混凝土保护层质量与钢筋锈蚀.pdf

第 2 5卷第 2期 2 0 1 3年 6月 浙 江水利水电专科学校学报 J ． Z h e j i a n g Wa t ． C o n s＆ Hy d r ． C o l l e g e V0 1 ． 25 NO ． 2 J u n ． 2 0 1 3 混凝 土保 护层 质量与钢筋锈蚀 林乐琴 ( 乐 清市水利局 ， 浙江 乐清3 2 5 6 0 0 ) 摘 要 ： 防止钢筋锈蚀是提 高水工钢筋混凝 土结构耐 久性一 个重要 因素． 从结 构设 计 角度探讨 了混凝 土碳化和钢 筋锈蚀 产生机 理 ， 并根据 实测数 据分析 了钢筋锈蚀 与保 护层厚 度之 间的 关 系， 认 为钢 筋的锈蚀在很 大程 度上取 决 于混凝 土保 护层的质量 ， 并进而认为保护层 密实性和 必需厚 度是 保护混凝土保护层质量控制 的关键． 关 键 词 ： 钢 筋 ； 混 凝 土 ； 保 护 层 中图分 类号 ： T U 3 7 5 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 8—5 3 6 X( 2 0 1 3 ) 0 2 — 0 0 1 7 — 0 3 On Co n c r e t e Pr o t e c t i v e L a y e r Qu a l i t y a n d Re i n f o r c e me n t Co r r o s i o n L I N Yu e — q i n ( Yu e q i n g Wa t e r Co n s e r v a n c y Bu r e a u，Yu e q i n g 3 2 5 6 0 0，C h i n a ) Abs t r ac t ： Co r r o s i o n p r o t e c t i o n o f r e i n f o r c i n g b a r i s a n i mpo r t a n t wa y t o i mp r o v e t h e l a s t i n g o f c o nc r e t e s t r uc t u r e ．Th e r e a s o n o f c o nc r e t e c a r bo n a t i o n a nd r e i n f o r c i n g ba r c o r r o s i o n a r e di s c u s s e d i n t hi s p a p e r i n t h e v i e w o f s t r u c t u r e d e s i g n．Ac c o r d i n g t o t h e me a s u r e d d a t a，t he r e l a t i o n s h i p be t we e n r e i n f o r c i n g b a r c o r r o s i o n a n d t he q u a l i t y o f c o n c r e t e p r o t e c t i o n l a y e r i s a l s o a n a l y z e d i n t h e pa pe r ．W i t h a na l y z i ng t h e i n flue n c i n g f a c t o r o f t he c o n c r e t e p r o t e c t i o n l a y e r q ua l i t y，i t p r o v e s t ha t t h e d e n s i t y a n d n e c e s s a r y t h i c k ne s s o f c o n c r e t e p r o t e c t i o n l a y e r i s v e r y i mp o r t a n t t o q ua l i t y c o n t r o 1 ． Ke y wo r ds： r e i n f o r c i ng b a r；c o n c r e t e；p r o t e c t i v e l a y e r 0 引 言 根据 近 年来 国 内外 实 际调 查 资 料 可 知 ， 水 工 钢 筋混凝土结构 中， 因钢筋 的锈蚀 而引起构件 损坏 ， 甚 至 整个 结构 失效 的事 例 屡 见 不鲜 ， 问题 的严 重 性 已越来 越 引起 人们 的重视 ． 