李延

鋼筋表面處理后抗銹蝕性能的研究

李延

（滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 滁州 475004）

通過對鋼筋的表面進(jìn)行處理改善其抗銹蝕能力；通過試驗對處理后鋼筋的抗銹蝕能力進(jìn)行驗證。分析表明這種處理方法能夠有效提高鋼筋的抗銹蝕能力，改善鋼筋抵抗惡劣環(huán)境的能力。在一些環(huán)境中具有較高的應(yīng)用價值。

鋼筋；表面處理；抗銹蝕

引言：

耐久性是混凝土結(jié)構(gòu)的重要性能之一，直接影響工程結(jié)構(gòu)壽命，造成混凝土質(zhì)量下降的因素有施工質(zhì)量、材料的選擇、外部荷載作用、氯離子的侵入、微生物的腐蝕等作用。在諸多因素中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋在工作過程中由于受到溫度、濕度、二氧化碳、凍融循環(huán)等因素的影響而發(fā)生的銹蝕破壞是最重要的因素之一。這種情況在潮濕環(huán)境中工作的混凝土和混凝土中的氯鹽含量較多的結(jié)構(gòu)中較為常見。

在我國的碼頭工程、橋梁工程中有很多結(jié)構(gòu)體由于鋼筋銹蝕而需要對其進(jìn)行加固處理。

針對以上問題對鋼筋銹蝕發(fā)生的原因、危害和阻止鋼筋銹蝕的方法進(jìn)行研究就成為非常必要的工作。作者提出了鋼-連續(xù)纖維混雜筋的解決方案，并對試驗結(jié)果進(jìn)行了分析，對鋼-連續(xù)纖維混雜筋在腐蝕環(huán)境中工作的性能進(jìn)行了分析。

一、鋼筋銹蝕的原因

（一）混凝土碳化

混凝土中水泥的水化產(chǎn)物是Ca（OH）2，Ca（OH）2是一種強(qiáng)堿性物質(zhì)，PH>12.5，在這種環(huán)境下鋼筋的表面會形成一層薄薄的鈍化膜，這層鈍化膜可以阻止鋼筋銹蝕起到保護(hù)作用。但是由于混凝土本身存在一些微小的裂縫和空隙，在長期的工作中由于受到各種荷載的作用，又對裂縫產(chǎn)生放大的效果，CO2氣體和水會通過這些裂縫進(jìn)入混凝土內(nèi)部與Ca （OH）2發(fā)生中和反應(yīng)，反應(yīng)方程式如下：

Ca（OH）2+CO2+H2O→CaCO3+2H2O

當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到一定程度，PH<9時鋼筋的鈍化膜會遭到破壞發(fā)生銹蝕危害。

（二）電化學(xué)腐蝕

在混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋腐蝕的主要原因是電化學(xué)腐蝕，在鋼筋表面由于存在著不規(guī)則的微小凸凹變形的現(xiàn)象使得臨近的局部存在著電位差，因而存在著很多微電池。在在這種情況下鋼筋在陽極區(qū)被氧化為Fe+進(jìn)入水膜，在陰極被還原為OH-，兩者結(jié)合而成為不溶于水的Fe（OH）2造成鋼筋的銹蝕破壞。電化學(xué)腐蝕在近海近岸工程的高氯環(huán)境中較為普遍。反應(yīng)示意圖見圖1：

圖1　電化學(xué)腐蝕示意圖

（三）化學(xué)腐蝕

這種腐蝕是指鋼筋表面與腐蝕性介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而破壞，鋼筋在高溫環(huán)境下形成的氧化物是Fe3O4，在常溫下氧化的產(chǎn)物是FeO。

通過上述內(nèi)容我們可以看到不論是電化學(xué)腐蝕還是化學(xué)腐蝕都是由于混凝土不夠密實造成腐蝕性介質(zhì)通過混凝土的裂縫進(jìn)入到鋼筋的表面附近與鋼筋發(fā)生反應(yīng)而造成的。解決該問題有兩個途徑，一是提高混凝土的密實度阻擋腐蝕性介質(zhì)的進(jìn)入；二是提高鋼筋的抗腐蝕性能。

二、鋼—纖維混雜筋FRS（Fiber Reinforced Steel）的提出和抗銹蝕性能的測定

在材料科學(xué)研究中使用復(fù)合材料是改善材料性能，縮短研究時間的一種有效方法。針對鋼材抗腐蝕能力差的缺點，設(shè)想在鋼筋表面使用樹脂膠粘貼一層碳纖維材料，制作鋼-纖維混雜筋FRS （Fiber Reinforced Steel）可以有效提高鋼材的抗腐蝕性能。

