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        混凝土中鋼筋銹蝕與結(jié)構(gòu)耐久性研究

        2021-12-11 10:02:58
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2021年36期
        關(guān)鍵詞:氯離子陰極表層

        王 瑋

        (南京市公共工程建設(shè)中心,江蘇 南京210019)

        1 研究背景

        建筑構(gòu)件的功能和特性主要包括其安全特性、通用特性以及結(jié)構(gòu)的耐久程度等三個主要層面。這當(dāng)中耐久程度有關(guān)的要求是指在正常維護條件下結(jié)構(gòu)不發(fā)生嚴(yán)重的風(fēng)化、腐蝕、脫落、碳化,鋼筋不發(fā)生銹蝕等[1-2]。由于結(jié)構(gòu)的耐久性不足而造成混凝土結(jié)構(gòu)的失效已成為實際工程中的重要問題。各種因素對混凝土耐久性的影響程度是不同的。在某年的第2屆世界水泥混凝土結(jié)構(gòu)的耐久程度國際討論大會上,世界知名學(xué)者梅塔博士(P.K.Mheta)把影響混凝土耐久性的因素按如下因素進(jìn)行了排列:鋼筋銹蝕、凍融破壞和可能出現(xiàn)侵蝕的外部環(huán)境帶來化學(xué)以及物理方面的效應(yīng)。國際上以及國內(nèi)建筑領(lǐng)域的水泥混凝土結(jié)構(gòu)的耐久程度相關(guān)的調(diào)查報告指出,鋼筋部位出現(xiàn)銹蝕屬于鋼筋水泥混凝土結(jié)構(gòu)的耐久程度受到削弱以及破壞的最重要的原因之一。

        2 鋼筋部分發(fā)生銹蝕現(xiàn)象的原理

        2.1 銹蝕現(xiàn)象發(fā)生的原理

        我們分析金屬材料發(fā)生腐蝕現(xiàn)象的各種原理,發(fā)現(xiàn)可以將其劃分為化學(xué)方面的腐蝕以及電化學(xué)方面的腐蝕現(xiàn)象兩大種類。一般狀態(tài)之下,電化學(xué)方面的腐蝕現(xiàn)象要比化學(xué)方面的腐蝕現(xiàn)象發(fā)展的速度快得多,同時發(fā)生的場合也更加普遍,對于建筑結(jié)構(gòu)造成的危害也就更大。水泥混凝土的構(gòu)件中鋼筋部位發(fā)生腐蝕現(xiàn)象通常是金屬鐵和電解質(zhì)間發(fā)生了相互作用,是一種電化學(xué)方面的腐蝕現(xiàn)象。

        電化學(xué)方面的反應(yīng)的出現(xiàn)需要滿足如下4大條件:

        (1)鋼筋具有電化學(xué)特性的不均勻特征,即為電位負(fù)值陽極(A)與電位正值的陰極(K)間存在著電位差值△V。

        (2)陽極區(qū)位置和陰極區(qū)位置間,電解質(zhì)的R值比較小。

        (3)陽極區(qū)位置的鋼筋處在活化情況下,鋼筋容易發(fā)生氧化反應(yīng),也就是鐵離子變成Fe2+,并且放出電子,陽極PA數(shù)值比較小。

        (4)陰極區(qū)位置,鋼筋表面的電解質(zhì)的氧化劑比較充足,可與陽極區(qū)位置的自由電子發(fā)生反應(yīng),生成OH-,也就是發(fā)生了氧的還原反應(yīng),此時的陰極PK數(shù)值比較小。

        此時鋼筋表面位置處的電化學(xué)方面的腐蝕現(xiàn)象對應(yīng)的反應(yīng)方程式為:

        陽極區(qū),鐵被腐蝕,反應(yīng)的化學(xué)方程式為:

        在陰極區(qū)是氧和水吸取電子的過程:

        陰陽極共同反應(yīng)的結(jié)果是:

        鋼筋部分發(fā)生銹蝕的產(chǎn)物為Fe(OH)3,其發(fā)生失水反應(yīng)變成了Fe2O3,該物質(zhì)即為俗稱的“鐵銹”。在鋼筋部位表層出現(xiàn),鐵銹的體積有可能為原來鐵材質(zhì)的3-5倍,伴隨的膨脹應(yīng)力為45-75兆帕,能夠?qū)⑺鄵伍_,鋼筋部分直接和外部環(huán)境發(fā)生接觸,氧氣與水份,也會加速鋼筋部分發(fā)生銹蝕現(xiàn)象的速度,進(jìn)而使得鋼筋的力學(xué)性能下降甚至完全失效。

