混凝土鋼筋銹蝕機理及防腐研究

楊松榮 孫友態

1 概述

混凝土中鋼筋銹蝕是十分普遍的現象,尤其是在沿海地區、工業污染地區鋼筋銹蝕問題更為突出。如今鋼筋銹蝕已被公認為混凝土結構耐久性劣化最主要的原因,不少國家為此遭受了巨大的經濟損失。在對銹蝕鋼筋力學性能和粘結性能展開研究前,本文對混凝土中鋼筋的腐蝕機理、鋼筋銹蝕的影響因素和鋼筋銹蝕的試驗方法進行全面的探討和研究,并概述了當前混凝土中鋼筋銹蝕的無損檢測方法和鋼筋的防腐技術。

2 混凝土中鋼筋的電化學腐蝕機理

2.1 混凝土中鋼筋發生腐蝕的條件

1)鋼筋表面的鈍化膜遭到破壞,鋼筋處于活化狀態。混凝土中的孔隙液主要成分是Ca(OH)2飽和溶液,堿度很高,pH值通常在12.5左右,由于混凝土中還含有少量Na2O,K2O等鹽分,實際pH值可超過13。在這樣高堿性的環境中,鋼筋表面氧化形成一層水化氧化膜(γ-.Fe2O3nH2O)。這層致密的氧化膜牢固地吸附在鋼筋表面,使鋼筋處于鈍化狀態,即使在有水分和氧氣的條件下鋼筋也不容易發生腐蝕,故稱為“鈍化膜”。2)鋼筋表面存在電位差,構成腐蝕電池。鋼筋中含有的少量雜質及鋼筋成分的不均勻性、周圍混凝土孔隙液中鋼筋腐蝕的去極化劑(如OH-,Cl-和溶解氧等)的濃度差等,都會使鋼筋表面形成許多微小的腐蝕電池,因此這個條件總是滿足的。3)鋼筋表面有電化學反應和離子擴散所需的水和氧氣。一般情況下混凝土中的孔隙充滿孔隙液,外界大氣中的氧氣通過毛細作用進入孔隙液成為溶解氧并擴散到鋼筋表面,因此該條件通常也是滿足的。

2.2 混凝土中鋼筋腐蝕的電化學反應過程

混凝土中鋼筋腐蝕的電化學原理如圖1所示,鋼筋的腐蝕過程包括下述4個電化學反應過程:1)陽極反應過程。2)電子傳輸過程:即陽極區釋放的電子通過鋼筋向陰極區傳送。3)陰極反應去極化過程。4)腐蝕產物生成過程。

2.3 鋼筋的全面腐蝕與局部腐蝕

混凝土中鋼筋的腐蝕可分為全面腐蝕和局部腐蝕。從腐蝕形態上看,鋼筋的全面腐蝕是指腐蝕分布在整個鋼筋表面上,腐蝕較為均勻;局部腐蝕是指鋼筋表面上各部分的腐蝕程度存在明顯的差異,特別是指一小部分表面區域的腐蝕速度和腐蝕梯度遠大于整個表面的平均值的腐蝕情況。

3 混凝土中鋼筋銹蝕的影響因素

影響混凝土中鋼筋銹蝕的因素很多,理論上說凡是影響鋼筋電化學腐蝕反應過程的因素都會對鋼筋的銹蝕產生影響,這些因素有:1)O2擴散的影響。2)pH值的影響。3)溫度的影響。4)Cl-濃度的影響。5)混凝土電阻抗的影響。6)混凝土保護層的影響。

