混凝土结构中钢筋锈蚀机理分析及其预防措施.pdf

第 3 2卷第 l 期 Vo1 - 3 2 No 1 建筑施工 B U I L D I N G C O N S T R UC T l 0 N 混凝土结构 中钢 筋锈蚀 机理分析及 其预 防措施 Ana l y s i s 0 f Re ba r Cor r o s i on Me c ha ni s m i n Con c r e t e St r u c t ur e a n d Re l a t e d Pr e c a u t i 0n s 口刘 国栋 ( 中冶京唐建设有限公司 河北盾山 0 6 4 0 0 0 ) 【 摘 要】 混凝土结构中钢筋的锈蚀是混凝土结构耐久性的重要影响因素，也是 目前混凝土耐久性课题中的一个难点。根据 工程实践 ，介绍 了钢筋锈蚀的危害，并分析 了钢 筋锈蚀 的机理 以及影响因素 ，提 出 了预 防钢筋锈蚀的技术措施。 【 关键词】建筑结构混凝土钢筋锈蚀影响因素预防措施 【 中图分类号 T U 7 5 5 3 文献标识码 B 【 文章编号】1 0 0 4 一 l O 0 1 ( 2 0 1 0 ) O l 一 0 0 2 8 0 3 0 引言 近几十年来， 许多国家由于混凝土结构耐久性不良引发 的工程事故不断发生 ， 由此造成的工程损 失和维修费 用大大 增加。著名专家梅塔( P K M e h t a ) 教授认为， 影响混凝土耐久 性的因素按重要性递减的顺序分别是钢筋锈蚀、冻融破坏、 侵蚀环境的物理化学作 用。其中 ， 钢筋锈蚀是钢筋混凝 土结 构破坏的主要原因。 据有关资料介 绍 ， 美 国锈蚀损失 的 4 0 与混凝 土中钢筋 的锈蚀有关。 我国以基础设施为主的钢筋混凝土结构中钢筋 的锈蚀也已经造成很大的危害， 并潜存着很大的结构安全威 胁。如我国的海港码头、 滨海设施、 水工、 桥梁都有很多钢筋 锈蚀破坏的事例， 许多工程达不到设计寿命的要求， 大量的 修复工程已经 或正在进行。 因此 ， 采取适 当措施预防钢筋混 凝土中钢筋的锈蚀， 具有十分重大的经济意义， 在某些情况 下甚至关系到人民的生命安全。 1 钢筋锈蚀 的危害 1 1 力学性能退化 出厂合格的钢筋都有明确的屈服点和一定长度的屈服 台阶 ，并且抗拉强度与屈服强度 之比值般在 1 2 5 1 5以 上。然 而 ， 当钢筋发 生锈蚀 后 ， 随着锈 蚀程度 的不 同 ， 其应 力一应变益线将发生不同程度的变化。目前 ， 学术界普遍认 为钢筋的均 匀锈蚀不影响其抗拉强度 ， 但在受力计算中应采 用钢筋的实际面积， 一般截面平均锈蚀率小于 5 时可视为 均匀锈蚀 ； 当锈 蚀率大于 5 后 ， 抗蚀 的应 力集 中现象逐 渐 表现出来 ， 相应的名义屈服 强度 、 极 限强度、 伸长率都明显下 【 作者简介】 刘国栋( 1 9 8 3 一 ) ， 男， 本科， 助理工程师。联 系地 址 ： 河北省唐山市丰润区幸福道 1 6号技 术管理部 ( 0 6 4 0 0 0 ) 【 收稿日期】 2 0 0 9 1 2 2 8 2 8 降， 屈服 台阶逐渐 变短直至消失 ， 钢 筋逐渐呈脆性破坏形式。 相关试验结果表明， 当钢筋截面锈蚀率大于 1 0时， 其延伸 率的递减速度明显增大， 变形性能明显降低。 1 2 混凝土截面性能损伤 混凝土中的钢筋锈蚀以后 ， 其锈蚀物体积是相应钢筋体 积 的 2 4 倍 ， 因而会向四周膨胀 ， 从而在交界面上产生锈胀 力。钢筋锈胀应力会使得受压区混凝土处于双轴异号受力状 态 ， 混凝土沿锈蚀钢筋纵 向胀裂 ， 此时混凝土已完全进入塑性 状态， 混凝土出现受压“ 软化” 现象。而钢筋混凝土构件一旦 锈胀纵裂以后， 与外界的接触面积增大， 钢筋锈蚀速度便大 大加快， 体积将更加膨胀， 严重时可导致保护层大面积剥落。 