钢筋混凝土井架中钢筋锈蚀机理分析.pdf

煤 炭 科 技 COAL S CI ENCE & TECHN0L 0GY MAGAZI NE 2 0 1 2年第 2期 No 2 2 01 2 文章编号 ： 1 0 0 8 3 7 3 1 ( 2 0 1 2 ) 0 2 0 0 2 8 0 3 钢筋混凝土井架中钢筋锈蚀机理分析 徐敏州， 郝圣杰 ( 徐州华美房地产开发有限公司， 江苏 徐州2 2 1 2 ) 摘要 ： 介绍 了某煤矿钢筋 混凝土 井架钢筋锈蚀 的现状及锈蚀 的主要原 因， 分析 了钢筋锈 蚀的机理。 结合工程实际条件， 确定了阻止钢筋进一步锈蚀的方法及井架的加固方案， 对类 似工程 的加 固改造有借 鉴作用 。 关键字 ： 钢 筋混凝土 ； 井架工程 ； 钢筋锈蚀 中图分类号： T U 3 7 5 文献标志码 ： B 钢筋 混凝土结构是 土木工程建筑 中的首选形 式，而混凝土中钢筋锈蚀破坏是影响建筑物质量和 使用期的重要因素。据不完全统计， 每年用于桥梁、 公路 、房屋等基础设施工程 因混凝土结构的钢筋锈 蚀而投入的修复费用高达数千亿美元；有的建筑物 使用不到 l 0 年，就出现大面积因钢筋锈蚀引起的混 凝土开裂 、 剥蚀 。因此， 分析钢筋混凝土结构 中钢筋 锈蚀原因和机理 ，对建筑物加固和安全使用具有现 实意义。现以某煤矿钢筋混凝土提升井架钢筋锈蚀 加固为例进行说明。 1 井架钢筋锈蚀现状及危害 1 1 井架钢筋锈蚀情况 某煤矿井架原建于 2 0世纪 6 0年代 ，为 5层钢 筋混凝土框架结构， 总高度为 1 8 8 m 。由于该井架 使用年数较长， 并且大部分构件都处于露天环境 ， 经 风雨冻融等自然条件侵蚀， 目 前已停用， 准备将井架 改造为纪念原煤矿为地方经济所做 出的贡献的景观 建筑 ， 以资纪念。 该井架混凝土梁柱等构件均 出现较大范围的保 护层裂缝 、 脱落 、 露筋及钢筋锈蚀现象 ( 见 图 1 ) 。钢 筋锈蚀后导致混凝土结构性能的劣化和破坏 ，主要 表现在 3个方面： 钢筋锈蚀导致钢筋截面积减 少，使得钢筋的力学性能下降； 钢筋锈蚀导致钢 筋和混凝土之间的粘结力减小，使得钢筋与混凝土 不能很好地协同工作，造成钢筋混凝土构件承载能 力下降； 由于铁锈蚀产物体积是原铁体积的2 4 倍， 锈蚀产物在混凝土和钢筋之间堆积， 最终会导致 混凝土保护层破坏 ，使得钢筋与混凝土的粘结力迅 速下降甚至完全丧失。 图 1 因钢筋锈蚀井架混凝土保护层脱落 1 2 井架裂缝情况 井架梁柱表 面裂缝 较多 ，部分 裂缝宽度达 到 1 5 mm左 右 ( 见 图 2 ) ， 有 的部位 出现构件混凝 土 掉角或成片保护层脱落。从裂缝的走向看， 裂缝主 要分为两大类 ： 一类是和钢筋方 向一致的顺筋裂缝 ， 一 类是垂直构件截面的横向裂缝。顺筋裂缝产生 的 原因主要是由于钢筋锈蚀后锈蚀产物体积比原来铁 的体积大 2 4 倍，锈蚀产物体积膨胀而使混凝土保 护层产生沿钢筋方 向的胀裂 ，锈胀严重处钢筋混凝 土保护层会出现整体脱落 。垂直于构件截面的横 向 裂缝多出现在框架柱间的斜向支撑上，其产生的原 因主要是由于长年受提升绞车的运转所产生的往复 振动和变形 ， 在构件截面上出现拉力 ， 超过混凝土的 抗拉强度而引起 的。 图2 构件裂缝情况 2 0 1 2年第 2期 徐敏州等： 钢筋混 凝土井架中钢筋锈蚀机理分析 2 9 2 钢筋锈蚀机理与锈蚀原因分析 普通混凝土是一种强碱性物质，其 p H值一般 为 1 2 5左右 ， 混凝土中的钢筋在强碱性环境 中表面 生成致密的钝化膜 ，在正常情况下钢筋不会发生锈 蚀。但在外界因素的作用下，钢筋钝化膜会遭到破 坏 ，在环境 、水和氧气 的作用下钢筋发生 电化学锈 蚀。混凝土钝化膜破坏的主要原因有混凝土碳化和 氯离子侵蚀两种。 混凝土碳化主要是 由于空气中的二氧化碳从混 凝 土的表面渗透到毛细管 、 空隙 、 气泡 中， 与混凝土 中的水泥水化产生的氢氧化钙 、 硅酸二钙 、 硅酸三钙 等水化物发生化学反应，化学反应使混凝土中高碱 性的氢氧化钙变成了碳酸盐与其他的化学物质 ， 从 而降低了混凝土的 p H值 ，钢筋维持钝化膜完好的 条件就会被打破， 钢筋就开始锈蚀。 