钢筋混凝土桥梁的腐蚀研究与防护

　第35卷,第3期2010年6月

公路工程H ighway Engineering

Vol .35,No .3Jun.,2010

[收稿日期]2010—03—10

[作者简介]曾志强(1977—),男,江西丰城人,工程师,主要从事公路和桥梁工程施工、监理、招投标工作。

钢筋混凝土桥梁的腐蚀研究与防护

曾志强

(湖南金路工程咨询监理有限公司,湖南长沙　410011)

[摘　要]介绍了钢筋混凝土桥梁的腐蚀机理和影响因素;基于锈蚀钢筋的拉伸试验和劣化混凝土的轴心抗

压试验,分析了钢筋混凝土构件的腐蚀对桥梁力学性能和结构性能(包括钢筋与混凝土的粘结、承载力、破坏形式等)的影响;在此研究基础上提出了桥梁结构的防腐与防护措施,对钢筋混凝土桥梁的状态评估与维护管理具有重要意义。

[关键词]桥梁;钢筋混凝土;锈蚀;劣化;防护

[中图分类号]U 448.34 [文献标识码]B [文章编号]1674—0610(2010)03—0070—04

Corrosi on of rei n forced concrete bri dges and Protecti on

CENG Zh iq i a ng

(Hunan King Road Pr oject Consulting Manage ment Co .,L td .Changsha,Hunan,410011,China )

[Key words]B ridge;Reinf orced;Concrete;Corr osi on;Deteri orati on;Pr otecti on

0　引言

长期以来,钢筋混凝土结构被普遍认为是耐久

性最好的结构,钢筋混凝土桥梁是目前世界上使用最广泛的桥梁。在我国已建成通车公路桥梁中,混凝土桥梁占总数的90%以上。由于混凝土性能稳定并具有高碱性,在钢筋表面形成一层钝化膜从而

使钢筋处于钝化状态,不易受到环境腐蚀[1]

。但是,若钢筋混凝土构件长期暴露在具有腐蚀介质的恶劣环境中,结构的使用寿命将明显缩短。钢筋锈蚀及混凝土劣化是影响钢筋混凝土桥梁耐久性的主要因素。

国内外学者针对钢筋混凝土构件被腐蚀后的力

学性能做了许多研究。吴庆、袁迎曙等[2]

通过对人工模拟气候环境和恒电流加速钢筋锈蚀的钢筋混凝土构件破碎后得到的56根锈蚀钢筋进行拉伸试验,发现混凝土内钢筋锈蚀的表面特征对钢筋力学性能的退化有影响,且随着钢筋锈蚀程度的增加,这种影

响越明显。Balli m [3]

研究了钢筋锈蚀和混凝土保护层开裂对粘结应力的影响,通过快速锈蚀试验得到

钢筋锈蚀率与粘结强度退化的关系。梁咏宁等[4]

考虑硫酸盐侵蚀的阳离子类型、侵蚀溶液浓度、侵蚀溶液的pH 值等环境因素影响,研究了环境因素对受硫酸盐腐蚀的混凝土性能退化的影响;对在不同

侵蚀环境下受腐蚀混凝土试件的抗压强度、抗折强度进行了测试,得出了随腐蚀溶液浓度的增大和pH 值的降低,混凝土强度衰减率增大的结论。

这些研究表明:钢筋混凝土的腐蚀会对结构的受力性能造成不利影响。本文在已有研究成果的基础上,进一步分析了混凝土桥梁腐蚀的机理和影响因素,并通过试验探讨了受腐蚀后的钢筋、混凝土的力学性能,提出了有效的防护措施,为既有钢筋混凝土桥梁的等级评估和维护管理奠定了基础。