混凝土中钢筋锈蚀有两种情况 ： 一种是先裂后 锈 ， 另一种是先锈后裂． 一般构件表 面无裂缝 ， 由于 腐蚀气体介质从保 护层 中全面涌透， 扩散 到钢筋表 面而 导致 钢 筋 的 锈 蚀 ， 引起 钢 筋 体 积 膨 胀 ( 钢 筋 锈 蚀产物——铁锈 的体 积 比原来大 2～4倍 ) 使混凝 土保 护层 产生 相 当 大 的拉 力 ， 造 成 混凝 土 保 护 层 顺 着钢筋方 向开裂 ， 削落而破坏． 这种先 锈后裂类型 与横向裂缝关系不 大， 主要与保护层有关． 当然 ， 钢 筋 的锈 蚀 还与 结构 所 处 的 环境 、 构件 受 力 方 式 等 因 素 有关 ． 对 于混 凝 土 材 料 的 耐久 性 问 题 长 期 以来 已 经 收稿 日期 ： 2 0 1 3 — 0 4 - 2 0 作者简介 ： 林乐琴 ( 1 9 7 8一) ， 女 ， 浙 江乐 清人 ， 工程师． 从 事水利 工程质量监督． 得 到 了广 泛深 入研 究 ． 但 是 混凝 土 的耐久 性 不 应 当 仅 在 材料 问题 上进 行 分 析 和评 价 ， 而 应 当把 混 凝 土 材料放在构件和工程结构 的整体中进行研 究和评 价． 外界环境对混凝土材料的腐蚀与损伤 主要发生 在 混凝 土 的浅层 ， 进 而 使 得混 凝 土 截 面 和强 度 受 到 损失 ， 影响结构 的外 观和安全． 对于钢筋混凝 土结 构 ， 更重要的是因表层混凝 土发生腐蚀或损伤而削 弱 了对钢筋 的保护能力 ， 加速钢筋锈蚀进程． 混凝 土保 护 层 一 般 定 义 为 钢 筋 外 表 面 到 混 凝 土构件表面的这层混凝土 ， 位于钢筋与外界环境之 间 ， 是保 护 钢筋 及 内部 混 凝 土不 受 外界 侵 蚀 的 重要 防线 ， 对钢 筋混 凝土 结 构 耐久 性 具 有 十分 重 要 的 意 义． 因此 ， 对 于混 凝土保护层 的结构与性能需要 进 行 深入研 究 ． 1 钢筋 的锈蚀 钢筋在混凝 土中锈蚀是一种特定 的电化学腐 蚀． 通常条件下 ， 混凝土 中孔隙水为水 泥水化时析 出的大量氢氧化钙和少数钾、 钠氢氧化物． P H值约 为 1 2 ． 5～l 3 ． 5之间． 在这种高碱性 环境 中， 钢筋表 l 8 浙江水利水 电专科学校学报 第 2 5卷 面会形成一层薄的纯化保护膜， 其成分为r —F e 0 ， 尽管空气中的氧可 以通过混凝土 中孔 隙渗到钢筋 表面 ， 但该纯化膜可有效地控制钢筋 的锈蚀 ， 所 以 只有 当纯化膜 破 坏 时 ， 在 水 、 氧 气作 用 下 ， 钢 筋才 会 发生锈 蚀 ． 导 致钢 筋表 面纯 化膜 破 坏 ( 即脱 纯 ) 机 理 有 如下 两种 ： 混凝 土 的碳 化 、 氯 盐渗 入混凝 土 中． 1 ． 1 混凝土 的碳 化 大气 中的 C O 与混凝 土孔 隙液 中 的 C a ( O H) ， 反应生成弱碱性 C a C O ． 该反应使混凝土 的 P H值 下降 ， 这种将使混凝土从表层开始 向内逐步失去碱 性现象 ， 称 为混凝 土 的碳 化 ． 当 P H≤9时 ， 则混 凝 土 完全被 碳化 ． 混凝 土碳 化 速 度 与 水 泥 的 品 种 、 用 量 、 所 处 环 境 、 水 灰 比、 设 计 标 准 、 施 工 质 量 等 有 密 切 的关 系． 在具有良好配比的密实混凝土中， 几十年碳化层深 度 仅 只有 几 毫 米 ， 因 此 混 凝 土 对 钢 筋 起 着 防 护 作 用 ． 