钢筋混凝土结构耐久性的影响因素分析.pdf

第9 卷第4 期 石家庄铁路职业技术学院学报 VOL 9 NO 4 2 0 1 0年 1 2月 J OU R N AL O F S H I J I A Z HU A N G I N S T I T U T E O F R AI L WA Y T E C H NO L O GY De c 2 0 1 0 钢筋混凝土结构耐久性的影响因素分析 张巧 慧 ( 陕西铁路 工程职业技术学院 陕西渭南7 1 4 0 0 0 ) 摘要：从钢筋混凝土结构耐久性的影响因素出发，分析碳化、氯离子侵蚀导致的钢筋锈蚀对混 凝土结构耐久性损伤所起的作用，最后提出通过适当增加保护层厚度提高混凝土结构的耐久性。 关键词：钢筋混凝土 耐久性 碳化氯离子侵蚀 腐蚀 保护层厚度 中图分类号：U 4 4 8 2 5 文献标识码：A 文章编号：1 6 7 3 1 8 1 6 ( 2 0 1 0 ) 0 4 0 0 3 0 0 4 1 引言 近年米，许许多多的结构都使用钢筋混凝士，钢筋混凝士结构的耐久性也普遍受到重视 ，影响 钢筋混凝土结构耐久性的因素有很多，如最小水泥用量、最大水灰比、腐蚀性化学品 ( 硫化物、氯 花物)冻融循环作片 j 、混凝土碳化、钢筋锈蚀 、以及混凝土保护层裂缝。其中混凝土碳化和钢筋锈 蚀对混凝土结构的耐久性起着不可估量的作用。 钢筋混凝士结构在 自然环境、使“ 环境及材料内部因素的作用下，随着时间的增加，结构的性 能会逐步退化，从而使得承载能下降，影响结构的安全和正常使片 j 性能，缩短结构的使用寿命，影 响混凝土结构的耐久性。其中混凝土中的钢筋锈蚀是造成混凝土结构耐久性损伤 的最重要因素，在 一 般的大气环境中，混凝土碳化则是混凝_十中钢筋锈蚀 的前提条件，在海洋环境中或除冰盐环境中， 氯离子侵蚀是钢筋锈蚀的主要原因。 2 混凝土碳化 混凝十结构在没有受到C 1 等有害介质侵入钢筋不会锈蚀主要原因是由于混凝土孔隙内含有C a ( OH)2 、Na 0 H和K 0H 孔溶液，其p H 值在 l 2 5 1 3 5 之间，保持一个碱性的环境，钢筋在高碱性 的环境中，表面会形成一层钝化膜 ( Y F e 2 03 ) ，保护钢筋不被锈蚀。当钢筋表面的P H值下降或氯 离子浓度达到一定值后，会导致钝化膜破坏，钢筋锈蚀。而混凝土的碳化是指混凝土中的碱性物质 ( 主要是C a( 0H)2 )与渗进混凝士中的二氧化碳 ( c o2 )利其它酸性气体如二氧化硫 ( 8 0 2 ) 、硫 化氢 ( H2 S )等发生复杂的物理化学反应过程，虽然混凝土内部的碳化可 以增强混凝土的强度，改善 混凝土结构的尺寸稳定性，但是碳化使混凝士的碱度下降，当混凝土完全碳化后 ，p H值为8 5 9 0 ， 在这种情况下混凝士中埋置的钢筋表面钝化膜被逐渐破坏，如果再有水和氧气存在，混凝土中的钢 筋就开始锈蚀，导致混凝土结构破坏。混凝士的碳化是衡量钢筋混凝土结构物使用寿命的一个重要 指标。 收稿 日期：2 0 1 0 - 0 9 2 4 作者简介：张巧慧 ( 1 9 8 1 一 ) ，女，汉，山西长治人，硕： ： ，研究方向铁道工程。 30 第 4期 张巧慧 钢筋混凝土结构耐久性 的影响 素分析 混凝土的碳化是水泥石中水化产物与环境中二氧化碳 ( C O 2 )相互作用的一个非常复杂的物理 化学连续过程 。是一个 由表及里、缓慢 向混凝土 内部扩散的过程。另外，凡是能与 C a( 0H)2 进行 中和反应的一切酸性气体，如 S O2 ，S O3 ，H 2 S以至于气相 H C 1 等，均能发生中和反应，使混凝土碱 度降低 ，故混凝土碳化广义地称为 “ 中性化” 。以普通硅酸盐水泥为例，其主要水化产物有：水化硅 酸钙 ( C3 S 2 H3 ，占6 0以上) ，氢氧化钙 ( C a( o H)2 ，约占 2 5) ，水化铝酸钙，水化硫铝酸钙等。 