混凝土中钢筋锈蚀机理及防治措施.pdf

2 0 1 2年第 3期( 总 1 8 4期 ) 安徽建筑 一 I一 I BI I I l ll Bi l l i i - 施 工 技 术 研 究 与 应 用 混凝土中钢筋锈蚀机理及防治措施 Re i n f o r c e me n t Co r r o s i o n Me c h a n i s m l n Co n c r e t e a n d i t s Pr e v e n t i o n Me a s u r e 徐慧珠 ， ， 熊文凯z ( 1 安庆市城乡规划设计院 ， 安徽安庆2 4 6 0 0 0； 2 安徽艺源建筑艺术设计有限责任公司安庆分公司 ， 安徽安庆2 4 6 O O 0) 摘要： 文章论述了 锈蚀钢筋混凝土耐久性问 题 中 钢筋锈蚀的机理、 锈 蚀的不同研 究方法、 混凝土开裂时钢筋的锈蚀量 以及 防止氯 离子侵 蚀的 防护措施 。 关键词： 钢筋锈蚀； 机理； 锈蚀量； 防护措施 中图分类号 ： T U 5 2 8 5 7 1 文献标识码 ： B 文章编号： 1 0 0 7 7 3 5 9 ( 2 0 1 2 ) 0 3 - 0 0 8 4 - - 0 2 0 前言 混凝土结构是现如今建设领域中应用最为广泛的结构形 式， 由于使用环境的多样化以及工业污染的E t 益加剧， 混凝土 结构受环境侵蚀的危害性也 日益严重， 钢筋锈蚀是影响混凝土 耐久性的主要因素之一， 因此， 弄清钢筋锈蚀的机理及防腐的 措施是混凝土耐久性的重要课题。 1 混凝土中钢筋锈蚀机理 1 1混凝土中钢筋锈蚀机理 混凝土中钢筋的锈蚀具有一般电化学浮士德特征， 即在锈 蚀钢筋表面至少同时进行两个电极反应。 一个是金属的阳极溶 解反应， 即金属被氧化， 以离子形式转入溶液， 其化学反应方程 式为 ： Fe -* Fe 2 e 在阳极附近， 与 O H。 形成难溶的 ( 0 哪 并在富氧条 件下进一步氧化为 ( D 奶， ， l i p ： 2 + + 2 0 一 ( 0 4 F e ( O H) 2 + 0 2 +2 1 1 2 O - - * 4 F e ( O H ) 3 r e ( O H ) ， 脱水后， 变成疏松、 多孔、 非共格的红锈 忍2 0 ， ， 即 2 F e ( O H ) ： - * F e 2 0 3 日2 0 在少氧条件下 ， F e( 0 H ) 2 氧化不很完全 ，部分形成黑锈 F e 3 0 4 ， 即： 6 F e ( O H h + O 2 2F e 4 +6 H 2 0 因此， 最终的锈蚀产物取决于供氧状况。 锈蚀的阴极过程是溶液中各种去极化剂在腐蚀 电池的阴 极上被还原的过程。对于金属腐蚀来说， 氢离子和氧分子的阴 极还原反应是最常见的两个阴极去极化过程， 相应发生的金属 腐蚀分别称为析氢腐蚀和吸氧腐蚀。 当混凝土构件处于强酸或 较强酸性环境介质中时， 则可能发生析氢腐蚀 ， 此时， 由于钢筋 处于在混凝土包围中， 腐蚀反应产生的氢气很难即使排出， 氢 气在钢筋锈蚀时进入钢筋之中， 极易产生“ 氢脆” 现象。当混凝 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 3 2 6 作者简介： 徐慧珠( 1 9 7 7 - ) 。 女， 安徽安庆人 ， 毕业于安徽建筑工业学 院， 学士 ， 工程师。 土构件处于含有溶解氧的中性或者碱性介质中， 由于氢离子浓 度很低， 则发生吸氧腐蚀。 