1 3 锈蚀钢筋与混凝土的粘接性能降低 钢筋锈蚀后， 由于锈蚀产物改变了钢筋与混凝土之间的 接触面， 铁锈体积膨胀使得混凝土抗裂强度降低 ， 从而使锈 蚀钢筋与混凝土之间的粘结性能不断劣化 ， 导致钢筋与混凝 土不能充分协 同工作 ， 致使结构承载 力下降。 早期的研究认为钢筋锈蚀增加 了表 面粗糙 ， 因而对钢筋 与混凝 土的粘结性能是 有利的 ， 但 随后 的研究表 明 ， 在钢筋 锈蚀的初始阶段 ， 截面锈蚀率小于 1 时， 钢筋与混凝土之 间的粘结强度有所提高 ： 而随着锈蚀率的增加， 粘结强度将 有大幅度的下降。 研究认为钢筋直径、 锈蚀程度、 混凝土保护 层厚度等是影响锈蚀后钢筋与混凝土粘结强度的主要因素。 1 4 锈蚀钢筋 混凝土构件受力性能降低 目前， 国内外学者对锈蚀后的钢筋混凝土构件承载力性 能进行了大量的试验研究， 其中最突出的是锈蚀钢筋混凝土 受弯构件的承载力问题。研 究结果表 明， 随着钢筋锈蚀 率的 增加 ， 受弯构件的延性不断降低 ， 并能影响锈蚀梁的破坏形 态。如浙江大学对不同锈蚀率下的混凝土梁试验发现： 随着 梁中钢筋锈蚀量的增加， 其破坏形态由适筋梁向少筋梁的形 键簿魏 国 第3 2 卷 第 1期 刘 国栋 ： 混凝土结构 中钢筋锈蚀机理 分析 及其预防措施 0 1 2 0 1 0 态发展， 破坏时的裂缝由分散的几条转为集中的条。相关 科研单位通过对不同配筋率、 箍筋间距以及不同锈蚀率的钢 筋混凝土梁的抗弯试验研究发现： 钢筋锈蚀率小的梁一般为 受弯破坏 ， 而钢筋锈蚀率和箍筋间距较大时， 往往会发生剪 切破坏。 2 钢筋锈蚀机理分析 混凝土的孔溶液呈碱性，新拌混凝土的 P H 值般都在 1 21 3之间， 在这样强的碱性环境下， 钢筋表面会生成一层 钝化膜 ， 它是厚 度一般为 2 X 1 0 m6 1 0 m的水化氧化 产物 ( F e 2 0 3 n H 2 0 ) ， 阻止 了钢筋 的锈蚀 ， 但是 当 P H值 由于各 种原因降至 1 1 8或者更低时， 钝化膜将不能保持， 钢筋进入 活化 状态 ， 钢筋就会发生锈蚀 。 钢筋表面发生的锈蚀分为化学锈蚀和 电化学锈蚀 ， 化学 锈蚀 是钢筋表面与气体 或介质溶液接触发生的锈蚀 ， 这种锈 蚀没 有 电子的流动 ， 只是锈 蚀现象 的小部分 ， 而 电化学锈 蚀是钢筋表面与锈蚀介质发生电化学反应而引起的锈蚀 ， 绝 大部分锈蚀都属于 电化学锈蚀。 当钢筋表面有水分存在时， 就发生铁电离的阳极反应和 溶液态氧还原的阴极反应 ， 相 互以等速 度进 行。其 电极反应 式为 ： 该化合物被溶解氧化后生成氢氧化铁 F e( 0 H) ， 并进一 步生成 n F e 2 0 3 m H 2 0 ( 红锈 ) ， 一部分 氧化 不完全 的 变成 F e 3 0 ( 黑锈 ) ， 在钢筋表面形成锈层。 红锈体积可大到原来体积 的 4 倍 ， 黑锈体积可大到原 来的 2倍。由于铁锈体积 的膨胀 ， 对 周 围混凝 土产生压 力 ， 将使 混凝土沿 钢筋方 向开 裂( 通常称之 为“ 顺 筋开裂” 、 “ 先锈 后裂 ” ) ， 进而使保 护层成 片脱 落 ， 而裂 缝及保护层的剥落又进一步导致钢筋更剧烈的锈蚀。 3 钢筋锈蚀影响 因素 影响钢筋锈蚀 的因素很 多， 主要有以下几种： 3 1 氯化 物 钝化膜 只有在高碱 性环境 中才是稳定 的 ，氯化 物的浸 入， C 卜 的局部酸化作用使钢筋表面 D H 值下降， 从而钝化膜 遭到破坏 。 3 2 碳化 混凝 土碳化 是指大气 中的 C 0 不 断向混凝土 内部扩散 ， 并 与其 中的碱性水化物 发生化学 反应 的过 程。 