氯离子是一种活 性较强的离子，混凝土中的氯离子会吸附在钢筋局 部钝化膜处， 使得该处的p H值降低。当混凝土中的 氯离子达到一定浓度时 ( 此浓度称为钢筋锈蚀 临界 浓度 ) ， 钢筋钝化膜破坏 ， 钢筋开始锈蚀 。 钢筋锈蚀包括4个基本过程： 阳极反应过程： 钢筋 阳极 区的铁原子进行释放 电子的氧化反应 ， 即 ： F e F e 2 + + 2 e 一 ； 电子传输过程： 阳极区释放的电子 通过钢筋向阴极区传送； 阴极反应过程： 钢筋表 面附近的电解质溶液中溶解的氧气与阳极区传来的 电子发生还原反应： 0 2 +2 H 2 0+4 e - - - * 4 0 H 一 ； 锈蚀 产物生成过程： 阴极 区生成 的 O H一 与阳极附近的 F e 反应 生成 F e( O H) ， F e( O H) ： 会被 进一 步氧化 成 F e O ， ( 红锈 ) 或 F e ， O ( 黑锈 ) 。钢筋锈蚀 电化学反应 如图 3 所示 。 、 O O02 F e ( O H)F e ( O H) I l ： I 砼 I ：n 丰 l Q 旦 兰 I l 钢筋 e - F e 一e l l 砼 阴极 阳极 阴极l 根据现场情况和混凝土试样的测试分析 ，该井 架混凝土构件钢筋锈蚀的主要机理是混凝土的碳 化 ，引起井架混凝土中钢筋锈蚀的主要原 因是建筑 物的年限较长并缺乏有效的维护。钢筋锈蚀过程在 外界影响因素的影响下， 才能逐渐显示出来。 井架建 造时间已经近 5 0年 ，并属于露天环境中使用 的构 件，空气中的湿空气和有害气体长期不断地渗入混 凝土内部 ， 特别是构件的棱角部位。 该部位混凝土在 浇筑时本身就不易密实，抗渗透性差，抗碳化能力 弱， 加之面临双向渗透， 致使混凝土碳化速度快， 一 般棱角部位的碳化速度 比平面部位快 4 0 8 0 。 因 此 ， 从本工程井架主体结构外观看 ， 底层梁柱棱角部 位及上部露天部分的钢筋锈蚀较严重。 根据井架损伤检测， 按照 工业建筑可靠性鉴定 标准 分析评定， 该井架主体结构的损伤情况及其性 质应属 D级， 即属严重损坏， 不采取加 固修复措施 不可继续使用。 3钢筋锈蚀结构修复方法 3 1 裂缝注胶 对于出现裂缝的梁柱构件 ，首先清除裂缝表面 的灰尘 、 浮渣等污物 ， 然后用压缩空气将裂缝 内的灰 尘吹出， 再用棉丝沾丙酮擦拭裂缝表面。之后 ， 将 注 胶底 座底 部周边均匀涂抹一层 封缝胶 ，并按 间距 2 0 03 0 0 m m进行安装。然后用小铲刀将封缝胶刮 抹到裂缝上， 厚度 1 m m左右， 宽度 2 03 0 m m， 保 证封闭严密可靠。 将配制好的灌缝胶装入注射器， 竖 向裂缝按从下 向上的顺序 ，水平裂缝按从一端向另 一 端的顺序， 进行裂缝注胶。注胶结束后 ， 2 4 h 内不 得扰动注胶底座 ， 35 d后方可拆除。 3 2 继续锈蚀的防治 钢筋锈蚀是影响井架安全性和耐久性的主要因 素。 为防止混凝土中的钢筋继续锈蚀 ， 可凿除因钢筋 锈蚀而疏松的混凝土保护层，用角磨机对锈蚀钢筋 打磨除锈后 ， 刷涂钢筋阻锈剂 ， 并用环氧砂浆进行修 补。修补后再在混凝土构件外部涂刷迁移型复合钢 筋阻锈剂 ， 提高混凝土的抗渗性 ， 以阻止外界空气中 二氧化碳、 水蒸气、 氧气等侵蚀介质的侵入 ， 从而阻 断钢筋锈蚀继续发生的条件。 迁移型复合钢筋阻锈剂是以胺类物质与脂肪酸 酯按一定比例复合而成的多功能阻锈剂。它能在十 分致密的混凝土中扩散渗透 ，达到混凝土 内的钢筋 表面。 胺类物质被吸附于钢筋表面后 ， 与脂肪酸酯相 互作用形成一层致密的栅网结构， 与钢筋牢固粘结， 形成一层保护膜阻止氯离子、水分和氧气扩散进人 钢筋表面 ， 可大大提高混凝土抗渗透能力 ， 延缓混凝 土本身的老化过程 ， 使混凝土的耐候性 、 耐腐蚀性 、 抗冻性等耐久性指标都得到提高。 