但 当混 凝 土保 护 层 密 实 性 较 差 ， 保 护 层 厚 度 较 薄 时 ， 在 环境 湿 度 ( 5 0 ％ ～9 0 ％ ) 下 ， 碳 化 深 度 将 会 显著 增 大， 一 旦 达 到 钢 筋 表 面 ， 纯 化 膜 将 被 破 坏—— 脱 纯． 钢筋锈蚀时 ， 脱纯的钢筋表面为电化腐蚀 的阳 极 ， 而 未 脱 纯 钢 筋 表 面 区域 成 为 阴极 ． 其 电化 学 作 用 可简单 的表 示为 ： ① 在 阳极 ： F e _ F e + 2 e ② 在 阴极 ： 0 2 +H 2 0+ 4 e 一 0 H一 ③ 在阳极 ： 2 0 H一+F e ～一F e ( O H) ， 最后氧化成铁锈 n F e 0 ， mH ： 0， 铁锈 到一定 厚度就会使混凝土保护层开裂式脱落． 如安微蚌埠 水泵厂一九五九年建成的铸工车间， 一九七九年因 混凝 土碳化 钢筋 锈 ， 混凝 土 保 护层 大 面积 脱 落 而 重 新改建 ． 凡是碳 化深 度达 到钢 筋 表 面 的 ， 即使 混 凝 土 未 裂 ， 钢 筋也 会 有 不 同程 序 的锈 蚀． 碳 化 深 度 小 于 保 护层 厚 度 时 ， 钢 筋 一 般 不 锈 蚀 ． 因此 碳 化 深 度 也 就 成为确定保护层厚度的依据． 1 ． 2氯盐 的渗 入 无论是掺氯盐的混凝土， 还是 与海水 、 海洋 、 大 气接触的钢筋混凝土构件 ， 当氯离子浓度达到某一 临界 值 时 ( 国 外 资 料 通 常 认 为 是 水 泥 重 量 的 0 ． 4 ％) ， 即使混凝土孔隙液中 P H值还相当高 ， 但游 离 的氯离 子 C l 一 将 取 代 氧化 膜 中 的氧 离 子 ， 生 成 金 属氯化物 ， 从 而使钢筋脱纯 ， 在潮湿环境 中仍发生 上述 电化学腐蚀． 导致钢筋局部锈蚀 ． 据 四航局 科 研 所 测 定 ， C l 一 随保 护层 加 厚 而 急 剧减 少 ， 见表 1 ． 表 1 C 1 保 护 层 变化 表 保护层厚度／ m m C 1 一 含量／ ％ 3 0 4 0 5 O 6 0 综 上所述 ， 钢 筋 锈 蚀 的必 要 条 件 是 氧 和 水 ． 只 有在 混凝 土饱水 或空气 湿 度过 低 (< 4 0 ％ ) 情况 下 ， 钢筋 几乎不 发生 锈蚀 ． 钢筋 的锈 蚀 在很大 程度 上取决 于 C O ： ， 氯盐 、 氧 这三 者 的扩散程 度 ． 而影 响这 三者 的 主要 是 混 凝 土 保护 层 的质量 ． 2 混凝 土保 护层质量 混凝土保护层质量 的含意是指保护层 的密实 性 和必需 的厚 度 ． 而提 高混 凝 的密实 性 ， 可 以减 少 混 凝 土 的 内部 微细孔隙量． 在密 实前提下 ， 足够的保 护层 厚度可 以显著 地推 迟 大 气 中水 分 、 氧气 、 氯 离 子 等 侵 蚀 性 介 质一 一渗透 及扩 散 到钢 筋 表 面 的时 间 ， 同 时也 增 加 了对 钢筋锈 蚀膨 胀 的抵 抗 力 ， 这是 防止 钢筋 锈 蚀 的根本 途径 ． 2 ． 1 混 凝土保 护层 厚度 由资料分析可知 ， 沿海地 区混凝 土保护层厚度 当构架 为板 时取 1 5— 2 0 m m， 柱 时取 2 5 mm， 梁 时取 2 5—3 0 m m 显然 是 不 够 的 ， 应适 当增 大 ． 要 保 持 5 0 年左 右 的使用 寿命 ， 又不采取涂层 等防渗措施 的 活 ， 海 洋大气 区及 水位 变 动 混凝 土保 护 区护 层 不 宜 小 5 0 m／ ／ 1 ． 对 于水 下结 构 若考 虑 水 流 冲刷 故 保 护层 应适 当厚 一 些． 但 在 任 何 情 况 下 ， 保 护 层 厚 度 不 能 小于最 大 骨粒直 径 的 1 ． 2 5倍 ． 2 ． 2 混凝 土保 护层 的密实 性 ( 1 )严格控制水灰比 根据 国外现行海工规范及我 国研究成果表明， 水灰比应控制 0 ． 5以下， 这对防止钢筋锈蚀将会收 到显著效果． ( 2 )水 泥 品种 及混 凝土 合理级 配 我 国五大 品种水 泥抗 碳 化 能力 好 差 的次序 为 ： 硅酸 盐水 泥一 普 通 水 泥 +矿 渣 水 泥 一 粉煤 灰 水 泥 6 8 7 O 叭 O O O 0 第 2期 林 乐琴 ： 混 凝 土保 护 层 质 量 与 钢 筋锈 蚀 l 9 +火 山灰水 泥 ． 