城市建筑鋼材的銹蝕與防護

楊琳

摘 要：隨著經(jīng)濟與技術(shù)的高速發(fā)展，建筑鋼材的使用增長迅速，鋼筋腐蝕帶來的問題也逐漸爆露出來。

關(guān)鍵詞：建筑鋼材；耐腐蝕；防護；保養(yǎng)

隨著我國國民經(jīng)濟和建筑領(lǐng)域技術(shù)的不斷發(fā)展，幾乎所有的體育館都采用鋼建造，如鳥巢，并向住宅建筑發(fā)展。建筑工程的鋼材使用無論數(shù)量還是規(guī)模都逐年增加，隨著各類建筑服役年限的增加，建筑鋼材相關(guān)的工程事故也引起了人們對結(jié)構(gòu)可靠性與耐久性越來越多的重視。然而，在建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，設(shè)計人員往往從鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計理念與方法著手，強調(diào)結(jié)構(gòu)在地震作用下的表現(xiàn)，如“小震不壞”與“大震不倒”，而忽略了在服役過程中銹蝕對鋼材性能的影響，同時未考慮銹蝕造成的結(jié)構(gòu)抗震性能退化，由此造成服役階段的抗震性能研究滯后。空氣中的大量水分與介質(zhì)，使得處在其中的服役鋼結(jié)構(gòu)建筑必將發(fā)生鋼材銹蝕現(xiàn)象，而鋼材銹蝕除造成鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面性能削弱外，亦引起鋼材力學性能指標（如屈服強度、極限強度、伸長率等）的衰減，最終造成建筑可靠性的降低。因此研究腐蝕環(huán)境下鋼材銹蝕的機理與退化規(guī)律，對建筑抗震性能評估有重大意義，也可為建筑后期維修加固提供依據(jù)。

1 鋼筋銹蝕的危害

在使用過程中，混凝土中的鋼筋銹蝕問題不斷出現(xiàn)。長期暴露于空氣或潮濕環(huán)境中的鋼材，尤其是介質(zhì)中含有侵蝕性成分時，腐蝕更為嚴重。鋼筋銹蝕后，導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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2～4倍，腐蝕產(chǎn)物在混凝土和鋼筋之間積聚，對混凝土的擠壓力逐漸增大，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。混凝土保護層破壞后，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，給國家經(jīng)濟造成重大損失。

2 鋼筋銹蝕的原因

鋼筋銹蝕的原因有兩個方面：一是鋼筋保護層的碳化，其碳化的原因是混凝土不密實，抗?jié)B性能不足。硬化的混凝土，由于水泥水化，生成氫氧化鈣，故顯堿性，pH值>12，此時鋼筋表面生成一層穩(wěn)定、致密、鈍化的保護膜，使鋼筋不生銹。當不密實的混凝土置于空氣中或含二氧化碳環(huán)境中時，由于二氧化碳的侵入，混凝土中的氫氧化鈣與二氧化碳反應(yīng)，生成碳酸鈣等物質(zhì)，其堿性逐漸降低，甚至消失，稱其為混凝土的碳化。當混凝土的pH值<12時，鋼筋的鈍化膜就不穩(wěn)定，當pH值13），只要有4～6mg/L的氯離子含量，就足可以破壞鋼筋的鈍化膜，使鋼筋失去鈍化，在水和氧氣的作用下導(dǎo)致鋼筋銹蝕。

3 鋼筋銹蝕的防護措施

影響鋼材銹蝕的主要因素是環(huán)境溫度、濕度、侵蝕性介質(zhì)種類和數(shù)量、鋼材的材質(zhì)及表面狀況等。常見的鋼材腐蝕分為化學腐蝕和電化學腐。因此要防止或減少鋼材的腐蝕可以從改變鋼材本身的易腐蝕性，隔離環(huán)境中的侵蝕性介質(zhì)或改變鋼材表面的電化學過程三方面入手。

3.1 采用耐候鋼

耐候鋼是在碳素鋼和低合金鋼中加入少量的銅、鉻、鎳、鉬等合金元素而制成。這種鋼在大氣作用下，能在表面形成一種致密的防腐保護層，起到耐腐蝕作用，同時保持鋼材良好的焊接性能。耐候鋼的強度級別與常用碳素鋼和低合金鋼一致，技術(shù)指標也相近，但其耐腐蝕能力卻高出數(shù)倍。

3.2 涂覆保護膜

涂覆保護膜使金屬與周圍介質(zhì)隔離，既不能產(chǎn)生氧化銹蝕反應(yīng)，也不能腐蝕原電池。如在鋼材表面涂刷各種防銹涂料、搪瓷、塑料；或者噴鍍鋅、銅、鉻、鋁等防護層。

3.3 電化學防腐

電化學防腐有有陽極保護和陰極保護，一般使用在不容易或不能涂敷保護膜層的鋼結(jié)構(gòu)上。如蒸汽鍋爐、地下管道、港口工程結(jié)構(gòu)等。

陽極保護是在鋼結(jié)構(gòu)附近安放一些廢鋼鐵或其他難熔金屬，如高硅鐵、鋁、銀合金等，外加直流電源（可用太陽能電池），將負極接在被保護的鋼材上，正極接在難熔的金屬上，通電后難熔金屬成為陽極而被腐蝕，鋼材成為陰極得到保護。

陰板保護是在被保護的鋼材上接一塊比被保護的鋼材更活潑（電極電位更低）的金屬，例如鋅、鎂等，使金屬成為腐蝕電池的陽極被腐蝕，鋼材為陰板得到保護。

3.4 混凝土中鋼筋防腐

鋼筋混凝土中大量應(yīng)用鋼筋，由于水泥水化產(chǎn)生大量Ca（OH）2，PH值達12以上，處于這種強堿性環(huán)境中的鋼筋，形成鈍化膜，防止了鋼筋的銹蝕。隨著混凝土的碳化，PH值下降，鋼筋表面鈍化膜破壞，如果具備了潮、供氧條件，鋼筋將產(chǎn)生電化學腐蝕。

3.5 控制保護層厚度

采用不銹鋼、電化學腐蝕和加保護膜的方法固然可以防止鋼筋銹蝕，但從經(jīng)濟等角度考慮，實際土建工程是難以實現(xiàn)的。在土建工程工，通常是通過嚴格控制混凝土的保護層厚度，保證在設(shè)計年限內(nèi)碳化深度達不到鋼筋表面，以防止鋼筋銹蝕。

3.6 在混凝土中摻入高效減水劑

通過摻入減水劑，降低用水量，提高密實度，有效地阻止鋼筋銹蝕。

3.7 在二氧化碳濃度高的工業(yè)區(qū)采用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥

通過此方法限制含氯鹽外加劑的摻量并使用混凝土用鋼筋阻銹劑。

3.8 明顯銹蝕的鋼筋不宜使用

按照國家有關(guān)規(guī)范規(guī)定，明顯銹蝕的鋼筋不宜使用，有浮銹的鋼筋在使用前必須進行除銹處理。

4 結(jié)語

雖然鋼筋銹蝕會給混凝土建筑物帶來嚴重的危害，但在實際施工中，只要加強領(lǐng)導(dǎo)，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，是完全能夠防止和推遲混凝土中鋼筋的銹蝕，從而提高建筑的使用性和耐久性。

參考文獻

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[2] 混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范（GB50204-2002）[S].

[3] 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ3-2010）[S].

[4] 建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB50011-2010）[S].