3 3 构件的加固与后期装饰 煤 炭 科 技 3 0 C0AL S CI ENCE & TECHNOL0GY MAGAZ I NE 2 0 1 2 年第 2期 No 2 2 01 2 文章编号 ： 1 0 0 8 3 7 3 1 ( 2 0 1 2 ) 0 2 0 0 3 0 0 2 深部破碎围岩巷道支护技术探讨 欧林山， 石圣庆， 王德忠 ( 江苏省矿业工程集团有限公司， 江苏 徐州2 2 1 0 0 6 ) 摘要 ： 汾西集 团公司宜兴煤矿一 1 0 1 0 m 回风 暗斜井矿压显现明显， 变形严重。在扩巷修护 过程 中， 因围岩松 动圈较大 ， 施工锚杆孔 时易 出现破碎矸 石堵 眼现象。通过采用 辅助 导管安 装锚杆联合注浆支护技术 ， 提高 了巷道修护速度 ， 取得 了良好 的经济效益和社会效 益。 关键词 ： 破碎 围岩 ； 辅助导管； 联合注浆 ； 锚 注扩巷 中图分类号 ： T D 3 5 3 文献标志码 ： B 1 工 程概 况 用辅助导管安装锚杆的方式配合注浆加强支护。 宜兴煤矿一 1 0 1 0 m回风暗斜井于 2 0 0 2年 3月 施工，采用锚网梁索喷联合方式支护，净宽 4 2 0 0 mm，净高 3 7 0 0 m m。因受掘进扰动及工作面采动影 响， 目 前变形严重， 平均宽度2 8 0 0 m m， 平均高度 2 5 0 0 m m， 最矮处仅 1 3 0 0 mm， 造成一 1 0 1 0 m水平以下风量 变小， 温度升高， 严重影响矿井的安全生产。 经过分析 ， 巷道变形的原因有二 ： 一是周 围巷道 布置密度大， 巷道之间的间距小， 致使巷道 自然稳定 性差 ； 二是受工作面采动影响 ， 采动压力施加到支护 体上的作用力远大于锚网梁索喷的支护强度，集中 应力使巷道变形量进一步增大。 经研究 ，拟采用锚 网梁索喷加注浆方式修护巷 道。扩巷后巷道断面为毛宽 4 7 0 0 m m、毛高 3 8 5 0 m m。施工发现 ， 因松动圈及 断层影响 ， 巷道 围岩破 碎， 出现卡钎、 树脂药卷装入困难等问题。研究后采 2 辅助导管安装锚杆支护工艺 辅助导管采用 长 1 2 0 0 m m， 外径 4 0 m m、 内径 3 5 mm的钢管制作 ， 一端尖状 ， 另一端焊有把手( 见 图 1 ) ， 以便使用完毕后拔出。 1 2 o o 图 1 辅助导管示意 使用时先采用直径 4 2 mm的大钻头打眼 1 2 0 0 mm深( 松动圈范 围在 8 0 01 2 0 0 m m) ， 将辅助导管 推人眼中， 挡住周边的破碎矸石 ， 接着用直径 3 2 m m 的钻头从辅助导管 内施工锚杆孔至 2 3 0 0 m m深 ， 然 后清扫锚杆孔 ， 用锚杆将树脂药卷轻轻推人眼底。推 人过程 中， 树脂药卷可以先通过辅助导管 ， 避开破碎 围岩 ， 成功快速到达孔底。使用帮锚机( 煤电钻) 或锚 杆机对树脂药卷进行搅拌， 搅拌时间 2 5 3 5 s ， 退出辅 k 红 、 红 J k 红 耙c 、 、 、 红0、 、 甜 由于矿井已经废弃， 该井架已停止使用， 不再受 提升绞车所引起的荷载作用 ，改造为小区的景观建 筑 ， 二层设有平台以供人游览参观 ， 因此应按 民用建 筑的设计要求进行受力验算 。对 由于钢筋锈蚀而造 成承载力不足的混凝土构件， 综合考虑梁柱的损伤 情况及现场施工条件 ， 柱采用外包角钢加 固法 、 梁采 用外粘钢板的加 固补强方法。 补强工程加固完毕后 ， 根据周围的建筑物及环境要求，对井架表面进行装 饰处理。 4 结语 将废弃煤矿井架改造为景观建筑时，要综合考 虑井架过去的使用状况及现状 ，确定影响其安全性 和耐久性的主要因素；在综合考虑构件钢筋锈蚀损 伤情况及现场施工条件下 ，采取有效措施阻止钢筋 进一步锈蚀， 对主体构件合理地进行加固， 延长其使 用寿命 。 作者简介 ： 徐敏州( 1 9 6 4 _ 一) ， 男， 江苏灌南人， 毕业于南 京工业大学土本工程专业， 徐州华美房地产开发有限公司工 程师。 ( 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 3 2 3 )