其 中 C a( 0 H)2 在水中的溶解度低 ，除少数溶于孔隙液中使之成为饱和碱溶液外，大部分以结晶的 形式存在，成为孔隙液保持高碱性的储备，它的 p H值为 1 2 5 一 1 3 5 ，在这种高碱性的环境中，钢 筋表面会形成一种保护膜，使其免遭破坏。在水泥水化过程中，由于化学收缩、自由水蒸发等原因， 使水泥石成为一个含有固相、液相和气孔的非均质体。环境中二氧化碳气体首先渗透到混凝土内部 充满空气的孔隙和毛细管，其次溶解于孔隙内的液相并生成碳酸，然后与水泥石中各水化产物发生 碳化反应。水泥石中各水化产物稳定存在 p H值，见下表。 水泥石中各水化产物稳定存在的p H值 当混凝土细孔溶液的 p H 值低于表 1中的临界数值时，该物质就开始进行分解，在水化物中的 氢氧化钙首先与酸性物质反应。 主要的碳化反应方程式如下： CO2 +H2 0= H2 CO3 Ca ( OH)2 +H2 CO3 = Ca CO3 + 2 H2 O Ca S i 03 + H2 CO3 = Ca CO3 +S i O2 +H2 0 3 Ca O 2 S I O2 3 H2 0 +3 H2 COs = 3 Ca CO3 - - 2 S i O2 - f - 6 H2 0 钢筋混凝土碳化的机理就是火气中的二氧化碳与混凝土中的碱性物质，在气相 、液相和同相中 进行的一个十分复杂的多相物理化学连续过程。混凝土碳化实质上就是混凝土碱性降低的过程 。未 碳化区混凝T L 隙溶液的p H值达 1 2 5 左右，完全碳化区混凝土孔隙溶液的p H 值一般为8 O 9 0 之问。 当p H值降至l 1 5 以下时，钢筋周围的致密钝化膜就受到破坏 ，在水和氧气得到满足的条件下，钢筋 就开始锈蚀。断面减小，强度降低，钢筋与混凝土之间失去黏结力， 导致构件整体性受到破坏 ，进而 导致整个结构体系的破坏。 根据F i c k 第一扩散定律，碳化深度X 与时间t 的关系满足 ： x：k 式中：卜碳化系数； C _ 一为钢筋的混凝土保护层厚度； 3 1 ( 石家庄铁路职业技术学院学报 2 0 1 0年第 4期 钢筋开始锈蚀的时间。 可见，在混凝士受碳化腐蚀下，钢筋脱钝开始锈蚀的时间与钢筋的混凝土保护层厚度 的平方成 正 比 。 3 氯离子侵蚀 氯离子侵蚀主要是混凝土结构在海洋环境、除冰盐环境 中受氯离子侵入而引起的钢筋锈蚀。一 般认为氯离子的扩散过程服从 F i c k第二扩散定律，氯离子在没有开裂的混凝土中的扩散模型为： Cx = (Cs - CO )j + c0 式中： ， 时刻距混凝土表面 处的氯离子浓度 ； c 混凝土表面处的氯离子浓度； 初始氯离子浓度 ； 一 氯离子的扩散系数 ； z 时间。 将上式转化为钢筋锈蚀初始时问 与钢筋的混凝土保护层厚度 C的关系式，如下： 斟 (羞 式中，c 一引起钢筋锈蚀的临界氯离子浓度 。 可见 ，若不考虑混凝土的碱皮等其他因素的偶合作用，氯离子在混凝土中的侵蚀符合F i c k第二 扩散定律模拟，钢筋脱钝开始锈蚀的时间也与保护层厚度的平方成正比。 3 混凝土保护层厚度与耐久性的关系 3 1保护层厚度的作用 钢筋混凝土结构中的钢筋保护层， 一般是指包裹在结构构件受力主筋外面具有一定厚度 的混凝土 层。钢筋的混凝土保护层厚度是指从混凝土表面到最外层钢筋 ( 包括纵向钢筋、箍筋和分布钢筋) 公称直径外边缘之间的最小距离；对后张法预应力筋，为套管或孔道外径边缘到混凝土表面的距离。 也就是受力主筋外皮到构件表面的尺寸。其主要作用有：力学作用，即截面受力的需要；满足钢筋 粘结、锚围的要求，使钢筋充分发挥计算所需的强度 ；结构耐久性的需要；满足防火要求 ，保护构 件不因高温影响而急刷丧失承载能力。 3 2保护层与耐久性的关系 就耐久性方面而言，钢筋的混凝土保护层能够隔绝外界环境的有害杂质直接抵达钢筋表面，防 止钢筋锈蚀。外介质若要到达钢筋表面，就先通过混凝土保护层，在混凝土质量相同的 情况下，混 凝士保护层越厚，外介质通过保护层到达钢筋表面的时间就越长。研究和实践表明， 适 当加大混凝 土保护层厚度可提高混凝土结构耐久性、延长混凝土结构使用寿命。