由钢筋腐蚀的电位 - P H可知，混凝土中钢筋腐蚀的类型 为： 4 P Hi1 1 5时， 发生吸氧腐蚀 ； P H4时， 发生析氢腐蚀。 在正常情况下( 强酸或较强酸性环境除外 ) ， 混凝土的 P H值均 大于6 ， 因此， 混凝土中的钢筋腐蚀为吸氧腐蚀。 在阴极区， 大气中的氧扩散至钢筋表面并溶解于钢筋表面 的水膜， 由它吸收阳极传来的电子 ， 发生还原反应， 即： 0 2 + 2 H2 0+ 4 e - - - * 4 0H 在阴极产生的 O H- 通过混凝土空袭中的液相被送往阳极， 这样， 就形成了腐蚀电流的闭合回路 ， 如图 1 所示。 田 1 自 然气候环境、 人工气候环境模拟环境下混凝土内钢筋锈蚀机理 1 2混凝土中钢筋锈蚀的条件 未被腐蚀的混凝土对其内部的钢筋具有良好的保护作用， 这是因为混凝土呈强碱性， 其 P H值约为 1 2 1 3 ， 在这样的强碱 性环境中，钢筋表面形成一层致密 的氧化膜 ( 其厚度约为 2 0 6 o的水化氧化物 ri f e 0 3 ta t t o o) ， 使钢筋处于钝化状态不被 腐蚀。 但是， 如果由于某种原因破坏了钢筋表面的钝化膜， 则在 适宜的条件下钢筋就会发生锈蚀。 混凝土中的钢筋锈蚀属于电化学腐蚀， 根据腐蚀电化学原 理， 混凝土中钢筋锈蚀的发生必须具备以下三个条件： 在钢筋表面存在电位差， 构成腐蚀电池 ； 钢筋表面的钝化膜破坏， 处于活化状态 ； 在钢筋表面有腐蚀反应所需的水和溶解氧。 至筑 _ 安徽建筑 2 0 1 2年第 3期( 总 1 8 4期 ) 由于钢筋含有杂质及钢筋成分的不均匀性 、 周 围混凝土提 供的化学物理环境的不均匀性， 都会使钢筋各部位的电极电位 不同而形成腐蚀电池， 因此， 条件总是被满足的。 空气中的氧气 和水分很容易通过混凝土中贯通的孔隙与微裂缝进入到钢筋 表面， 提供锈蚀反应所需的水和氧。 钢筋处于活化状态的原因： 一 是氯离子侵蚀或混凝土中掺入过量氯盐， 当钢筋表面氯离子 浓度超过临界值 ， 则使钢筋脱钝 ； 二是混凝土碳化使保护层混 凝土的P H值降低， 从而破坏钢筋表面的钝化膜。对一般大气 环境， 钢筋脱钝基本上是保护层混凝土碳化引起的， 因此混凝 土碳化是一般大气环境下混凝土中钢筋锈蚀的前提条件。 1 3混凝土钢筋锈蚀的类型 从腐蚀形态来看， 混凝土中的锈蚀可以分为均匀锈蚀和点 状锈蚀； 就锈蚀机理而言， 可以分为微电池腐蚀和宏电池腐蚀。 对于由横向裂缝引起的裂尖处钢筋与混凝土脱开导致的脱钝， 其他部位钢筋仍处于钝化状态， 此时的阴阳极是分开的， 称为 宏电池腐蚀 ； 对于有保护层混凝土碳化引起的脱钝， 则不形成 明显的阴极与阳极， 阴阳极是紧密相邻并随时变换的， 称为微 电池腐蚀。 氯离子侵蚀导致钢筋脱钝 的锈蚀基本上属于宏 电池 腐蚀 ， 混凝土内钢筋表面有较大孔洞时 ， 在孔洞附近将形成宏 电池腐蚀。 1 4混凝土保护层锈胀开裂时钢筋锈蚀率的计算公式 根据已有的文献资料， 是影响开裂锈蚀量的重要参 乙 数， 开裂锈蚀率随 的变化为递增关系。另外， 混凝土强度 ， ： ! 去 、 R 3 个参数。 用角区 光圆 钢筋的试验数据， 进行多 元 乙 回归分析， 并 对钢筋种类和钢筋位置的影响进行修正， 得 乙 到保护层锈胀开裂时钢筋锈蚀率的计算公式为： 7 c ，； 妯 3 9 6 8 1 o 2 ( 1 + c R ) ： 月 。 D B 4 2 防止钢筋锈蚀的措施 2 1材料性能 针对混凝土结构的使用环境来选择适宜性能的混凝土； 控 制混凝土的水灰比， 减小混凝土内部的毛细孔， 降低混凝土的 渗透性， 可降低混凝土的腐蚀量； 可采用非活性骨料 ， 减小活性 物含量， 使用低碱水泥 控制混凝土中的碱含量 ， 适当掺人引气 剂， 弓 1 人均匀气泡 ， 减小膨胀破坏。 