混凝土中鋼筋的銹蝕及保護

吳春輝,朱兵見,王志沖,毛征巧,林芝強,丁 潔

(臺州學院建筑工程學院,浙江 臺州 318000)

混凝土結構耐久性是當今世界的重大問題,1991年在法國召開的第二屆混凝土耐久性會議,報告中指出[1],“當今世界混凝土破壞的主要原因為鋼筋銹蝕、寒冷氣候下的凍害、侵蝕環境下的物理化學作用”。鋼筋腐蝕破壞是影響混凝土耐久性的第一因素,而氯離子侵蝕又是引起鋼筋腐蝕的首要因素。

沿海及近海地區,由于海洋大氣環境中富含氯離子等,屬于強腐蝕環境,在化學侵蝕和物理作用(如鹽結晶、凍融等)等多重因素下,鋼筋混凝土遭受腐蝕破壞的嚴重程度和破壞速度都往往比內地的建筑物嚴重得多,出現混凝土強度下降甚至解體、鋼筋銹蝕、混凝土保護層脹裂甚至剝落等嚴重腐蝕現象[2]。

歐美等都有以氯鹽為主的“鹽害”問題,韓國曾發生一系列與“鹽害”有關的建筑物破壞、倒塌事件。我國臺灣重修澎湖大橋和不斷發生的“海砂屋”事件,也是氯鹽腐蝕造成的。德國柏林議會大廈預應力混凝土屋頂倒塌是析氫的應力腐蝕破裂[3]。而我國地域遼闊,大陸東部海岸線綿長,且沿海地區人日密集,經濟發達,大量鋼筋混凝土結構的基礎設施處于濱海淤泥質土環境中,遭受強腐蝕性環境的侵蝕,并嚴重威脅鋼筋混凝土結構的耐久性。所以研究和解決沿海地區的鋼筋混凝土耐久性問題,對于我國經濟社會的良性發展具有重要意義。

1 混凝土中鋼筋的銹蝕

氯離子的侵入是引起混凝土中鋼筋腐蝕的最主要原因之一,氯離子破壞了鋼筋表面鈍化膜從而引起鋼筋局部腐蝕,對腐蝕過程具有催化作用。氯離子入侵不僅影響混凝土孔隙液的pH值,還影響鋼筋的電位值,因而直接影響鋼筋的穩定性。但只有混凝土中氯離子的濃度達到一定的臨界值后,鋼筋才會發生腐蝕[4]。

1.1 實驗過程

初期材料準備,采用混凝土設計標號為C60的管樁。混凝土配合比為：水泥：礦粉：粉煤灰：砂：石：水：減水劑=332∶44∶64∶758∶1290∶122∶9.24。PC鋼棒為龍騰牌9.0鋼棒,配筋為6×9.0,屈服強度≥1280MPa,抗拉強度≥1420MPa,延伸率≥7.0%,環筋為5.0低冷拔鋼絲。

將所有管樁切割成2米一段的樁體,共計12根,以方便侵蝕加速試驗操作。為了研究對比防腐措施的實際效果,對半數樁身進行了防腐處理,處理手段為外涂環氧樹脂勾兌無水乙二胺和鄰苯二甲酸二丁酯,其比例約為7∶1∶2。

試驗時,將樁端頭砂漿封堵,然后吊放入池中,注水,投入NaCl,配制成濃度為5%的溶液。然后接通穩恒7V電流以加速其腐蝕速度。加速實驗裝置平面圖見圖1。

當達到一定時間后,將樁吊出池子,以鋼筋電位計測試其鋼筋腐蝕電位。測試時先在樁體表面布置測試網格。選擇網格尺寸大小20×10cm(沿樁軸線方向),網格交叉點即為測試點,測區中的測試點為18個。

1.2 實驗結果

通過測得各網格線的交點即為測點的電位數據,繪制出相應的等電位等值線圖,見圖2、圖3。并繪制了三維電位分布圖,見圖4、圖5。

圖2 90d、120d、280d、345d未防腐樁等電位等值線圖

圖3 90d、120d、280d、345d防腐樁等電位等值線圖

圖4 90d、120d、280d、345d未防腐樁三維等電位等值線圖

圖5 90d、120d、280d、345d防腐樁三維等電位等值線圖

根據電位值的變化可以看出,在實驗過程中,兩類樁的在氯鹽環境下的腐蝕電位在不斷得減小,表明腐蝕在不斷得增加。且從圖中可以看出增長的幅度相近；根據圖例顏色變化的范圍可以看出,防腐樁的電位值要比未防腐樁的小。表明在涂有防腐涂層的樁內鋼筋銹蝕程度小于未作處理的樁。防腐作用較明顯。根據三維顯示的等值線圖可以看出,相對未進行防腐措施處理的樁,有防腐措施的樁的電位分布較均勻、緩和,每個點的腐蝕程度相近。