混凝土保护层厚度与混凝土结 构的耐久性的关系，一般存在如下一些规律： ( 1 )钢筋脱钝开始锈蚀所需时间与保护层厚度平方成正比； 第 4期 张巧慧 钢筋混凝土结构耐久性的影响因素分析 ( 2 )一般环境下，混凝土保护层厚度每减少2 5 ，混凝土碳化到钢筋表面所需的时间就缩短 5 0 ： ( 3 )混凝土保护层厚度每减少1 0 mm，混凝土的透氧量增加l 0左右； ( 4 )耐久可靠指标平均提高0 5 ，混凝土保护层厚度需增加5 mm左右。 4 结论 钢筋的混凝土保护层能够保护钢筋不被锈蚀，或延长钢筋开始锈蚀的时间。通过分析钢筋混凝 土保护层与混凝土碳化、氯离子侵蚀 、等腐蚀下的钢筋锈蚀时间。分析表明，进行耐久性设计，在 保护层质量等相同的情况下，适当增加保护层厚度，可以延长混凝土的碳化到钢筋表面 ( 或氯离子 侵入到钢筋表面)的时间，保护钢筋不受腐蚀，从而最终起到提高混凝土结构耐久性 的作用 。 参考文献 ： 【 1 】 刘芳， 宋志刚， 潘仁泉， 等 用F i c k第二定律描述混凝土中氯离子浓度分布的适用性 J 混凝土与水泥制品， 2 0 0 5( 4 ) 【 2 】 于成龙， 李胜强 混凝土碳化机理及预测模型分析 J 】 重庆建筑， 2 0 0 9( 5 ) 【 3 】 张誉 混凝土结构耐久性概论【 M】 上海： 上海科技技术出版社， 2 0 0 3 4 】 刘秉京 混凝土结构耐久性设计 I 北京： 人民交通 出版社， 2 0 0 7 【 5 C E C S 2 2 0 ： 2 0 0 7 混凝土结构耐久性评定标准【 S 】 E 京： 中国建筑l,i k 版社， 2 0 0 7 Ana l y s i s o n I n flu e nc i n g Fa c t or s o f Dur ab i l i t y o f t h e Re i n f o r e e d Co n c r e t e S t r uc t ur e Z HA N G Q i a o h u i ( S h a a n x i R a i l w a y I n s t i t u t e We i n a n S h a a n x i 7 1 4 0 0 0 C h i n a ) Ab s t r a c t ： S t a r t i n g f r o m i n fl u e n c i n g f a c t o r s o f d u r a b i l i t y o f t h e r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e ，t hi s p a p e r a n a l y z e s t h e e ff e c t s o f t h e c a r b o n i z a t i o n a n d c o r r o s i o n o f s t e e l b a r h a v e O N t h e d u r a b i l i t y o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e ，a n d l a s t l y p r o p o s e s t o i n c r e ase i n t h e t h i c k n e s s o f p r o t e c t i v e l a y e r t o i mp r o v e t h e d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e s t r u c t u r e Ke y wo r d s ：r e i n f o r c e d c o n c r e t e d u r a b i l i t y c a r b o n i z a t i o n t h i c kn e s s o f c o n c r e t e c o v e r 3 3