钢筋锈蚀引起混凝土结构裂缝的分析及防治.pdf

问题研究 第2 9 卷2 0 1 1 年第4 期( 总第1 5 4 期) 钢筋锈蚀引起混凝土结构裂缝的分析及防治 施文俊 刘鲁群 张树国 李振江 ( 1 莱钢集团公 司运输部2 莱钢股份型钢厂 莱芜2 7 1 1 0 4 ) 摘要混凝土材料受不良使用条件 、 不当的使用方法和环境污染等影响造成钢筋锈蚀 ， 进而引起混凝土 结构过早的破坏， 文章通过分析混凝土中钢筋锈蚀的机理和影响因素， 提出了防止钢筋锈蚀的一些措施。 关键词 混凝 土结构裂 缝钢 筋锈蚀预 防处理 1 概述 混凝土材料 由于受不 良的使用条件 、 不 当的 使用方法、 环境污染等的影响， 造成钢筋锈蚀已成 为混凝土结构中的普遍现象。轻则影响结构的使 用性和耐久性 ， 重则降低结构承载力， 甚至导致结 构失效。钢筋锈蚀引起混凝土结构的过早破坏 ， 已成为各国普 遍关 注的一大灾 害 ， 大量混凝土结 构由于钢筋锈蚀， 不得不维修或拆除， 造成巨大的 经济损失。通过分析混凝土中钢筋锈蚀的机理和 影响因素， 提出防止钢筋锈蚀的一些措施。 大量的工程实践和理论分析表明， 钢筋混凝 土构件基本上都是带裂缝工作的。只是有些裂缝 很细 ， 甚 至肉眼看不见 ( 缝宽小于0 5 ra m) ， 一般对 结构的使用无大的危害， 允许其存在 ； 有些裂缝在 使用荷载、 外界物理及化学因素作用下， 不断产生 发展引起混凝土炭化、 保护层剥落及钢筋锈蚀， 使 钢筋混凝土强度和刚度受到削弱， 耐久性降低 ， 严 重时甚至发生垮塌事故， 危害结构的正常使用， 必 须加以控制。因此研究混凝土裂缝产生的原因及 预防措施是非常重要和迫切 的。 2 产生钢筋锈蚀的原因 2 1 混凝土炭化造成钢筋锈蚀 混凝土炭化是一般大气环境中钢筋锈蚀的前 提条件， 正常情况下， 空气中的二氧化碳气体在混 凝土表面逐渐被氢氧化钙吸收， 形成炭化钙， 这种 现象称为混凝土炭化 。炭化 的速度除与二氧化碳 的浓度有关外 ， 还取决于相对湿度及混凝土的密 实度等。一般状态下， 由于水泥的水化作用， 混凝 土内的p H值为1 2 一 l 3 。在此环境下钢筋周围形成 一 种保护膜， 即钝化膜， 可保护钢筋不被锈蚀。混 凝土中钢筋表面钝化膜的稳定性主要取决于周围 混凝土的p H 值 ， 因此钢筋锈蚀速度与混凝土液相 的p H值有密切关系， 当p H 1 0 时， 钢筋的锈蚀速 度相对较小 ， 而当p H 4 时 ， 则锈蚀速度急剧增 加 。研究证 明 ， 钢筋锈蚀是从 p H = l 1 8 时开始的 ， 此时钢筋的钝化膜 已不稳定 并逐渐破坏 ； 在氧 和 水的作用下， 使钢筋开始锈蚀， 由于锈蚀钢筋的体 积膨胀 ， 最终导致混凝土保护层胀裂。由于混凝 土炭化后的p H值降低 ， 因而随着炭化深度的增 加， 钢筋的锈蚀率相应增加。 2 2与环境 湿度 密切 相 关 相对湿 度对混凝 土中钢筋锈蚀有双重作用 ， 一 方面影响混凝土中氧气的扩散速度； 另一方面 则影响混凝土的电导率。因此存在一个钢筋锈蚀 速度最快 的相对湿度 。湿度不仅直接影响钢筋的 电化学锈蚀速度 ， 而且还影响混凝土的炭化速度， 从而间接地使钢筋产生锈蚀。混凝土的湿度大 时， 其 自由水含量高 ， 对空气的渗透性低， 炭化慢， 完全饱和 的混凝土不可能炭化 ； 完全干燥( 相对湿 度不大于2 5 ) 的混凝土一般也不会炭化 ， 根据实 际调查和实验分析， 结果发现气候 比较干燥的地 区， 钢筋锈蚀较慢 ， 而常年多雨 、 干湿交替频繁 的 地区锈蚀较快。