚀，最理想的方法就是从根本上保证混凝土与氯盐环境隔绝，事实上这是不可能的。重要的是如何有效地控制氯盐的总量，使之限定在规定的范围之内。依据钢筋在氯盐环境中的电化学行为的研究结果和腐蚀机理，认为凡是能够有效的阻止混凝土PH值下降、保证钢筋界面上的钝化膜不活化、维持界面双电层的电位恒定、避免钢筋表面去极化的发生，就能够有效地控制腐蚀的发生，也即防腐技术。本文就防腐技术归纳如下：（1）混凝土中Cl－总量限定值所谓“限定值”是指混凝土中所允许的最大值。研究表明，Cl－的总量限定值应小于0.18％（普通混凝土水泥重量百分比），折合为0.55kg／m3，该值相当于美国（ACI）的限定值，比日本土木学会的规范值低8％，研究结果与美、日发达国家规范值基本上是一致的。此外Cl－的总量还直接影响着其在混凝土中的扩散速率，扩散过程可用下列方程描述：（2）可利用正态分布求出。这样，利用扩散方程可以将Cl－扩散与使用年限建立起关系，进而据此进行混凝土耐久性设计或检验评估，同时也确定了扩散速率与Cl－浓度的关系。（3）限定钢筋界面的电流密度和酸碱度限定钢筋界面的电流密度是保证电位恒定的基本指标，即钢筋界面保护膜钝化状态向活化状态转化的临界值。该临界值不小于10A／cm2.而强碱性则是钢筋界面保护膜的最佳环境条件，酸碱度的最佳值不小于11.5.（4）限定混凝土裂缝宽度和水胶比混凝土裂缝使腐蚀介质通过混凝土保护层，进入到钢筋表面。必须对混凝土保护层裂缝的宽度加以限制，对高性能混凝土裂缝的限定值为0.2mm.对普通混凝土该值要适当减小。而对混凝土本身要减小Cl－的扩散速度，必须减小混凝土的渗透性，控制混凝土渗透性最有效的方法是控制其水胶比，一般限制在0.35～0.45.3.2水泥和骨料材料的选择水泥是配置抗腐蚀混凝土的关键原料。为提高混凝土抗SO42-腐蚀性和抗裂性能,选用含C3A、碱量低的普通硅酸盐水泥和坚固耐久的洁净骨料。并控制水泥和骨料中Cl-的含量;要重视单方混凝土中胶凝材料的用量和混凝土骨料的级配以及粗骨料的粒形要求,并尽可能减少混凝土胶凝材料中的硅酸盐水泥用量。3.3掺入高效活性矿物掺料活性矿物质掺料中含有大量活性SiO2及活性Al2O3。由于现在水泥产品的细度减小、活性增加,使得水化反应加速、放热加剧、干燥收缩增加,导致混凝土温度收缩和干缩产生的裂纹增加。将二级粉煤灰,S95级矿粉复合掺入混凝土中,可以减少热开裂,提高抗渗性,降低混凝土中钙矾石的生成量。3.4掺入高效减水剂一般情况下,材料的组合与配合比中对混凝土抗渗性最具影响力的因素是水灰比。因此在保证混凝土拌合物所需流动性的同时,应尽可能降低用水量。加入减水剂可以使水泥体系处于相对稳定的悬浮状态,在水泥表面形成一层溶剂化水膜,同时使水泥在加水搅拌中絮凝体内的游离水释放出来,达到减水的目的。天津地铁2号线的具体施工中掺入了DF-6缓凝高效减水剂,以降低水灰比,增加混凝土的密实性。3.5掺加防腐剂针对地下水同时含SO42-,Cl-,采用SRA-1型防腐剂,可以将水泥抗硫酸盐极限浓度提高到1500mg/L。因为,其中的SiO2与水泥的水化产物氢氧化钙生成水化硅酸钙凝胶,降低硫酸盐腐蚀速度;次水化反应也减少氢氧化钙的含量,降低液相碱度,从而减少了硫酸根离子生成石膏的钙矾石数量,减缓了膨胀破坏。同时它还相对降低水泥中铝酸盐的含量,它的氯离子渗透系数为抗硫酸盐水泥的0.1,为普通硅酸盐的0.5,所以SO42-和Cl-并存时,它更有利于抵抗盐类腐蚀。4.预防措施（1）严把检测关、增厚保护层建议质检部门把“新拌砂浆法”和“硬拌砂浆法”作为工程质检的必测过程。使原材料中所含氯盐总量控制在限定值之内。而仅仅靠自身带入的氯离子不足以造成钢筋的锈蚀。在此基础上适当提高保护层的厚度。大量工程实践和试验表明，处于氯盐环境中的混凝土表面12mm深度内的氯离子浓度远远高于25～50mm深度范围。