1　钢筋锈蚀机理的研究

1.1　氯离子引起的钢筋锈蚀

通常情况下,混凝土孔隙中充满着Ca (OH )2的过饱和溶液,pH 值一般在12以上。在如此强碱环境下,起初钢筋一般不会发生锈蚀,但一段时间后,在混凝土碳化、氯离子侵蚀等作用下,混凝土的碱性降低或混凝土保护层开裂,都将全部或局部破坏钢筋表面的钝化状态。混凝土中氯离子扩散一般是基于Fick 第二扩散定律计算,t a 时,距混凝土表面x

的内部一点氯离子浓度为[6]

:

C (x,t )=C

1-

erf

x

2

t D c

(1)

第3期曾志强:钢筋混凝土桥梁的腐蚀研究与防护　

式中:C 0为混凝土表面氯离子的平衡浓度(占混凝

土质量的百分比);D c 为氯离子扩散系数(c m 2

/a );erf ()为误差函数。

呈活化状态的钢筋表面有水分存在时,钢筋表面的不同部位会出现较大的电位差,形成阳极和阴极,在一定的环境条件下钢筋就会开始锈蚀。反应式如下:

阳极反应:Fe -2e →Fe

2+

(2)阴极反应:

12

O 2+H 2O +2e →2OH

-(3)

当Cl -

达到一定浓度时,便与H +

争夺腐蚀产生的Fe 2+

,形成FeCl 2?4H 2O,然后从钢筋阳极向含氧量较高的混凝土孔隙迁移,会集中在钢筋表面产生Fe (OH )2(褐锈),具体反应如式(4)和(5)所示:

Fe

2+

+2Cl -

+4H 2O →FeCl 2?4H 2O

(4)FeCl 2?4H 2O →

Fe (OH )2↓+2Cl +2H +2H 2O

(5)

从以上可以看出,Fe (OH )2沉积于阳极周围,同时放出H +

和Cl -

,然后又回到阳极,使阳极区附

近的孔隙液局部酸化,之后Cl -再带出更多的Fe 2+

,反复如此。这样,氯离子虽然不构成腐蚀产物,在腐蚀中也不消耗,但却为腐蚀起到了良好的催化作用[7]

,如图1所示。如果在大面积的钢筋表面上有高浓度的氯离子,则氯离子引起的腐蚀为均匀腐蚀,但是在混凝土中常见的是局部腐蚀

。

图1　氯离子腐蚀钢筋示意图

1.2　混凝土碳化引起的钢筋锈蚀

水泥遇水以后,发生化学反应形成水化硅酸钙CSH 凝胶和Ca (OH )2,其中一部分与其它碱性化合

物会溶于孔溶液中,但大部分仍以固状形态结合在硬化水泥浆体中。当空气中二氧化碳扩散到混凝土孔溶液中时,与溶解的Ca (OH )2起中和反应,此时

该孔溶液中的pH 值降低,即混凝土发生了碳化。混凝土的碳化过程可以分为3个阶段:第①阶段是二氧化碳扩散到混凝土当中;第②阶段是二氧化碳溶解到孔溶液并与氢氧化钙发生反应,形成少量的碳酸:

Ca (OH )2+CO 2→CaCO 3+H 2O

(6)CO 2+H 2O →H 2CO 3(7)第③阶段是碳酸与溶解到孔溶液中的Ca

(OH )2发生化学反应生成碳酸钙和水,具体反应如下:

Ca (OH )2+H 2CO 3→CaCO 3+H 2O

(8)

混凝土碳化受许多因素的影响,比如混凝土的材料、配合比、当地的环境条件(温度、湿度、CO 2、浓度等)对其都有影响。有试验研究表明,混凝土的碳化深度与碳化龄期呈幂函数的关系:

D =xt b

(9)

式中:D 为碳化深度;x 为碳化速度系数(包括水泥品种,混凝土水灰比,施工质量等的综合影响系数);t 为碳化龄期(年);b 为时间指数常数(一般为0.4～0.6)。

当发生上述反应时,孔溶液中的Ca (OH )2被消耗掉,反应的产物将堵塞周围的毛细孔,不再有更多的Ca (OH )2参与到中和反应中去,此时孔溶液的pH 值便由原来的12降到8.5左右。在此种情况下,混凝土中钢筋的钝化膜保护层受到破坏,即去钝化,从而导致了钢筋的锈蚀。