在干燥的环境下， 如室内的钢筋 混凝土结构， 不仅炭化速度慢， 而且即使炭化达到 钢筋表面， 钢筋也未发生锈蚀。大多数钢筋混凝 土结构构件处于干燥环境中， 运行几十年也未发 生钢筋锈蚀 ， 而当结构构件处于湿度较大的环境 中， 尤其是处于干湿交替的环境或渗雨渗水的部 位， 钢筋锈蚀一般较快。在十分潮湿的环境中， 即 相对湿度大于8 0 时 ， 混凝土孔隙中充满水分 ， 二 氧化碳气体不容易透人 ， 难以造成钢筋锈蚀。当 相对湿度低于4 o 时， 在钢筋表面难以形成水膜， 钢筋几乎不生锈。而当空气相对湿度在4 0 8 0 时， 有利于炭化作用 ， 混凝土中的钢筋就容易锈 蚀。 2 - 3 裂缝对钢筋锈蚀的影响 裂缝及其宽度对钢筋锈蚀是有影响的， 而且 裂缝宽度不同其影响程度也不同。首先， 裂缝加 快了锈蚀的发生， 即锈蚀开始的时间提前， 而在早 一 6 5 第2 9 卷2 0 1 1 年第4 期( 总第 1 5 4 期) 问题研究 期 ， 裂缝宽度对钢筋锈蚀影响较大 ， 因为钢筋失去 钝化 时间取决 于裂缝 的宽度 。然而锈 蚀一旦 开 始， 其影响程度大大降低， 这时锈蚀速度取决于未 开裂处混凝土保护层的质量和渗透性。混凝土保 护层的质量越好 ， 渗透性越小 ， 氧气及水分的供给 量越少 ， 锈蚀速度越慢。随着炭化进程的深入， 毛 细孔将逐渐被堵塞， 使混凝土渗透性逐步降低 ， 锈 蚀速度也随之下降 。当钢筋锈蚀速度小到一定程 度时， 即在设计寿命期内不影响其各项力学指标 时， 就称之为不锈蚀或处于钝化状态 ， 实际锈蚀持 续进行 ， 只是有时锈蚀程度速率很小而已。裂缝 对钢筋锈蚀的影 响程度又与环境条件相关 。我 国 调查结果表明处于露天或潮湿环境下 ， 裂缝宽度 达到 0 1 2 m m以上时 ， 裂缝处钢 筋锈蚀严重 ， 而处 于室内干燥的条件下， 即使有裂缝， 钢筋也基本无 锈蚀或锈蚀较轻。 2 4 混凝土 内掺加氯盐造成钢筋锈蚀 混凝土中12 1 - 含量对钢筋的影响极大 ， E l - 可能 是随混凝土组成成分 ( 水泥 、 砂 、 石料或 l- J J n 剂 ) 进 入混凝土的， 也可能是在混凝土硬化后经其空隙 由外界渗入 的， 许多学者认为 ， 由混凝 土组成材料 带人混凝土 的有限氯盐不会 引起钢筋锈蚀。因为 这些有限含水量的氯盐与水泥中的铝酸盐结合成 难溶于水的氯铝酸盐及水化铁氯盐 ， 而不以游离 的c l 一 状态存在。在外界经混凝土自身孔隙渗入的 氯盐比掺人的氯盐危害更大， 因为掺人的氯盐仅 有极少量可参与化合反应生成难溶的化合物， 当 外界渗入的氯盐量达到混凝土重的0 1 0 2 时 ， 即能引起钢筋锈蚀。c l 一 含量对钢筋的锈蚀影响还 与混凝土是否炭化、 p H值的大小有关 ， 当混凝土 p H值降低时， 氯化物含量很低也可能造成钢筋锈 蚀 。 3 预 防钢筋锈蚀措施 3 1 提 高混凝土的密实度 。 降低混凝土的孔 隙率 外界的有害物质通过混凝土内部的孑 L 隙， 渗 入到混凝土内， 最后到达钢筋表面， 破坏钢筋钝化 膜 ， 引起钢筋锈蚀。因此， 为阻止外界有害物质侵 入混凝土内而使钢筋锈蚀， 就要提高混凝土的密 实度。而要提高混凝土的密实度 ， 就必须降低混 凝土的孔隙率 ， 特别是毛细管孔隙率 ， 最主要的方 法是降低混凝土的拌合用水量。