碳纖維是一種新型材料，具有比強(qiáng)度、比模量高的特點。使用樹脂膠將碳纖維束粘貼在鋼筋的表面可以形成一層保護(hù)層有效的提高鋼筋的抗銹蝕性能。

鋼—纖維混雜筋 FRS（Fiber Reinforced Steel）的試件模型如下：

在鋼材的腐蝕原因中電化學(xué)腐蝕造成的損失占到總腐蝕量的70%以上，根據(jù)這種情況設(shè)計如下試驗裝置：

（一）試驗材料

試驗材料選用的是HRB335鋼筋，對比試驗是在其中一根鋼筋表面涂抹環(huán)氧樹脂，另一根不作處理采用裸筋的形式。

（二）試驗方法

試驗的各項參數(shù)為：使用濃度為3%的NaCl溶液作為電解液，在試驗中分別將電源連接鋼筋的兩端作為正級和負(fù)極，在試驗中保持通過未經(jīng)處理的HRB335鋼筋的電流強(qiáng)度為0.12A，通過經(jīng)過處理的HRB335鋼筋的電流強(qiáng)度為0.04A（本來電流強(qiáng)度應(yīng)該為零，但是由于鋼筋表面的環(huán)氧樹脂涂抹不均勻，導(dǎo)致鋼筋內(nèi)部有微弱電流）。每次稱取試件質(zhì)量的時間間隔為72h，稱取質(zhì)量使用的工具是電子秤，型號為“JA51001”，稱重的精度為“0.1g”。提供直流電源的裝置是石家莊無線電四廠生產(chǎn)的直流電源，型號為“SS1792C”，能夠提供精度為“0.01A”的電流，試驗裝置見圖2。

圖2　直流穩(wěn)定電源

（三）試驗結(jié)果分析

1、試驗結(jié)果的對比和分析

試驗的總周期是18天，共稱取了7次質(zhì)量，試驗結(jié)果見表1：

表1　銹蝕試件的質(zhì)量

兩種鋼筋的質(zhì)量損失示意圖見圖3。

圖3　兩種鋼筋電化學(xué)腐蝕質(zhì)量損失示意圖

由表4和圖3可見，在同樣的電化學(xué)腐蝕時間內(nèi)，未經(jīng)處理鋼筋的質(zhì)量損失要大于經(jīng)過處理鋼筋的質(zhì)量損失，經(jīng)過18d的腐蝕，經(jīng)處理鋼筋的質(zhì)量損失是34.3g，經(jīng)過處理鋼筋的質(zhì)量損失是21.9g。但是其銹蝕速率的發(fā)展卻有不同的特點，未經(jīng)處理鋼筋銹蝕的速率較為均勻，在銹蝕的開始階段質(zhì)量損失的速率比較大，在后期有減緩的趨勢，這是因為經(jīng)過腐蝕后鋼筋表面的鐵銹阻止了鐵離子從其表面逸出造成銹蝕速率減小，其發(fā)展趨勢總體比較平緩，未經(jīng)處理鋼筋的銹蝕情況見圖4。

圖4　未經(jīng)處理鋼筋的銹蝕

圖5　經(jīng)處理鋼筋的銹蝕

經(jīng)過處理鋼筋銹蝕的發(fā)展帶有明顯的離散性，在銹蝕的開始階段，由于鋼筋外部涂抹的保護(hù)層的保護(hù)鋼筋銹蝕的速率非常緩慢，在試驗的開始3d中經(jīng)處理鋼筋的質(zhì)量損失是0.7g，在隨后的試驗中其銹蝕速率不斷加快在第9d至12d的試驗中質(zhì)量損失最多達(dá)到9.9g，原因是在為鋼筋涂抹保護(hù)層時會存在一定的初始缺陷，經(jīng)過一定時間的銹蝕，銹蝕后體積膨脹的鐵銹將保護(hù)層上的初始缺陷脹裂，而加速了鋼筋的銹蝕。其質(zhì)量損失的速率有加快的趨勢。經(jīng)處理鋼筋的銹蝕情況見圖5。

三、結(jié)論

（一）鋼纖維混雜筋能夠有效提高鋼材的抗腐蝕能力；

（二）鋼筋表面涂抹保護(hù)層可以增強(qiáng)鋼筋的耐腐蝕性能，但是這是指質(zhì)量損失方面，如果保護(hù)層涂抹的不均勻，存在初始缺陷，會由于嚴(yán)重的坑蝕造成其強(qiáng)度的嚴(yán)重下降。因此在對鋼筋進(jìn)行防腐處理時需要保證保護(hù)層涂抹的質(zhì)量，這一點需要引起足夠的重視；

（三）纖維混雜筋在工程實用中，纖維涂層的涂抹質(zhì)量必須作為主控項目進(jìn)行檢查，在其服役過程中，應(yīng)該預(yù)埋導(dǎo)線，進(jìn)行定期檢測。

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TU375

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1671-5993（2016）02-0047-02

2015-10-25

李延（1979-），男，河南開封人，滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程系教師，碩士研究生。