因此 要 选 择 抗碳 化 能 力 较好 的 水 泥 品种 ， 同时要 注意混凝 土合 理级配 ， 防止骨料 直径 过大 ， 以提高抗渗能力． ( 3 )施工 质量 保 证 混凝 土 质 量是 提 高 混 凝 土 密 实 性 的重 要 环节． 若混凝土浇灌质量不佳 ， 或养护不善， 表面容 易产生蜂窝 、 麻 面、 龟裂 、 冷缝等缺 陷， 钢筋不 能完 全被 水泥 浆 所 复 盖 ， 这 将 为 空 气 渗入 创 造 了条 件 ， 从 而 加快 了混 凝土 的碳 化速 度 ． 因此 ， 要 控 制 混 凝 土 浇 捣 质 量 ， 并 进 行 认 真 养 护 ， 以保证水泥浆完全覆盖住钢筋 ， 从 而使 钢筋周 围有 一道 比较 有 效 地 防 止 侵 蚀 性 物 作 扩 散 的 隔 离 质． 对具有边、 角这些部位要保证 钢筋位置 符合设 计要 求 ． 对耐久性较高部位 ， 混凝 土养护龄期最好不得 小 于 1 4 d ． 3 结 论 在具 体施 工 技 术 上 还 可 以采 取 如 下 四 点 措 施 保 障混凝 土 保护 层厚 度 ． ( 1 )确保混凝土的浇筑质量 ． 在施工过程 中要 严格控制混凝土的水灰 比， 在达到混凝 土和易性 的 条 件 下 ， 降 低 水 灰 比尽 量 减 少 用 水 量 ， 从 而 达 到 减 少 混凝 土 中孔 隙的 目的 ． 而在 浇 筑 混凝 土前 模 板 的 接缝要详细检查 ， 避免 浇筑时的模板漏浆等 现象． 采 用底 部预 铺混 凝 土 或通 过 调 整 骨料 粒 径 的办 法 ， 来 防止 一些 钢 筋 较 密 的水 平 构 件 出 现 混凝 土 蜂 窝 等现象． 对于竖向构件要合理控制混凝 土的坍落高 度 ， 避 免 出现烂 根现 象 ． ( 2 )确保混凝土保护层厚度按照设计要求． 要 按设计要求对保护层的厚度进行控制， 符合在规定 范 围之 内 ， 并且 对要 对 不 同的构 件 采 取不 同 的控 制 要求． 比如 ： 对竖向构件 ， 如墙 、 柱类使用穿墙筋和 S 筋固定的方式 ， 可使用 l： l水泥砂浆来制作厚度 同 保护层 3 0 m m见方的垫块 ， 在主筋上绑扎 2 2号扎 丝从 而控 制保 护层 厚度 ． ( 3 )加 强对成 型 混 凝 土 的养 护 ． 在 实 际工 程 中 常 常发生 养 护不周 而 造 成 的混 凝 土 失水 问题 ， 导 致 混凝土表面出现收缩裂缝． 所以要提高对混凝土养 护 重要性 的认 识 ， 减少 由此 而 引发 的混凝 土耐 久 性 降低 ． ( 4 )一般情况下 ， 钢筋应放在密 闭的仓 库 中， 在有大气腐蚀情 况下， 构件应立即浇灌混凝 土， 避 免产生 锈蚀 ； 对于暴露 在侵蚀环 境 中的结 构和构 件 ， 其受力钢筋宜采用环氧涂层带肋钢筋 ， 预应力 筋 应有 防护措 施 ， 混 凝 土宜 采 用有 利 于 提 高耐 久 性 的高性 能混 凝土 ． 参 考 文献 ： [ 1 ] 黄可信 ． 钢筋混凝 土结构 钢簸腐蚀 与保护 [ M] ． 北京 ： 中 国建 筑工业 出版社 ， 1 9 8 3 ． [ 2 ] 丁威 ， 崔 国惠． 钢筋锈蚀引起混凝土保护层初裂时 间的推定 研究 [ J ] ． 施工技术 ， 2 0 0 0 ( 5 ) ： 1 9— 2 0 ． [ 3 ] 王小惠 ， 刘西拉 ． 受荷钢筋混凝土构件保护层纵 向开裂 时钢筋 锈蚀深 度分析计算 [ J ] ． 混凝土与水泥制 品 ， 2 0 0 3 ( 4 ) ： 4 7— 4 9 ． [ 4] 卢 云飞． 钢筋混凝土结构 氯离子腐蚀 分析与处理 探讨 [ J ] ． 广 东土木 与建筑 ， 2 0 0 4( 6 ) ： 4 9—5 O ． [ 5 ] 李成玉 ， 冯广平 ． 混凝 土保护层厚度和质量对其耐久性 的影响 [ J ] ． 河南石油 ， 2 0 0 2 ( 5 ) ： 4 2— 4 4 ．