碳化使 混凝 土 的碱性降低 ， 破坏钢筋的钝化保护膜， 当有水和氧存在时， 钢 筋锈蚀。 混凝土的碳化过程和碳化速度与所处环境的 C 0 浓 度 、 相对湿度和混凝土本身的抗碳化能 力有关。 3 3 钢筋混凝土的组分 钢筋 的材质和 混凝土 的组 分对钢筋 的锈蚀有 一定 的影 响。同一 环境 中 ， 混凝土强度等级越低 ， 钢筋锈蚀越严重 ： 混 凝土的密实度越小， 氧气、 锈蚀介质及水等就容易渗入混凝 土进 而加速 对混凝 土的锈蚀 ； 混凝土的外加剂有 的对钢筋锈 l l照 I 鼬胃 越 臼 蚀有影响， 有的无影响甚至对钢筋有保护作用； 混凝土的湿 度越 大 ， 越 易锈蚀 ； 钢筋 的不均 匀性 会导致存 在 电位 差和 形 成锈蚀 电池 ， 从而对钢筋产生锈蚀 。 3 4 氧气 的扩散 孔 隙水 中氧气 的存在是钢筋锈蚀的必要条件。 即使钢筋 钝化膜遭破坏 ， 若氧气未能扩散到钢筋表面， 就不会发生钢 筋锈蚀现 象。 3 5 裂缝 混凝土裂缝的产生往往是多种因素综合作用的结果， 但 主要还是 由于荷载 、 温度 、 干缩、 地基变形 、 钢筋锈蚀 、 地基 冻 胀、 碱骨料反应、 混凝土质量差等原因引起的。 构件的裂缝会 降低混凝土对钢筋 的保 护作 用 ， 加速钢筋锈蚀 。 3 6 其他 因素 除上述因素外， 钢筋应力态和环境条件对其锈蚀也有很 大影响， 预应力钢筋更容易锈蚀 ， 而且应力锈蚀比一般锈蚀 更危险 。有研究表明 ， 在 4 O o c 以下时 ， 随 着温度的增加钢 筋 的锈蚀率增加， 但在 4 0 c c 以上时， 反而会延缓钢筋的锈蚀。 4 预防钢筋锈蚀的措施 为避免混凝土中钢筋锈蚀问题的发生， 确保建筑工程的 质量和使用性能， 需采取一定的预防措施 ： 4 1 设计方 面 结构选型和细部设计 时 ，应尽量限制在混凝土面上 、 接 缝和密封处排水和积水；应尽量减少潮湿和溅湿的表面积。 在棱 角或 凸出处和 凹处 应注意。因此 ， 构件形状 力求避免 单 薄、 复杂、 带棱角等 ， 特别是要使这种部位避开频繁的干湿交 替 的浪溅 区域 。 4 2 混凝土保护层的质量和厚度 对于有盐污染环境中的钢筋混凝土结构， 免遭锈蚀破坏 的基本预防措施是最大限度降低混凝土保护层的渗透性， 并 具有适 当的厚 度 ， 一般只要采 用优 质材料 ， 尽量低的水灰 比， 可以制备渗透性很低的混凝土。 4 3 混凝土 中拌和物 中掺 阻蚀剂 钢筋阻蚀剂掺加于混凝土拌和物中， 可均布于整个土体 中 ， 预防盐污染混凝土引起 的钢筋锈蚀 ， 且费 用低廉 ， 效果 明 显 。 4 4 水泥掺和料与外加剂 掺矿渣、 煤粉灰或天然火山灰等矿物质掺和料以替代部 分硅 酸盐水泥或采用掺混和材 的硅酸盐水泥 ， 可 以结合更 多 的 C I 一， 可阻止二氧化碳侵入 ， 从而降低混凝土的碳化速度 ， 提高混凝土对钢筋的保护能 力。 4 5 静电喷涂粉末环氧树脂钢筋 环氧 树脂可使钢筋与环境侵蚀介质完全 隔离 ， 大大提高 抗锈蚀能力。 4 6 提高设计 、 施工质量 在工程建设 中切 实抓 好设计 、 施 工的质量 ， 确保建筑 工 - 2 9 第 3 2卷第 1 期 Vol I 3 2 No 1 建筑施工 B U I L D I N G C o N S T R UC T I O N 既有设备基础改造中的钢 筋工程 施工技术 Con s t r u c t i on Te c hnol og y o f Re ba r En gi ne e r i ng f or Re c on s t r uc t i on o f Ex i s t i ng Equ i pm e n t F ounda t i on 口杨灵霞 ( 中冶天工上海十三冶2 0 1 9 0 0 ) 【 摘 要】 介绍了既有设备基础改造工程中钢筋的处理过程及施工方法，给出了相对应的技术措施，保证了工程质量。 