4 鋼筋的防腐技術

4.1 普通鋼筋的防腐技術

1)應用阻銹劑。應用阻銹劑能夠阻止或延緩氯離子對鋼筋鈍化膜的破壞。阻銹劑是鋼筋銹蝕長期防護的有效措施之一,在我國已有明確的YB/T 9231-98鋼筋阻銹劑使用技術規程。采用阻銹劑的同時應使用低滲透性混凝土,以防止阻銹劑流失。2)提高混凝土的質量。通過摻加火山灰質材料、微硅粉、磨細礦渣或粉煤灰等方法,能夠有效降低混凝土的孔隙尺寸和阻斷毛細孔的連通,從而有效的提高混凝土的抗滲性能。提高混凝土質量的另一個重要內容是限制混凝土中的氯離子含量。混凝土骨料、拌合水、外加劑等帶入混凝土中的氯離子總量一般不得超過混凝土中水泥重量的0.1%～0.3%。3)表面涂層。表面涂層可分為混凝土表面涂層和鋼筋表面涂層兩種。混凝土表面涂層是降低氯離子滲透速度和混凝土碳化速度的有效輔助措施。常用的鋼筋表面涂層有環氧樹脂涂層、鍍鋅和磷化涂層等,其中以環氧樹脂涂層應用最為廣泛,但在復雜的交叉部位,由于鋼筋彎曲時存在較大的應力,環氧樹脂涂層鋼筋的粘結性能不易保證,因此不宜使用環氧樹脂涂層鋼筋。鍍鋅是在鋼筋表面鍍上一層鋅,它兼有犧牲陽極的作用,但是鍍鋅層的壽命較短,一般不超過30年。4)陰極保護法。陰極保護常作為一種補助措施來防止混凝土中鋼筋的腐蝕。在良好的導電介質中,例如海水中,陰極保護可以通過在鋼筋上連接犧牲陽極來實現。而在導電性差的環境中,例如在大氣中,陰極保護可以在鋼筋和難溶性陽極之間施加電流實現,鋼筋和難溶性陽極之間用塑料網隔開。近來,在海洋條件下及有限的范圍內,也常在鋼筋表面包覆上不銹鋼或鎳層等進行防銹。在較為惡劣的腐蝕性環境條件下,這種鋼筋防腐方法往往是經濟的。此外也可采用復合纖維塑料(FRP)等耐腐蝕性材料的力筋。

4.2 預應力鋼筋的防腐技術

1)有粘結預應力體系。該類結構在澆筑混凝土前埋置預應力鋼筋管道,待混凝土達到一定的強度后穿預應力鋼筋束,張拉錨固。管道內一般灌注剛性灌漿材料包覆預應力鋼筋,以達到防腐的目的,同時也使預應力鋼筋與剛性灌漿材料之間具有一定的粘結力。然而常規的灌漿方法往往容易出現局部灌漿空洞,甚至出現由于施工原因無法灌漿或漏灌漿的情況。這些空洞內的預應力鋼筋在潮濕的空氣中很容易發生腐蝕,從而產生耐久性破壞。2)無粘結預應力體系。無粘結預應力鋼筋是指經涂抹防腐油脂,用聚乙烯套管包裹制成的預應力鋼筋。使用時按設計要求鋪放在模板內,然后澆筑混凝土,待混凝土達到設計要求強度后,再張拉錨固。無粘結預應力鋼筋與混凝土不直接接觸,兩者產生相對滑移而成為無粘結體系。其主要優點是工藝簡單,張拉設備輕,施工方便,有利于分散布筋與高空作業。3)體外預應力體系。與體內預應力鋼筋不同,體外預應力鋼筋直接暴露于環境中,且預應力鋼筋又是腐蝕敏感材料,如果防護不當,就容易發生腐蝕破壞,因此體外預應力鋼筋的防腐極其重要。目前,體外預應力鋼筋的防腐方法大體上可以分為3類:a.預應力鋼筋表面涂層。常用的涂層有鍍鋅和環氧樹脂等。鍍鋅涂層兼有犧牲陽極的陰極保護作用。這種方法簡單且價格較便宜,預應力鋼筋的更換及內力調整比較方便。但是這種方法的缺點也比較多:鍍鋅鋼絞線一般采用熱鍍鋅層技術,高溫會造成預應力鋼筋強度降低;由于鍍鋅的犧牲陽極作用可能產生氫,從而引起氫脆。因此實際工程中環氧樹脂涂層預應力鋼筋應用較為普遍。b.套管加填充材料。這種方法是在預應力鋼筋的外面加套管,待張拉完預應力筋后,在套管內灌注填充材料。這種防腐系統增加了兩層防腐屏障(填充材料和套管),因此防腐性能優于第一種,但價格也較高。c.采用單股無粘結預應力鋼筋。單股無粘結預應力鋼筋自身具有防護系統,可以不用管道而單獨使用,也可以外面加套管,并充入灌漿材料構成具有多重防護功能的防腐系統。無粘結預應力鋼筋直接在工廠生產,不僅可以提高質量,而且也可提高預應力鋼筋在運輸、存儲、安裝過程的耐腐蝕性。

5 結語

眾多研究表明,鋼筋銹蝕是引起混凝土結構耐久性劣化最主要、最直接的原因。如何通過無損檢測對現有混凝土結構中的鋼筋銹蝕程度和速度進行評估,以便采取各種有效措施防止鋼筋銹蝕發生和發展是研究鋼筋銹蝕機理的目的。進一步加強這方面的研究將對保證建筑質量,節約能源,減少損失產生重要意義。

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