但如果纯粹的降 低用水量， 混凝土的工作性将随之降低， 又会导致 捣实成型困难 ， 同样造成混凝土结构不密实， 甚至 一 6 6一 出现蜂窝等缺陷。因此提高混凝土密实度有如下 措施。 ( 1 ) 保证混凝土的施工质量 ： 首先要选用级配 良好的集料， 控制材料的含泥量， 因为如果集料的 级配不好， 含泥量偏大， 就会使混凝土内部的孔隙 增大 ， 混凝土密实度随之降低 ； 其次混凝土要采用 机械搅拌及机械振捣 ， 保证混凝 土搅拌均匀振 捣 密实 ； 还要防止 昆 凝土在运输和浇筑过程中产生 离析现象。最后要做好混凝土的养护， 保证混凝 土到达设计强度要求。 ( 2 ) 掺入高效减水剂： 在保证混凝土拌合物所 需流动性的同时 ， 尽可能降低用水量， 减少水灰 比， 使混凝土的总孔隙率， 特别是毛细管孔隙率大 幅度降低。水泥在加水拌合后 ， 会产生一种絮凝 状结构 ， 在这些絮凝状结构中， 包裹着许多拌合 水， 从而降低了新拌混凝土的工作性。施工中为 了保持混凝土拌合物所需的工作性 ， 就必须在拌 合时相应的增加用水量 ， 这样就会促使水泥石结 构中形成过多 的孔隙。当加人减水剂 的定向排列 时， 使水泥质点表面均带有相同电荷， 在电性斥力 的作用下， 不但使水泥体系处于相对稳定的悬浮 状态 ， 还在水泥颗粒表面形成一层溶剂化水膜， 同 时使水泥絮凝体内的游离水释放出来 ， 因而达到 减水 的目的。 ( 3 ) 掺入高效活性矿物掺料 ： 普通混凝土的水 泥石 中水化物稳定性的不足 ， 是影 响混凝土耐久 性的一个主要因素。在普通混凝土中掺入活性矿 物 ， 在于改善混凝 土中水泥石的胶凝物质的组成 ， 消除游离石灰 ， 是使水泥石结构更为致密， 并阻断 可能形成的渗透路径。 3 2 控制混凝土裂缝， 尽量避免有害物质的出现 混凝土裂缝是普遍存在 的 ， 由于裂缝 的存在 和发展， 通常会使内部的钢筋等材料产生腐蚀， 降 低钢筋混凝土材料的承载能力、 耐久性及抗渗能 力， 影响建筑物的外观、 使用寿命 ， 严重者将会威 胁到人 的生命财产安全 ， 混凝 土裂缝产 生的原 因 很多 ， 有 变形引起 的裂缝 ( 如温度 变化 、 收缩 、 膨 胀、 不均匀沉陷等) 。有外荷载作用引起的裂缝 ； 有养护环境不当和化学作用引起的裂缝等等。常 见的有干缩裂缝、 沉陷裂缝和温度裂缝等。预防 混凝土裂缝的主要措施有： ( 1 ) 尽量选用收缩量较小、 低热或中热水泥， 如矿渣水泥、 粉煤灰水泥等。 ( 2 ) 混凝土的干缩受水灰比的影响较大， 水灰 问题研究 第2 9 卷2 0 1 1 年第4 期( 总第 1 5 4 期) 比越大， 干缩越大， 因此要严格控制水灰比， 掺加 高效减水剂来增加混凝土的坍落度和和易性 ， 减 少水泥及水的用量。 ( 3 ) 加强混凝土的早期养护 ， 及时覆盖塑料薄 膜或者潮湿的草垫 、 麻片等 ， 保持混凝 土终凝前表 面湿润， 或者在混凝土表面喷洒养护剂等进行养 护 。冬季施工时 ， 要适 当延长混凝 土保温覆盖时 间。在高温和大风天气要设置遮 阳帽和挡风设 施 ， 及时养护。 ( 4 ) 在混凝土结构中设置合适 的收缩缝 。 ( 5 ) 为防止沉陷裂缝的出现 ， 上部结构施工前 应对松软地基进行夯实和加固， 模板应有足够的强 度和刚度， 且支撑牢固， 并使地基受力均匀， 模板拆 除的时间不能太早， 且要注意拆模的先后次序。 3 3防止氯离子的侵蚀 氯离子的侵入是钢筋锈蚀的主要因素。