混凝土碳化引起鋼筋銹蝕的試驗研究

趙文娟

1 概述

1.1 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性

混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足安全性、適用性和耐久性這三方面的要求。混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性是指在設(shè)計和使用年限內(nèi)，在正常維護下，結(jié)構(gòu)必須保持適合于使用，而不需要維修加固。混凝土結(jié)構(gòu)廣泛用于各類工程結(jié)構(gòu)中，如果因耐久性不足而失效，或為了繼續(xù)正常使用而進行相當規(guī)模的維修、加固和改造，則要付出高昂的代價。保證混凝土結(jié)構(gòu)能在自然和人為環(huán)境的化學和物理作用下，滿足耐久性的要求，是一個十分迫切和重要的問題。

1.2 影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能的主要因素

影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素，主要有內(nèi)部原因和外部原因兩個方面。內(nèi)部因素主要有混凝土的強度、密實性、水泥用量、水灰比、氯離子及堿含量、外加劑用量、保護層厚度等;外部因素則主要是環(huán)境條件，包括溫度、濕度、二氧化碳含量、侵蝕性介質(zhì)等。出現(xiàn)耐久性能下降的問題，往往是內(nèi)外部因素綜合作用的結(jié)果。

2 混凝土的碳化與鋼筋的銹蝕

2.1 混凝土的碳化

理論分析和試驗分析表明，在大氣環(huán)境下，混凝土的碳化深度與時間的關(guān)系為:

其中，X為碳化深度;Dk為CO2的擴散系數(shù);C為混凝土表面的濃度;b為單位體積混凝土碳化所需的CO2含量;K為混凝土碳化系數(shù)，與結(jié)構(gòu)所處的自然環(huán)境和使用環(huán)境、水泥品種、結(jié)構(gòu)混凝土質(zhì)量及混凝土早期養(yǎng)護條件有關(guān);t為混凝土暴露時間，年。

2.2 鋼筋的銹蝕

混凝土碳化至鋼筋表面使氧化膜破壞是鋼筋銹蝕的必要條件，含氧水分侵入是鋼筋銹蝕的充分條件。建筑中通常用的鋼材為碳素結(jié)構(gòu)鋼和結(jié)構(gòu)低合金鋼，其化學組成除Fe外，還含有少量其他金屬(Mn，V ，Ti)和非金屬(Si，C，S，P，O)元素并形成固熔體 、化合物或機械混合物的形態(tài)共存于鋼材結(jié)構(gòu)中;此外還有許多晶界面和缺陷。鋼筋表面氧化膜破壞后，當鋼材表面從空氣中吸收溶有二氧化碳的水分，形成一種電解質(zhì)的水膜時，就會在鋼材表面層的不同成分或晶界面之間構(gòu)成無數(shù)微電池。陽極和陰極反應(yīng)構(gòu)成整個腐蝕過程，這即為電化學腐蝕。最初的混凝土孔隙中充滿了飽和Ca(OH)2溶液，它使鋼筋表層發(fā)生初始的電化學腐蝕，該腐蝕物在鋼筋表面形成一層致密的覆蓋物，即 Fe2O3和Fe3O4，這層覆蓋物稱為鈍化膜，在高堿性環(huán)境中，即pH≥11.5時，它可以阻止鋼筋被進一步腐蝕。當混凝土碳化深度超過保護層達到鋼筋表面時，鋼筋周圍孔隙液的pH值降低到8.5～9.0，鈍化膜被破壞，鋼筋將完成電化學腐蝕，導(dǎo)致鋼筋銹蝕。

3 工程實例

3.1 混凝土碳化的檢測步驟

采用化學測試法，在混凝土表面鑿個小洞，深1 cm左右，用洗耳球或小皮老虎吹掉灰塵碎屑，然后滴入或涂抹酚酞劑，看混凝土是否變色(碳化)，若發(fā)現(xiàn)有碳化情況，則可迅速的測試出其碳化程度。1)酚酞劑的配制。根據(jù)實踐試驗結(jié)果得出，用99%的酒精加1%的酚酞液，所配制的酚酞劑呈淺色;96%的酒精加4%的酚酞液，所配制的酚酞劑呈深色。2)混凝土碳化判定。當酚酞劑涂抹或滴入混凝土體內(nèi)1 min～2 min后，便有反應(yīng)。若混凝土變紅色，則混凝土未碳化;若混凝土不變色，則混凝土已碳化。3)混凝土碳化深度測驗。用碳化深度測定儀測定沒有變色的混凝土的深度。4)測試混凝土碳化鑿開面的處理。在混凝土碳化測試工作完成后，對檢測混凝土碳化的鑿開面應(yīng)用環(huán)氧樹脂或環(huán)氧混凝土作填補封閉處理。

表1 混凝土碳化深度檢測結(jié)果 mm

3.2 試驗數(shù)據(jù)

我們對某工程的幾個構(gòu)件進行編號，并對其進行混凝土碳化檢測，測試結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出，有些鋼筋表面的鈍化膜遭到破壞，鋼筋開始腐蝕，由于鋼筋銹蝕，其截面面積減少，延性降低，強度受損，使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件安全性受到不同程度的影響。混凝土中鋼筋銹蝕會使構(gòu)件的承載力下降，使結(jié)構(gòu)的性能劣化。因此我們必須采取一些有效措施，處理鋼筋銹蝕。

3.3 鋼筋銹蝕后的處理方法

1)對碳化深度過大，鋼筋銹蝕明顯、危及結(jié)構(gòu)安全的構(gòu)件應(yīng)拆除重建;2)對碳化深度較小并小于鋼筋保護層厚度，碳化層比較堅硬的，可用優(yōu)質(zhì)涂料封閉;3)對碳化深度大于鋼筋保護層厚度或碳化深度雖然較小但碳化層疏松剝落的，均應(yīng)鑿除碳化層，粉刷高強砂漿或澆筑高強混凝土;4)對鋼筋銹蝕嚴重的，應(yīng)在修補前除銹，并應(yīng)根據(jù)銹蝕情況和結(jié)構(gòu)需要加補鋼筋。

4 結(jié)語

1)混凝土本身要降低水灰比，保證密實度，具有足夠的保護層厚度，嚴格控制氯含量。2)采用覆蓋層，防止二氧化碳等的滲入。3)在海工結(jié)構(gòu)、強腐蝕介質(zhì)中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，可采用鋼筋阻銹劑、防腐蝕鋼筋、環(huán)氧涂層鋼筋、不銹鋼鋼筋等。4)若建筑物地處環(huán)境惡劣的地區(qū)，宜采取環(huán)氧基液涂層保護效果較好，對建筑物地下部分在其周圍設(shè)置保護層。5)合理設(shè)計混凝土配合比。6)規(guī)定鋼筋保護層的最小厚度。

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