實驗表明,對在腐蝕環境下的,對混凝土構件進行防腐措施的處理,對混凝土耐久性起到積極的作用。

2 保護措施

混凝土結構中鋼筋的銹蝕要經歷三個階段[5]：①水分、氧和其他有害介質通過混凝土保護層滲透到鋼筋表面；②混凝土保護層被碳化,鋼筋的鈍化膜被破壞；③鋼筋表面發生電化學反應。

通過針對這三個鋼筋銹蝕的階段,來采取措施阻止混凝土中鋼筋的銹蝕。一方面提高和改善混凝土的性能,增強其對鋼筋的保護；另一方面提高鋼筋的抗腐蝕性能。

2.1 混凝土表面處理

硬化后的混凝土總是存在著空隙,為環境中水、二氧化碳和氯離子等介質的侵蝕提供了通道。因此,通過混凝土表面處理,提高混凝土的抗滲性也是保護鋼筋的一項措施[7]。混凝土表面處理主要分為混凝土的脫水處理、鑲面板和表面涂覆。

2.2 控制原材料的質量

除按照施工質量的要求選擇合適的原材料外,嚴格控制材料的氯化物含量和避免氯化物的污染是混凝土中氯離子不超標的前提條件[8]。飲用水、天然的潔凈淡水及河砂一般含氯鹽量很少,可直接用于拌制混凝土;最好采取防鋼筋腐蝕(如加鋼筋阻銹劑)的措施;混凝土中摻用的外加劑要符合有關標準[4]。

提高混凝土對鋼筋防護性能的主要方法有：適當增加混凝土保護層的厚度;改善混凝土結構,如選擇優質原材料、引入外加劑,合理施工;使用新型混凝土等[4]。

2.3 采用耐腐蝕鋼筋

研制合金鋼是改變鋼筋對腐蝕敏感性的方法之一。合金元素包括銅、鉻、鎳、鎢等,其中鉻最常用。鉻使鐵易形成更致密和結合力強的氧化膜,在高堿性條件下比普通鋼筋具有更高的防腐蝕性能[4]。

在鋼筋表面施加覆蓋層已廣泛應用于鋼筋的防腐蝕。覆蓋層包括金屬和非金屬兩種形式。其中金屬覆蓋層大體可分為鈍化膜型(如鉻基鍍層)和犧牲型(如鍍鋅層)兩種。后一種是作為犧牲陽極對基體金屬起防護作用,即使鍍層發生局部破壞鋼筋仍可受到保護。其中,鍍鋅鋼筋獲得了較廣泛的應用。而非金屬覆蓋層主要是有機涂層,形成一層致密而堅韌的膜[4]。

2.4 應用鋼筋阻銹劑

鋼筋阻銹劑即為抑制腐蝕的緩蝕劑,拌制混凝土時摻加阻銹劑是防止鋼筋腐蝕的一種經濟而有效的方法。最早開發的鋼筋阻銹劑是亞硝酸鹽,但其會損失混凝土的強度,其中鈉離子有促進堿集料反應的危險,并且它是陽極型阻銹劑,用量不足反而會促進鋼筋局部腐蝕,再加上亞硝酸鈉有毒,因而,不能得到廣泛的應用。

近年來,有機阻銹劑的應用又發展成為抑制混凝土中鋼筋腐蝕的有效方法[6],其主要是胺與酯組成的水基有機外加劑。

2.5 電化學保護

鋼筋混凝土結構的電化學保護包括陰極保護和電化學處理[9]。

陰極保護能直接抑制鋼筋自身的電化學腐蝕過程,可分為犧牲陽極保護法和外加電流陰極保護法。前者是采用比鋼電位更負的鋁合金等作為陽極與鋼筋電連接,靠自身的腐蝕提供自由電子實現對鋼筋的保護；后者則是以直流電源的負極與被保護的鋼筋連接,正極與難溶性的輔助陽極相接,提供保護電流使鋼筋發生陰極極化而受到保護[4]。

電化學處理與外加電流陰極保護法相似,也是以鋼筋為陰極,通以低壓直流電流達到保護鋼筋的目的[10]。

3 結語

目前的土木建筑工程,鋼筋混凝土結構以其具有較好的強度、耐久性和耐火性,在建筑結構中占據主導地位。混凝土結構大量用于沿海等具有較強腐蝕性的環境中,其耐久性不同于一般環境下的混凝土結構,在世界范圍內得到高度重視。

實驗表明,在加速腐蝕試驗的時間段內,氯離子對混凝土的腐蝕程度隨時間的增長不斷加重。通過對比兩類樁(是否進行防腐處理)的等電位等值線,防腐樁的電位分布較均勻,各點位腐蝕程度相近,且進行防腐措施處理的樁的腐蝕程度明顯小于未進行處理的樁。

混凝土中鋼筋的銹蝕程度直接影響混凝土的耐久性。為了防止混凝土內鋼筋是銹蝕,針對其銹蝕的三個階段,一方面可應提高混凝土保護性；另一方面提高鋼筋的抗腐蝕性能。對于鋼筋混凝土的防腐措施在不斷地跟進和改善,目前采用鋼筋阻銹劑和電化學陰極保護是比較經濟有效的保護措施。