【 关键词1设备基础工程改造钢筋连接结构稳定性技术措施 【 中图分类号 T U 7 5 5 3 文献标识码 B 【 文章编号】 1 0 0 4 1 0 0 1 ( 2 0 1 0 ) O l 一 0 0 3 0 0 2 上海宝钢分公 司 2 0 3 0 冷轧厂新增连退机组工程的 出口 步进梁打 捆机 改造工程 ， 按照原工 艺平 面布置 ， 出 口步进梁 1 号工位为原有 自动打捆机 ， 但该 工位打捆机和称重机( 2号 工位 ) 的布局无法将标准 卷上料到秤上 ， 为解决 新增连退机 组校秤工作， 从生产的可操作性、 可维护性、 安全性等方面考 虑 ， 决定将 I 工位 的打捆机 移至 6 工位 ， 但 由于基础 形式 不 同 ，需 对 6 工位 基础 进行 改造 。基础 改造 面积虽 不足 3 O m 2 ，但 基础处 于重 要部位 ，又是厚板 悬挑 结构( 板厚 9 0 0 m m) ， 与原有基础有连接， 如何处理好钢筋工程施工， 对 结构的安全、 稳定起着决定性的作用。 1 原有基础及改造后基础钢筋配置 整个步进梁基础顶板均为悬挑结构， 原有打捆机基础悬 挑板 厚 9 0 0 m m ， 局部 6 5 0 m m ， 挑 出长度 一侧 为 2 1 8 5 m m， 另一 侧为 1 3 8 5 m m 改造后 基础 悬挑板厚 6 0 0 m m ，局部 5 5 0 m m ， 悬 挑板底标 高不 变 ， 挑 出长度不变。具体 布置及钢 筋配置见图 1 、 2 ： 从图示可以看出， 顶板悬挑结构较大， 配筋较复杂， 而改 造后的基础将原有基础主要受力筋全部割除， 为确保基础结 【 作者简介】 杨灵霞( 1 9 7 6 ) ， 女， 本科， 工程师， 项目副总。联系 地址 ： 上海市宝山 区铁 力路 2 4 6 9号 ( 2 0 1 9 0 0) 【 收稿 日 期】 2 0 o 9 一 l 2 2 8 l _ 。 一 砸 I ； 1 1 i 。 睦 l t J一 吐 呦 l = 图 1 6 工位基础 0 0 0 0平面图 l 5 O 5 0 构稳定、 安全且不影响周边基础结构， 经项目单位、 设计、 监 理、 施工方等共同研究决定 ， 将该鞍座处的悬挑板全部切除， 下部搭 设满堂 脚手架支撑 且每边扩 出 1 5 m用来支撑相 邻 悬挑板， 原有基础连接部位主要竖向受力筋施工需将原基础 钢筋凿出， 再采用单面焊接进行连接， 对水平筋、 分布筋施工 采 用植筋方法植入锚固长度 ， 留 出搭接长度与新配钢筋进行 单面焊接连接， 同时在悬挑板底中部增加 4 0 0 m mX 4 0 0 m m 钢筋混凝土柱子做支撑 ，柱子底部钢筋植入原有基础底板 内， 上部钢筋锚入悬挑板。 程达到国家规定的质量要求： 切实控制好建筑工程的使用条 件， 避免因使用不当而造成混凝土开裂； 远离污染源， 杜绝建 筑工程直接受到有害气体或化学物质的污染和侵蚀； 做好建 筑工程的保护工作 ，使混凝 土的保护层和建筑工程的内 、 外 墙的粉刷面保持完好， 避免混凝土受到有害环境物质的污染 和侵蚀 。 5 结语 3 0 防治混凝土中的钢筋锈蚀是 目前混凝土耐久性大课题 中的一个难点， 混凝土中钢筋锈蚀与钢材锈蚀既有相同之处 又有其特殊性 ， 本文较为系统地分析 了混凝土 结构 中钢筋锈 蚀的机理 、 影响 因素及 其防治措施 ， 由于钢 筋锈 蚀对混凝土 结构造成的破坏是非常严重的， 一旦发生事故， 后果将是灾 难性的。 因此如何预防及防止钢筋锈蚀仍然是今后研究的重 要方向之一。 鞠鞠 女 龟 露 基 攀