2　混凝土劣化的研究

2.1　生物腐蚀引起的混凝土劣化

生物对混凝土的腐蚀问题尚未引起国内重视,但国际上在20世纪70年代初已经提出抗生物、防霉、杀虫剂。据估计,现独联体国家由于混凝土遭受生物腐蚀所造成的经济损失,到20世纪90年代初已达515亿美元/a,而且还有继续增大趋势。生物对混凝土的腐蚀有2种形式:①生物力学作用,草、树根以及贝类等进入混凝土的缺陷,破坏其密实度;②类似于混凝土的化学腐蚀,如硫化细菌将S 转变成H 2S O 4,从而引起混凝土的硫酸和硫酸盐腐蚀。加入矿物粉细填料改善混凝土的孔结构或加入对人畜无害、具有长效性能的杀生物剂,均可有效地增强

混凝土的抗生物侵蚀性能[8]

。2.2　碱引起的混凝土劣化

当混凝土有蒸发表面时,碱对混凝土的腐蚀主要表现在混凝土表面或孔隙中与空气中的CO 2产

1

7

　公路工程35卷

生强烈的碳化作用,具体反应如下:

CO2+2Na OH→Na2CO3+H2O(10)

水分蒸发后碳酸盐结晶:

Na2CO3+10H2O→Na2CO3g10H2O(11)

当混凝土没有蒸发表面时,主要表现为碱骨料反应。根据反应机理,碱骨料反应又可分为2种类型:①碱硅酸反应,碱与骨料中的活性Si O

2

反应,生成碱硅凝胶,其水膨胀后产生内应力,导致混凝土开裂,碱硅酸反应发生最为普遍,危害也最为严重;

②碱硅酸盐反应,从机理上说仍属于碱硅酸反应,但膨胀进程缓慢。碱骨料反应发生需要两个条件:首先混凝土原材料中含碱量高,现在大多数国家规定骨料中的含碱量不超过0.6%或混凝土含碱量不超过3.0kg/m3;第二要有水分和空气的供应,越是潮湿的环境碱骨料反应越容易发生,粉煤灰和高炉矿渣均可缓解、抑制碱骨料反应的发生。

碱骨料反应将使混凝土桥梁产生裂缝、剥落、钢筋锈蚀等不良现象,且一旦发生很难补救,因此被称为混凝土的“癌症”。一些国家在水泥生产过程中通过掺入0.5%～0.7%的硅灰(美、英、德则推荐掺加50%以上的粉煤灰)来预防碱骨料反应的发生。

2.3　硫酸盐引起的混凝土劣化

硫酸盐也是破坏混凝土耐久性的一个重要因素。近年来在甘肃、青海等地的桥梁、铁路等混凝土工程都不同程度地遭受硫酸盐腐蚀的破坏。其与氯盐腐蚀相似,硫酸盐进入混凝土内部后与水泥石的一些成分发生反应,生成物吸水后膨胀,当膨胀应力达到一定程度时就会造成混凝土结构的破坏。这种腐蚀作用在不同条件下又有E盐破坏和G盐破坏两种表现形式。

E盐破坏—Ettrigite expansi on,即钙钒石膨胀破坏,或称高硫铝酸钙膨胀破坏。反应式如下:

4Ca O A l2O312H2O+3Na2S O4+2Ca(OH)2+ 20H2O→3Ca O A l2O3CaS O431H2O+6Na OH(12)生成物的体积比反应物大1.5倍以上,呈针状结晶,此引起很大的内应力。其破坏特征是在表面出现几条较粗大的裂缝。G盐破坏—Gyp sume ex2 pansi on,即石膏膨胀破坏。当溶液中的S O2-4大于1000mL/L时,与Ca(OH)2反应生成石膏晶体,具体反应如下所示:

Ca(OH)2+S O2-4+2H2O→

CaS O4　2H2O+2OH-　(13)生成物的体积增大约1.24倍,能导致混凝土及水泥硬化浆体因内应力过大而破坏。其破坏特征为结构表面无粗大裂纹但整体溃散。处于干湿交替的环境中,即使S O2-

4

的浓度不高,石膏结晶膨胀破坏也易发生,因为水分蒸发会形成石膏结晶。一些矿渣、火山灰(含低钙粉煤灰)可以提高混凝土的密实性并能与水泥水化时产生的碱相结合,因而有利于混凝土的抗硫酸盐性能。

3　桥梁腐蚀引起其性能的退化

3.1　钢筋锈蚀引起的退化

钢筋锈蚀是钢筋混凝土结构最具破坏性的因素之一,主要表现在以下几个方面[9-11]:①钢筋屈服强度的降低;②钢筋与混凝土之间粘结性能的退化;③钢筋锈蚀导致混凝土出现沿纵筋的裂缝;④钢筋锈蚀严重时将导致混凝土保护层剥落,减小混凝土构件有效截面积,造成构件的几何损伤。

钢筋与混凝土间的粘结是保证二者能正常协调工作的前提。混凝土中钢筋锈蚀以后,锈蚀产物体积膨胀导致钢筋与混凝土之间的接触表面状况改变,从而降低钢筋与混凝土之间的粘结作用;锈蚀产物体积膨胀对钢筋周围混凝土产生径向膨胀力作用,当其达到混凝土抗拉强度时,混凝土开裂,混凝土开裂导致混凝土对钢筋的约束作用降低,而开裂后钢筋锈蚀会进一步加快。袁迎曙等[12]通过加速锈蚀钢筋混凝土构件拔出试验研究表明,随着钢筋锈蚀率的增加,钢筋与混凝土间的化学胶结力、变形钢筋的机械咬合力及混凝土对钢筋的约束力均有不同程度的退化,钢筋与混凝土间的粘结性能与剪切刚度性能明显退化。

对于受弯构件,钢筋锈蚀引起截面积减小和粘结力的降低将导致其抗弯承载力的退化,有试验表明钢筋锈蚀率达10%时,承载力下降50%以上。对于受压构件,尤其是轴心和小偏心受压构件,其承载力主要取决于受压区混凝土的面积,钢筋锈蚀引起混凝土截面尺寸损伤将大大降低其承载力。

为研究锈蚀钢筋的力学性能,从锈蚀梁中取出一些箍筋(直径为6mm),对其进行拉伸试验(见图2)。锈蚀箍筋做如下处理:端部磨平→12%稀盐酸清洗→清水冲洗→石灰水中和→清水冲洗→排水法测体积→擦干→烘干。通过试验,得到了钢筋的荷载-应变曲线。从中发现锈蚀率较大箍筋的曲线较类似,这里以其中一条与母材进行比较分析,如图3、图4所示。

试验测得母材箍筋的屈服强度为331.42MPa,而锈蚀率为32.5%的箍筋屈服强度为118.16MPa,

27

第3期曾志强:钢筋混凝土桥梁的腐蚀研究与防护　

图2　钢筋拉伸装置

其屈服强度下降了65%,屈强比仅为0.42。说明锈

蚀较严重的钢筋已没有明显流幅的应力应变曲线,其自身的延伸率很小,材料的强度储备严重不足

。

图3　母材箍筋荷载—

应变曲线

图4　箍筋锈蚀率32.5%的荷载—应变曲线

3.2　混凝土劣化引起结构的性能退化

混凝土腐蚀是非常复杂的过程,其材料性能在腐蚀过程中发生劣化。虽然混凝土在一些介质下的腐蚀机理已比较清楚,但对各种环境下的腐蚀及腐蚀混凝土的力学性能的研究并不多。

本文为进行混凝土轴心抗压强度试验,在劣化钢筋混凝土梁中进行钻芯取样,取芯位置选在有代表性的非破损区内。钻芯前用钢筋保护层测厚仪测定钢筋位置,避免切断钢筋致使芯样中存在钢筋而影响测试强度。钻机取出的芯样直径为10c m ,然后对芯样进行加工,高为10c m 。其中一条典型的应力应变曲线如图5所示