2 2确定防护地区及等级 氯离子腐蚀的地区按环境中氯离子浓度划分等级 ， 按照地 区的不同等级， 制定相应的防护措施。 2 3裂缝控制 现行设计对于裂缝的控制主要是针对混凝土的适用性为 设计依据的， 控制钢筋混凝土构件的最大裂缝宽度 ， 而另一个 严格控制裂缝宽度的主要原因就是防止钢筋锈蚀 ， 保证结构的 耐久性。保证构件截面具有足够的配筋率， 并合理选择混凝土 保护层厚度和钢筋直径 ， 若截面含钢量相同时， 选择直径较小 的钢筋， 增加钢筋根数， 合理布置钢筋可提高构件的抗裂度。 加 强混凝土的养护， 控制水灰比， 规定钢筋混凝土结构伸缩缝最 大间距， 加强梁、 墙间的构造配筋可减小收缩裂缝。 2 4维护 影响混凝土结构耐久性的因素往往是关于时间的变量， 对 于服役期内的混凝土结构应定期维护检修； 处于复杂使用环境 下的结构， 可以采用裂缝监测系统， 时时观测， 及时采取措施 ， 防患于未然 。 2 5提高混凝土保护层厚度和质量 混凝土厚度增加， 则氯离子渗入混凝土到达钢筋的时间就 会增加 ，这是延迟混凝土内部钢筋开始锈蚀很有效的一种方 法 。 在制作混凝土时 ， 加强施工质量控制 ， 对增加混凝土密实 度、 提高混凝土质量是非常重要的。 另外， 在混凝土中加入高效 减水剂和优质掺合料， 可以从根本上改善混凝土的性能， 提高 混凝土抵抗氯离子渗入的能力。 2 6混凝 土表面涂层 为了制止氯离子等腐蚀介质渗入混凝土，以延缓钢筋腐 蚀， 对修补过的混凝土结构甚至新浇筑的混凝土结构， 涂覆混 凝土作为第一道防线往往是一种比较简单、 经济和有效的辅助 性保护措施。 2 7耐腐蚀钢筋 采用耐腐蚀钢筋混入型和渗入型氯离子的防护都是很有 效的。从效果和经济综合考虑， 目前的研究和应用热点是环氧 涂层钢筋。 2 8钢筋阻绣剂 钢筋阻绣剂通过影响钢筋和电解质之间的电化学反应， 可 以有效地阻止钢筋腐蚀发生。 拌制混凝土时掺加阻绣剂也是预 防恶劣环境中钢筋腐蚀的一种经济有效的补充措施。 3 结语 在我国漫长海岸线上的港口码头、 民用建筑、 公用厂房 等等一系列的结构物都处在氯盐侵蚀的环境中， 而这些结构物 对当地的经济发展都起着重要的作用，提高它们的耐久性， 延 长其使用期限对经济的发展有着重要的意义。 氯离子侵蚀是一个漫长而又非常复杂的过程，需要多 个学科的共同合作。 目 前尚未对其形成一个统一的认识， 因此， 需要长期对这方面的研究。 我国目前还没有一个成熟的关于混凝土耐久性 的规 范，但是出于对现有结构物以及在建结构物的耐久性考虑， 应 当依据现有研究成果提出防护措施和建议。 参考文献 f 1 】 曹楚南腐蚀电化学原理【 M 】 北京： 化学工业出版社， 1 9 9 5 【 2 】 王林科 钢筋混凝土腐蚀构件的可靠性分析【 D 】 西安： 西安建筑科 技大学 ， 1 9 9 4 【 3 】 邸小坛， 周燕 旧建筑物的检测加固与维护【 M 北京：地震出版社 ， 1 9 9 2 4 】 牛荻涛， 等 混凝土结构耐久性与寿命预测【 M 】 北京 ： 科学出版社， 2 0 03 【 5 】 王涛， 刘秦， 王磊 影响混凝土结构耐久性的主要因素及预防措施 【 J 】 河南建材， 2 0 0 9 ( 4 ) 6 1 金伟良， 赵羽习混凝土结构耐久性【 M 】 北京： 科学出版社 ， 2 0 0 2 I I i = = = I 施 工 技 术 研 究 与 应 用 至筑 _