混凝土中鋼筋銹蝕的原因及危害和預防措施

劉榮生

1 概述

在建筑工程中,鋼筋混凝土因具有堅固耐用和材料來源廣泛等優(yōu)點而被土木工程各個領(lǐng)域普遍采用。隨著鋼筋混凝土的廣泛應(yīng)用,它的眾多優(yōu)點得到了進一步的體現(xiàn)。但在使用過程中鋼筋銹蝕是一個比較普遍,并且嚴重威脅結(jié)構(gòu)安全耐久性的問題,它在影響結(jié)構(gòu)耐久性因素中占據(jù)主導地位。正如Mchta教授在2001年以《21世紀建筑結(jié)構(gòu)的耐久性》為題,發(fā)表的如下主要觀點:“鋼筋腐蝕是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞的主要機理?！变摻钿P蝕已成為導致鋼筋混凝土建筑物耐久性不足,過早破壞的主要原因,是世界普遍關(guān)注的一大災(zāi)害。因此對混凝土中鋼筋的銹蝕問題必須引起重視,并采取相應(yīng)措施防止或減輕鋼筋銹蝕的發(fā)生。鋼筋銹蝕對結(jié)構(gòu)的破壞分為三個時期:前期是鋼筋表面局部銹蝕出現(xiàn)銹斑、銹片等;中期是鋼筋整個表面銹蝕,并產(chǎn)生膨脹,與保護層脫離,發(fā)生層裂;后期表現(xiàn)為鋼筋鐵銹進一步膨脹,混凝土本身發(fā)生破壞,出現(xiàn)順筋脹裂,混凝土脫離,直至鋼筋不斷銹蝕。本文對此進行論述,以期對混凝土中鋼筋銹蝕的預防有所幫助。

2 影響鋼筋銹蝕的因素

影響鋼筋銹蝕的因素很多,包括鋼筋位置、鋼筋直徑、水泥品種、混凝土的密實度、保護層厚度及完好性、外部環(huán)境等。1)鋼筋銹蝕速度與混凝土液相pH值有密切關(guān)系。硬化的混凝土由于水泥水化,生成氫氧化鈣,故顯堿性,混凝土液相pH值大于10,此時鋼筋表面生成一層穩(wěn)定、致密、鈍化的保護膜,鋼筋銹蝕速度很小。當混凝土的pH值小于4時,鋼筋銹蝕速度急劇增加。2)混凝土中Cl-的含量?；炷林蠧l-的含量對鋼筋銹蝕影響極大,氯鹽的摻量應(yīng)少于水泥重量的1%。據(jù)有關(guān)試驗證明,即便是pH值較高的液體(pH＞13),只要有4mg/L～6mg/L的氯離子含量,就可以破壞鋼筋的鈍化膜,使鋼筋在水和氧氣的作用下導致鋼筋銹蝕。3)混凝土的密實度和保護層厚度?；炷聊茏柚雇饨绺g介質(zhì)、氧氣和水分等的滲入,混凝土密實度越高,保護層越厚,外界有害物質(zhì)就越難滲入,鋼筋銹蝕就不容易發(fā)生。4)其他因素。除上述因素外,鋼筋應(yīng)力狀態(tài)對其銹蝕也有很大影響,預應(yīng)力鋼筋更容易腐蝕,而且應(yīng)力腐蝕比一般腐蝕更危險。

3 鋼筋銹蝕后的現(xiàn)象

鋼筋銹蝕后,導致混凝土結(jié)構(gòu)性能的裂化和破壞,主要有如下表現(xiàn):1)鋼筋銹蝕,導致截面積減少,從而使鋼筋的力學性能下降。大量的試驗研究表明,對于截面積損失率達5%～10%的鋼筋,其屈服強度和抗拉強度及延伸率均開始下降,對于截面積損失率大于10%,但小于60%的嚴重腐蝕,鋼筋各項力學性能指標嚴重下降。如:鋼筋截面積損失率達1.2%,2.4%和5%時,鋼筋混凝土板的承載能力分別下降8%,17%和25%。鋼筋截面積損失率達60%時,構(gòu)件承載能力降低到與未配筋構(gòu)件相近。2)鋼筋腐蝕導致鋼筋與混凝土之間的結(jié)合強度下降,從而不能把鋼筋所受的拉伸強度有效傳遞給混凝土。3)鋼筋銹蝕生成腐蝕產(chǎn)物,其體積是基體體積的2倍～4倍,腐蝕產(chǎn)物在混凝土和鋼筋之間積聚,對混凝土的擠壓力漸增,混凝土保護層在這種擠壓力的作用下拉應(yīng)力逐漸加大,直到開裂、起鼓、剝落?；炷帘Ｗo層破壞后,使鋼筋與混凝土界面結(jié)合強度迅速下降,甚至完全喪失,不但影響結(jié)構(gòu)物的正常使用,甚至使建筑物遭到完全破壞。民用建筑工程中,由于在建造時摻加了氯鹽防凍劑或使用海砂,建成不久就出現(xiàn)鋼筋腐蝕破壞問題。如西安某教學樓,由于加氯鹽作為防凍劑,梁、柱等混凝土構(gòu)件中鋼筋腐蝕嚴重,不得不在次年進行加固修復;深圳和舟山的某些建筑,由于濫用海砂,尚未使用就已發(fā)生鋼筋銹蝕破壞。