。

图5　混凝土轴心抗压应力—应变曲线

从图5中可以看出,受腐蚀混凝土在受压初期,就表现出较大的非线形特征,较小应力的作用就产生了较大的变形,斜率不断增加,曲线向下凸。随应力的逐渐增大,曲线的斜率开始减小,混凝土的塑性变形开始增加。混凝土腐蚀越严重,其塑性变形越小。

当混凝土中的裂纹扩展到一定程度时,会发生分叉、绕行和贯通的现象,逐步形成较大的裂纹,进入非稳态扩展阶段。此时应力降低,表现为峰值后的软化效应。混凝土腐蚀越严重,软化效应的初始阶段应力下降越快。最终,材料由于宏观裂纹的出现而破坏。劣化的混凝土整体表现为弹性模量降低,整个曲线形状变尖,峰值强度降低。一般的峰值应力对应的峰值应变会较新混凝土有所增加,对于腐蚀十分严重的混凝土试件的极限应变比未腐蚀的有所增大。

受腐蚀梁在钢筋屈服前,裂缝延伸并不高,一旦出现高度较高且明显的裂缝,说明钢筋已经屈服,构

件即将破坏。有试验结果表明[13]

,当受压区腐蚀纵向裂缝宽度大于2mm 时,在钢筋刚刚屈服的上部混凝土会出现被压碎的现象,此时处于超筋梁和适筋梁的界限破坏状态。而当受拉钢筋腐蚀到一定程度时,构件会由适筋梁变为少筋梁破坏。无论是超筋梁的破坏还是少筋梁的破坏,结构的破坏形态都是从有预兆的塑性破坏变为无预兆的脆性破坏。

4　桥梁结构的防护

对钢筋混凝土桥梁腐蚀的防护主要从两方面着

手:一是阻止或延缓侵蚀源的破坏作用;二是通过提高构件的防腐性能,或通过电化学方法提高结构抗侵蚀能力。4.1　采用高性能的混凝土

通过掺加火山灰质材料微硅粉、磨细矿渣或粉煤灰,使氯离子在混凝土中的渗透速率降低,混凝土电阻率增加,从而延迟开始腐蚀的时间和降低腐蚀

(下转第91页)3

7

第3期尹　锋,等:高速公路隧道监控系统的设计　

构进行说明,再然后就是软件设计说明。本文作者创新观点:①实时数据库的设计;②模块外挂;③用户权限管理。

[参考文献]

[1]　付　达,周　伟.视频监控技术在高速公路交通监控中的应用

[J].中南公路工程,2003,(2).

[2]　杏满盈,张喜玲.基于高速公路全程监控系统的理论分析[J].

中南公路工程,2009,(2).[3]　单成林,许薛军.高速公路隧道运行监控系统的设计[J].中南

公路工程,2003,28(3).

[4]　朱庄生,王　庆,黄海华.基于GPS/DR与GI S集成的城市车

辆实时监控系统设计与工程应用[J].公路交通科技,2003,

(10).

[5]　甘建国,罗卫华,等.雪峰山隧道通风数值模拟研究[J].中南

公路工程,2006,(1).

[6]　张进华,杨高尚.隧道火灾烟气流动的数值模拟[J].中南公路

工程,2006,(1),4-8.