        通常情況,水泥混凝土為堿性,其pH值在12上下。在此環(huán)境中,因為電化學(xué)方面的效應(yīng),使得鋼筋材料的表層出現(xiàn)了一層致密的尖晶石固溶體為主的薄膜,其厚度數(shù)值約為1.5×10-8毫米。其吸附在鋼筋材質(zhì)的表層,阻礙陽極反應(yīng)。如果鋼筋材質(zhì)的表層薄膜出現(xiàn)破壞的情況,鋼筋部分才有可能發(fā)生銹蝕的現(xiàn)象,水泥混凝土內(nèi)部的鋼筋部分發(fā)生銹蝕現(xiàn)象能夠劃分為3個主要過程:

        (1)水泥混凝土的外層出現(xiàn)了碳化現(xiàn)象,鋼筋材料表層的鈍化膜缺損。

        (2)氧氣以及水汽等介質(zhì)經(jīng)過水泥混凝土滲透至鋼筋材質(zhì)的表層部位。

        (3)鋼筋材質(zhì)的表層出現(xiàn)了電化學(xué)方面的腐蝕現(xiàn)象。

        氯化物屬于鋼筋材料銹蝕過程的一類活性物質(zhì),具備極高的吸附能力,如果水泥混凝土結(jié)構(gòu)中的pH值大于12.5的時候,鋼筋材質(zhì)表層的鈍化膜部分就會出現(xiàn)破壞的情況[3]。

        2.2 鋼筋水泥混凝土結(jié)構(gòu)中氯離子的侵蝕原理

        通常來講,氯化物針對鋼筋水泥混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的混凝土以及鋼筋材質(zhì)均有較強的腐蝕能力,因此長時間處于氯化物濃度較高的環(huán)境中,鋼筋水泥混凝土結(jié)構(gòu)的各項指標(biāo)將顯著下降[4]。研究表明,鋼筋材質(zhì)的周邊混凝土孔隙液內(nèi)的氯離子處于某個臨界數(shù)值的情況下,氯離子更易滲入到鋼筋結(jié)構(gòu)的鈍化膜并且和鐵離反應(yīng)形成二價鐵和氯化物的復(fù)合產(chǎn)物。這時鋼筋材質(zhì)周邊的水泥混凝土孔隙液依然具有比較高的堿性,鋼筋表層的鈍化膜也遭到破壞。因此,氯鹽屬于一種嚴(yán)重威脅鋼筋水泥混凝土結(jié)構(gòu)安全的危險物質(zhì),必須嚴(yán)格限制鋼筋水泥混凝土結(jié)構(gòu)中氯鹽的組成成分并且阻止外部氯離子入侵。

        氯離子對于鈍化膜的破壞原理,某學(xué)者提出了氯離子與氫氧根爭奪腐蝕過程中生成的鐵離子,生成易溶解的4FeCl2·4H2O,其為淺綠藍(lán)色的物質(zhì),俗稱綠銹。綠銹從陽極區(qū)域向水泥混凝土孔隙液方位移動,生成Fe(OH)2,俗稱褐銹。褐銹在陽極區(qū)域沉積,生成氫氧根以及氯離子,它們返回陽極區(qū)域,造成陽極區(qū)域酸化,氯離子帶出更多的2價鐵離子。此時氯離子屬于加速腐蝕現(xiàn)象的中反應(yīng)產(chǎn)物,對腐蝕現(xiàn)象起到催化劑的效果?;瘜W(xué)反應(yīng)方程式為:

        對于非均勻材質(zhì)的鋼筋水泥混凝土,在很小的鋼筋材質(zhì)的表層上,混凝土孔隙的氯化物的濃度相對比較高,造成鋼筋材質(zhì)表層的鈍化膜受到局部的破壞,形成比較小的陽極。鋼筋表層的多數(shù)面積依舊覆蓋著鈍化膜組織,形成比較大的陰極。由比較大的陰極和比較小的陽極構(gòu)成的腐蝕反應(yīng)的電偶,因為大陰極位置的氧氣量足夠,小陽極部位的鐵材質(zhì)快速溶解出現(xiàn)深坑,比較小的陽極出現(xiàn)酸化反應(yīng),比較大的陰極發(fā)生相應(yīng)的反應(yīng),使得孔隙液的pH值增大。氯化物的存在加強了鋼筋水泥混凝土的吸濕的能力,使水泥混凝土空隙液位置處的阻值下降。上述發(fā)生局部腐蝕的電偶結(jié)構(gòu)將會以局部推進(jìn)的模式進(jìn)行,這類局部的腐蝕即為點腐蝕或者坑腐蝕。點腐蝕對于斷面面積比較小、應(yīng)力數(shù)值比較高同時又比較脆弱的預(yù)應(yīng)力鋼筋的危害性較強,尤其是預(yù)應(yīng)力數(shù)值較大的強鋼絲材質(zhì)[5]。假如鋼筋水泥混凝土中包含均布的游離形式的氯離子,并且保護層又相對比較薄,氧氣容易到達(dá)鋼筋的表層,這樣鋼筋表層就能夠大范圍的發(fā)生氯離子去鈍化的化學(xué)反應(yīng),任其發(fā)展能夠造成很多點蝕坑的增大及融合,進(jìn)而導(dǎo)致大范圍的腐蝕發(fā)生。