氯离 子进入混凝土有两种途径 ： 其一是“ 混入” ， 如掺用 含 氯离子 的外加剂 ， 使用 海砂 ， 施 工用水含氯 离 子 ， 在含盐环境中拌制浇筑混凝土等； 其二是“ 渗 入 ” ， 环境 中的氯离 子通过混凝土 的宏观 、 微观缺 陷渗入到混凝土中， 并到达钢筋表面， 为防止氯离 子的侵入 ， 采取的主要措施有 ： ( 1 ) 控 制原 材料 中氯离子 的含量 。当原材料 中氯离子含量超标时 ， 就要采取预防措施 ， 这是防 止“ 混人” 型氯离子进入混凝土的主要措施。 ( 2 ) 提 高混凝 土保护层厚度 。混凝土保护层 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的一种 很有效地方法 。 ( 3 ) 混凝土表面涂层。为制止氯离子渗入混 凝土， 延缓钢筋腐蚀， 涂覆混凝土作为第一道防线 是一种简单 、 经济和有效地辅助性保护措施 。 ( 4 ) 钢筋表层涂刷防腐涂料。目前采用较多 的是环氧涂层钢筋 ， 由于其是在钢厂流水线上涂 覆的， 因此 ， 一般可以保证涂层的质量 ， 使钢筋与 周围混凝土隔开， 即使有害物质大量侵入混凝土， 也可长期保护钢筋， 使钢筋免遭腐蚀。 ( 5 ) 掺加钢筋阻锈剂。钢筋阻锈剂的作用是 钢筋钝化膜被破坏时能够 自行再生， 自动维持 ， 从 而避免钢筋腐蚀 ， 这比人为地涂层更加经济 、 简 便 。拌制混凝土时掺加阻锈剂也是预防恶劣环境 中钢筋腐蚀 的一种经济有效地补充措施 ， 亚硝 酸 盐是目前应用最广的钢筋阻锈剂。 4总结 随着新材料 、 新工艺的不断出现 ， 防治钢筋锈 蚀的任何技术措施， 都必须建立在可靠的工程质 量地基础上。钢筋锈蚀破坏实践证明， 对腐蚀环 境认识不足或没有采取适当的防护技术措施 ， 是 导致钢筋锈蚀过早 出现的重要原 因。 目前钢筋 的 防护技术是多种多样的。钢筋锈蚀这一建筑通病 将会逐渐减少 ， 只要弄清了产生的原 因， 并提出有 针对性的防治措施， 就一定会将危害降到最低。 ( 2 O L O 一 0 8 1 0 收稿) 上接第6 4 页 济上的合理性后， 决定把原皮带加长9 6 m ，重新硫 化皮带接头两个。在设备安装时， 用两个3 2 t 手动 葫芦将坠陀处皮带配重箱起升到指定位置 ， 并用 皮带夹子将皮带接头固定在预留位置。利用两台 宽 8 0 0 ram的硫化机对新皮带和原皮带预留接头进 行硫化。 6 制动装置的改造 制动器工作原理就是利用摩擦副中产生的摩 擦力来实现制动的， 混4 皮带是上坡皮带， 皮带倾 角为7 。， 因为原混4 皮带抱闸制动效果很差， 常采 用逆止链防止皮带倒料， 对皮带机头滚筒和皮带 非工作面划伤较严重。新设计的制动器安装在减 速器高速轴端可与机头电动机同步工作， 电动机 启 动时抱闸由电液推动器 自动 打开 ， 电动机停止 时， 抱闸依靠自身弹簧弹力将制动轮抱死， 可以有 效防止皮带重负荷停车机尾倒料挤死皮带。 7 结束语 带式输送机机头支架及传动装置改造后， 使 混合料造球系统设备布局更加合理， 造球滚筒实 现了混合料上水控制智能化， 缩短了混合料在皮 带上的运输行程， 减小了混合料对皮带和柔性料 仓的冲击， 延长了皮带使用寿命， 提高了造球滚筒 水分控制的稳定性和混合料的成球率， 为 1 0 5 m 烧 结机生产的平稳顺行创造了良好条件。 ( 2 0 1 0 0 5 2 1 收稿) 一 6 7