(上接第73页)

的速率。其中超细材料微硅粉在混凝土中能够有效降低孔隙尺寸和阻断毛细孔,因此能够大幅度提高混凝土的抗掺性,降低氯离子渗透对钢筋的危害。采用抗渗防水混凝土、聚合物混凝土或者掺入钢筋阻锈剂以对钢筋进行防护。在混凝土拌和物中直接掺入钢筋阻锈剂,在钢筋表面形成保护膜来抑制电化学反应。

高性能混凝土对钢筋有较好的保护作用,且耐久性良好,因此,采用高性能混凝土越来越成为实际工程中的首选方案。

4.2　设表面涂层

表面涂层防护在混凝土桥梁养护完毕后进行,或对旧桥的疏松空隙进行表面预处理后再进行涂装,既不影响熟化期混凝土的排水、排气,也能有效阻止腐蚀介质在混凝土使用过程中的侵入。混凝土桥梁表面涂层是阻止腐蚀介质进入混凝土的第一道防线,在混凝土表面形成一层耐候、抗渗、耐久的涂层,这无疑是一种成本低、施工方便、效果较好的方案。

混凝土表面防护涂层近年来在各国的桥梁工程上获得普遍使用,它能使混凝土的使用寿命延长15 -30a,大大减少混凝土的维护费用。混凝土表面涂层按作用机理分为封闭型和隔离型。工程应用时往往将封闭和隔离作用联合起来使用,其防护效果会更好。

除此之外,采用新型材料(如FRP钢筋、不锈或环氧涂层钢筋等)和阴极保护法都能对桥梁达到有效防护的目的。

5　结语

本文介绍了钢筋混凝土桥梁的腐蚀机理和影响其腐蚀的因素。通过试验探讨了受腐蚀后的钢筋、混凝土的力学性能,提出了有效的防护措施。由于我交通运输事业的迅速发展,大量低等级公路正在被改建和扩建,新建公路里程不断扩大,公路等级也在不断提高。桥梁作为线路的咽喉要道,对于保障交通运输的安全、顺畅起着至关重要的作用。对钢筋混凝土桥梁采取合理、有效的防护措施,可以提高桥梁的整体质量与服务水平,确保营运安全与交通顺畅,推动我国的经济建设和交通运输事业的快速发展。

[参考文献]

[1]　G B/T50476-2008,混凝土结构耐久性设计规范[S].

[2]　吴　庆,袁迎曙.锈蚀钢筋力学性能退化规律试验研究[J].

土木工程学报,2008,41(12):42-47.

[3]　Balli m Y.,Reid J.C.,Kemp A.R..Deflecti on of RC

Bea m s under Si m ultaneous Load and Steel Corr osi on[J].

M agazine of Concrete Research,2001,53(3):171-181. [4]　梁咏宁,袁迎曙.硫酸盐侵蚀环境因素对混凝土性能退化的影

响[J].中国矿业大学学报,2005,34(4):452-457.

[5]　金伟良,赵羽习.混凝土结构耐久性[M].北京:科学出版社,

2002.

[6]　Vu Ki m Anh T,Ste wart Mark G.Structural reliability of

concrete bridges including i m p r oved chl oride2induced cor2

r osi on models[J].Structural Safety,2000,22:313-333. [7]　仲伟秋,赵国藩.多种腐蚀因素作用下钢筋混凝土结构的可靠

度分析[J].土木工程学报,2003,36(11):1-5.

[8]　张伟平,商登峰,顾祥林.锈蚀钢筋应力—应变关系研究[J].同

济大学学报(自然科学版),2006,34(5):586-592.

[9]　金伟良,赵羽习.锈蚀钢筋混凝土梁抗弯强度的试验研究[J].

建筑结构,2006,36(10):79-81.

[10]　牛荻涛,翟　彬.锈蚀钢筋混凝土梁的承载力分析[J].建筑

结构,1999,29(8):23-25.

[11]　史庆轩,李小健,牛荻涛.锈蚀钢筋混凝土偏心受压构件承载

力试验研究[J].工业建筑,2001,31(5):14-17.

[12]　袁迎曙,余　索,贾福萍.锈蚀钢筋混凝土的粘结性能退化的

试验研究[J].工业建筑,1999,29(11):47-50.

[13]　惠云玲,李　荣.混凝土基本构件钢筋锈蚀前后性能试验研

究[J].工业建筑,1997,(6):14-18.

19