        3 水泥混凝土內(nèi)部的鋼筋銹蝕機理研究

        水泥混凝土內(nèi)部鋼筋出現(xiàn)銹蝕狀況,通常狀況下都屬于電化學(xué)銹蝕,CO2與氯離子都是水泥混凝土內(nèi)部鋼筋鈍化膜遭到損壞的最關(guān)鍵及最普遍的介質(zhì)環(huán)境,所以水泥混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕機理一般有兩大類:水泥混凝土碳化及氯離子的進(jìn)入。水泥混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕是在有水分子參與的條件下發(fā)生的。在O2與H2O的共同反應(yīng)下,逐步發(fā)生非常嚴(yán)重的腐蝕化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致水泥混凝土表面出現(xiàn)開裂狀況。

        4 鋼筋銹蝕的原因及防銹解決方案

        4.1 鋼筋銹蝕的原因

        混凝土內(nèi)部鋼筋發(fā)生銹蝕是由很多原因引起的,當(dāng)中有外部原因也有內(nèi)部原因,外部原因指的是環(huán)境條件,內(nèi)部原因指的是混凝土及鋼筋實際工況,分析如下。

        4.1.1 鋼材

        鋼材品質(zhì)優(yōu)異,金相構(gòu)造符合行業(yè)相關(guān)法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn),那么鋼筋就具備良好的防銹性能。如果使用耐磨蝕性能優(yōu)異的鋼筋,就能夠防止銹蝕的產(chǎn)生,但是因為經(jīng)濟等層面的因素,到現(xiàn)在未能實現(xiàn)[6]。

        4.1.2 鋼筋內(nèi)應(yīng)力

        鋼筋內(nèi)應(yīng)力對于其銹蝕的制約是非常明顯的。此類內(nèi)應(yīng)力腐蝕性遠(yuǎn)高于一般腐蝕反應(yīng),破壞性極大。通常來講,鋼筋的內(nèi)應(yīng)力腐蝕分成兩個周期,即裂縫及局部電化學(xué)腐蝕。鋼筋內(nèi)應(yīng)力如圖1所示。

        圖1 鋼筋內(nèi)應(yīng)力

        4.1.3 水泥品種

        堿含量較低的水泥混凝土原材料,比如礦渣混凝土,因為混凝土碳化速率非???,所以鋼筋腐蝕的程度就隨之加重。

        4.1.4 水泥混凝土緊密程度的制約因素

        密實性能優(yōu)異的混凝土具有優(yōu)良的抗?jié)B能力,能夠行之有效地防止鋼筋銹蝕狀況的產(chǎn)生。

        4.1.5 水泥混凝土裂縫的制約因素

        混凝土出現(xiàn)裂縫會導(dǎo)致其滲透性能降低,加快混凝土侵蝕物質(zhì)及碳化的浸入,導(dǎo)致鋼筋出現(xiàn)比較嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象。水泥混凝土裂縫如圖2所示。

        圖2 水泥混凝土裂縫

        4.4.6 水泥混凝土內(nèi)部氯離子占比的制約因素

        氯離子對于混凝土內(nèi)部鋼筋的腐蝕起到加速作用。當(dāng)混凝土內(nèi)部氫氧離子與氯離子的比例大于0.52的時候,鋼筋就會出現(xiàn)腐蝕的現(xiàn)象。

        4.1.7 水泥混凝土保護層厚度的影響

        在相同環(huán)境下,保護層越厚,鋼筋的腐蝕程度就越輕。

        4.2 防止鋼筋銹蝕以及提升耐久性能的方法

        鋼筋出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象是由多種因素造成的。所以,為了預(yù)防鋼筋產(chǎn)生銹蝕就需要由多方面著手,結(jié)合工程實際,具體可以從以下幾個方面入手。

        4.2.1 設(shè)計時采取的措施

        在結(jié)構(gòu)選型和細(xì)部設(shè)計時,應(yīng)最大限度地降低潮濕的表面。構(gòu)件的外形不允許奇特、過薄及帶銳棱,并且此類區(qū)域及構(gòu)件的單薄區(qū)域必須完全避開干濕交替及飛濺的區(qū)域。