因此在氯盐环境中的工程，混凝土保护层的厚度应不小于38mm，最好是不小于50mm，考虑到施工偏差，设计保护层厚度应选择65mm.（2）优选原材料和阻锈剂在选择水泥时尽量选择矿渣、火山灰、粉煤灰水泥。这些水泥中的水泥石Ca（OH）2含量低，能够预防氯盐对水泥石的溶解和溶出，并防止氯盐与水泥石发生碱集料反应，生成低强度、低胶结力的膨胀盐，以及由此产生的混凝土松散、露骨和脱落。粗骨料应尽量选择高碱性的碳酸岩碎石，它一方面能与水泥有高强度的胶结力，另一方面能形成高碱性的环境，使钢筋界面的钝化膜长期处于钝化态。细骨料要尽量采用河砂以防止海砂带入氯盐。在此基础上优选适合于工程特点的钢筋阻锈剂，建议使用NaNO2复合型阻锈剂，这种碱性阻锈剂在碱性环境中可生成Fe3O4氧化膜，阻止Cl－离子对钢筋的腐蚀。（3）采用三组分胶结材料及涂层降低腐蚀介质在混凝土中的渗透性，是防止Cl－进入钢筋表面最直接的方法之一。通常采用的方法是在混凝土中掺加一定量的微硅粉、粉煤灰或磨细矿渣。水泥、微硅粉、粉煤灰称为三组分胶结材料。三组分材料制成的混凝土，具有极低的渗透性并具有很高的抗Cl－渗透能力，同时具有低热、经济等优点。微硅粉可以提高混凝土的耐磨性，微硅粉和粉煤灰能有效降低活性集料含量及总碱量，从而避免碱集料反应发生。此外混凝土表面涂层是防止钢筋锈蚀的第一道防线。混凝土表面的涂层能在一定时期内有效防止腐蚀介质浸入，但因其使用寿命的限制，而不能广泛使用。目前与混凝土寿命匹配的水泥基聚合物涂层、砂浆层成为混凝土表面保护层的首选。（4）禁止使用含氯盐的融雪、化冰剂对于已成型的结构物而言最重要的是禁止在结构物表面直接接触氯盐。我国长江以北地区喷洒氯盐融雪化冰的势头有增无减，因此有必要建立一套关于融雪化冰剂的检测规程和技术标准，授权于相关质检部门对市场上的所有融雪剂进行强制性检查，合格者进入市场，CI－超标者禁止进入市场。5.结语（1）混凝土中的钢筋锈蚀已构成影响钢筋混凝土结构物耐久性的最主要原因，给世界各国造成了巨大损失。必须认识到防腐技术和预防措施的紧迫性。（2）以氯盐作为融雪、破冰剂的屡禁不止，是导致结构物过早破坏的直接原因。有关部门必须把预防钢筋锈蚀的具体措施落实到实处。如能将钢筋锈蚀快速试验方法应用到每一个工程施工的全过程，将给防腐技术带来一次革命，必将带来巨大而又长远的经济效益。为提高混凝土的耐久性,选用了优质原材料,除水泥、水和骨料,并掺入了足够数量的矿物集料和高效减水剂,这样就减少了水泥用量、混凝土内部空隙率以及体积收缩;并结合施工天气,加强施工各环节控制,提高了其耐久性。但是混凝土是水泥、砂、石、水等多成分构成的一种性能多样化的材料,其性能不仅与组成材料有直接关系,而且还与施工技术,所处环境及维护条件等因素有关。虽然目前国内外已经在受腐蚀钢筋混凝土结构的性能方面开展了一些研究，做了不同腐蚀情况下钢筋混凝土受弯构件、大小偏心受压构件、钢筋与混凝土粘接试件的试验等，并进行过一些有限元分析，得出了构件承载力和变形性能随钢筋腐蚀量的增加而不同程度降低的结论。但是对受腐蚀钢筋混凝土结构抗剪性能、动力性能的研究仍然极少，特别是对受腐蚀钢筋混凝土结构疲劳性能的研究几乎还是空白,因此研究的工作难度大,进展慢。在这方面还需要做大量的研究工作,以便满足和适应当前建筑市场的需要。参考文献:[1]GB50046-95,工业建筑防腐蚀设计规范[S].[2]张信鹏,王德森.耐腐蚀混凝土[M].北京:化学工业出版社,1989.[3]洪乃丰.海砂的利用与钢筋锈蚀的防护[J].建筑技术,1996(1):27-28.[4]洪乃丰.氯盐与钢筋腐蚀破坏[J].工业建筑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