鋼筋銹蝕對混凝土結(jié)構(gòu)物造成了嚴重的危害,為了保證混凝土建筑物的正常工作,必須采取措施,防止混凝土中鋼筋的銹蝕。

4 鋼筋銹蝕的預防措施

通過大量的調(diào)查研究證明,鋼筋銹蝕的原因正是由于混凝土保護層的碳化和氯離子的侵入而造成的,為了防止鋼筋銹蝕,必須防止混凝土的碳化或減慢碳化速度和防止氯離子的侵入。而混凝土碳化又是由于混凝土抗?jié)B性能不足引起的,所以為防止碳化,必須提高混凝土的抗?jié)B性。

1)提高混凝土的密實度,降低混凝土的孔隙率。外界的有害物質(zhì)通過混凝土內(nèi)部的孔隙,滲入到混凝土內(nèi),最后到達鋼筋表面,破壞鋼筋鈍化膜,引起鋼筋銹蝕,因此,為阻止外界有害物質(zhì)侵入混凝土內(nèi)而使鋼筋銹蝕,就要提高混凝土的密實度。而要提高混凝土的密實度,就必須降低混凝土的孔隙率,特別是毛細管孔隙率,最主要的方法是降低混凝土的拌和用水量。但如果純粹的降低用水量,混凝土的工作性將隨之降低,又會導致?lián)v實成型困難,同時造成混凝土結(jié)構(gòu)不致密,甚至出現(xiàn)蜂窩等缺陷。提高混凝土密實度的措施有:a.保證混凝土的施工質(zhì)量:首先要選用級配良好的骨料,控制材料的含泥量。其次混凝土要采用機械攪拌和機械振搗,保證混凝土攪拌均勻,振搗密實。同時,要防止混凝土在運輸和澆筑過程中產(chǎn)生離析現(xiàn)象。最后要做好混凝土的養(yǎng)護,保證混凝土達到設(shè)計強度要求。b.摻入高效減水劑:在保證混凝土拌合物所需流動性的同時,盡可能降低用水量,減少水灰比,使混凝土的總孔隙率,特別是毛細管孔隙率大幅度降低。水泥在加水攪拌后,會產(chǎn)生一種絮凝狀結(jié)構(gòu),在這些絮凝狀結(jié)構(gòu)中,包裹著許多拌合水,從而降低了新拌混凝土的工作性。施工中為了保持混凝土拌合物所需的工作性,就必須在拌和時相應(yīng)地增加用水量,這樣就會促使水泥石結(jié)構(gòu)中形成過多的孔隙。加入減水劑的定向排列,使水泥質(zhì)點表面均帶有相同電荷。在電性斥力的作用下,不但使水泥體系處于相對穩(wěn)定的懸浮狀態(tài),還在水泥顆粒表面形成一層溶劑化水膜,同時使水泥絮凝體內(nèi)的游離水釋放出來,從而達到減水的目的。2)防止氯離子的侵蝕。氯離子的侵入是鋼筋被銹蝕的主要因素。氯離子進入混凝土有兩種途徑:一種是“混入”;另一種是“滲入”。環(huán)境中的氯離子通過混凝土的宏觀、微觀缺陷滲入混凝土中,并到達鋼筋表面。為防止氯離子的侵入,采取的主要措施有:a.控制原材料中氯離子的含量。當原材料中氯離子含量超標時,就要采取預防措施,這是防止混入型氯離子進入混凝土的主要措施。b.提高混凝土保護層厚度?；炷帘Ｗo層增加,則氯離子滲入混凝土到達鋼筋的時間就會增加,這是延遲混凝土內(nèi)部開始鋼筋銹蝕的很有效的一種方法。c.混凝土表面涂層。為制止氯離子滲入混凝土,延緩鋼筋腐蝕,涂覆混凝土作為第一道防線是一種簡單、經(jīng)濟和有效的輔助性保護措施。d.鋼筋表層涂刷防腐涂料。目前采用較多的是環(huán)氧涂層鋼筋,由于其是在鋼廠流水線上涂覆的,因此一般可以保證涂層的高質(zhì)量,使鋼筋與周圍混凝土隔開,即使有害物質(zhì)大量侵入混凝土,也可長期保護鋼筋,使鋼筋免遭腐蝕。3)控制混凝土裂縫,盡量避免有害裂縫的出現(xiàn)。混凝土裂縫是普遍存在的,由于裂縫的存在和發(fā)展通常會使內(nèi)部的鋼筋等材料產(chǎn)生腐蝕,降低鋼筋混凝土材料的承載能力、耐久性及抗?jié)B能力,影響建筑物的外觀、使用壽命,嚴重者將會威脅到人們的生命和財產(chǎn)安全,很多工程的失事都是由于裂縫的不穩(wěn)定發(fā)展所致。因此在施工中應(yīng)盡量采取有效措施控制裂縫產(chǎn)生,使結(jié)構(gòu)盡可能不出現(xiàn)裂縫或盡量減少裂縫的數(shù)量和寬度,尤其要盡量避免有害裂縫的出現(xiàn)。預防混凝土裂縫的主要措施有:a.盡量選用收縮量較小、低熱或中熱水泥。b.混凝土的干縮受水灰比的影響較大,水灰比越大,干縮越大,因此要嚴格控制水灰比,摻加高效減水劑來增加混凝土的坍落度和和易性,減少水泥及水的用量。

5 結(jié)語

混凝土中因鋼筋的銹蝕而導致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞,造成了損失也浪費了資源,但在實際施工中,只要加強領(lǐng)導,嚴格管理,精心施工,并根據(jù)環(huán)境的特點和材料的性質(zhì)采取相應(yīng)的措施,完全能夠防止和推遲混凝土中鋼筋的銹蝕,從而提高混凝土的使用性和耐久性。

[1] 劉彥昌,趙 新,吳鋼偉.鋼筋混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕程度檢測研究[J].山西建筑,2009,35(2):78-79.