        4.2.2 混凝土保護層的質(zhì)量及厚度

        混凝土的抗?jié)B性好可降低碳化速率和有害離子侵蝕速度,合理厚度能夠暫緩離子侵入至鋼筋表層的時間。能夠使用全方位養(yǎng)護、侵入離子極限數(shù)值及高水泥實際使用量等方法來實現(xiàn)。

        4.2.3 水泥種類、攪拌料及外添加試劑

        當(dāng)水泥混凝土內(nèi)部混有自然火山灰、粉塵煤灰、礦物渣質(zhì)以及硅灰等礦物質(zhì)混合材料用來替代使用混合材質(zhì)的硅酸鹽水泥以某些硅酸鹽水泥,因為此類化學(xué)元素與水泥的水化物氫氧化鈣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生凝膠體的進(jìn)程比水泥水化反應(yīng)要緩慢很多。所以,和28天強度等級與工作度都一致的基本水泥混凝土進(jìn)行比較,其前期強度偏低,緊密性能較差及易干枯萎縮。所以在考慮鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性時,應(yīng)對水泥品種進(jìn)行篩選。

        4.2.4 使用抗銹蝕性強的鋼筋

        使用耐銹蝕鋼筋能夠大幅提升混凝土的耐久能力,根據(jù)相關(guān)試驗得出,不銹鋼以及鎢合金鋼在外部侵入離子的作用下表現(xiàn)出優(yōu)異的防銹能力。然而因為經(jīng)濟等原因,現(xiàn)階段極少有關(guān)于耐銹蝕鋼筋在使用層面的科研報道[7]。

        4.2.5 使用靜電噴涂樹脂型鋼筋

        靜電噴涂粉塵樹脂型鋼筋,因為進(jìn)行徹底的除銹及樹脂均勻涂抹,熱溶固化反應(yīng)快速、均勻及徹底,可使鋼筋環(huán)境侵蝕介質(zhì)(CO2、Cl-、O2和H2O等)完全隔離,具備非常優(yōu)異的耐腐能力。

        4.2.6 向水泥混凝土攪拌物內(nèi)添加阻銹劑

        鋼筋阻銹劑(見圖3)指的是添加在水泥混凝土攪拌物內(nèi)借助單分子的化學(xué)裂變防止鋼筋表層陰極或者陽極進(jìn)程的一類外部添加試劑[8]。其通常使用在防止鹽污染水泥混凝土導(dǎo)致的鋼筋銹蝕現(xiàn)象,特點是應(yīng)用便利,不需要特殊維護,能夠均勻分布在全部混凝土體內(nèi),不但能集中在混凝土防護層,并且造價低廉。

        圖3 鋼筋阻銹劑

        4.2.7 使用陰極保護方式

        鋼筋銹蝕一般指的是電化學(xué)的腐蝕。因為鋼筋的陰極區(qū)不能發(fā)生腐蝕,如果將鋼筋的全部陽極換成陰極,鋼筋就不會出現(xiàn)銹蝕。借助增加陰極的電流值,導(dǎo)致鋼筋電位轉(zhuǎn)移至比原陽極更負(fù)的電流位置,那么鋼筋就會只吸入電子而不排放電子,再也不會排放鐵離子。使用此類電化學(xué)法達(dá)成鋼筋的防保,即為鋼筋水泥混凝土的陰極保護方法。陰極保護法適合水泥混凝土碳化導(dǎo)致的鋼筋銹蝕狀況,也適合于氯化物污染導(dǎo)致的鋼筋銹蝕狀況。

        4.2.8 向構(gòu)件表層涂抹覆蓋物

        根據(jù)鋼筋銹蝕原理得出,混凝土氯離子滲透及碳化是導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋鈍化膜破壞的主要因素。在其表層涂抹各類保護層,使混凝土構(gòu)造和環(huán)境侵蝕物質(zhì)徹底分離,進(jìn)而起到防銹的作用。

        5 結(jié)束語

        鋼筋出現(xiàn)銹蝕是制約水泥混凝土結(jié)構(gòu)安全性的關(guān)鍵因素,本文針對鋼筋銹蝕現(xiàn)象進(jìn)行了較為全面的討論。總結(jié)給出了鋼筋銹蝕機理,主要從電化學(xué)反應(yīng)展現(xiàn)鋼筋的銹蝕過程。在此基礎(chǔ)上,通過文獻(xiàn)調(diào)研及結(jié)合自身的工作經(jīng)驗給出了影響鋼筋銹蝕的主要因素,包括:鋼的材料性質(zhì)、鋼的應(yīng)力、水泥種類、混凝土氯離子占比的因素及保護層間距的影響等七個方面。并且通過影響鋼筋銹蝕原因的分析給出了預(yù)防鋼筋銹蝕及提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的一些方法,包括:在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時采取一定的措施、控制混凝土保護層的質(zhì)量及厚度、選擇合適的水泥品種及混凝土添加劑。

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