钢筋锈蚀的研究

基于混凝土中钢筋锈蚀的破坏的研究 摘要：钢筋锈蚀对钢筋混凝土结构及预应力混凝土结构的耐久性和安全性影响极大。混凝土在多种因素作用下导致钢筋锈蚀，生成的铁锈使混凝土保护层沿钢筋纵向开裂，结构构件的承载力与可靠性劣化的速度大大加快，有的甚至发展到钢筋锈断，危及结构的安全。本文通过几组钢筋锈蚀的混凝土试件叙述了实验过程，总结了钢筋锈蚀带来的危害，阐述了钢筋锈蚀的机理。 关键词：钢筋锈蚀；承载力；耐久性

混凝土中钢筋锈蚀已成为世界关注的大问题，被认为是当今影响混凝土结构耐久性的首要原因。钢筋锈蚀已经或正在给国民经济带来巨大经济损失。基于此，美国总结正反两个方面的经验教训，提出了“立足前期措施，着眼长远效益”，并强行实施基 建工程管理中的“全寿命经济分析法”(LCCA)。目前，我国正处于基本建设时期，国内外的经验教训应认真吸取，这已不是单纯技术问题。本文结合钢筋锈蚀实验为基础，系统介绍了钢筋腐蚀危害及对混凝土的破坏作用、钢筋锈蚀的电化学过程及混凝土对钢筋的保护、氯盐对钢筋的腐蚀、中性化的影响、钢筋防腐蚀技术、钢筋锈蚀的机理等。 混凝土耐久性已是当今世界的重大问题，在第二届国际混凝土耐久性会议上，梅塔教授指出 ：“当今世界混凝土破坏原因，按递减顺序是：钢筋锈蚀、冻害、物理化学作用”。他明确将“钢筋锈蚀”排在影响混凝土耐久性因素的首位。而来自海洋环境和使用“防冰盐”中 的氯盐，又是造成钢筋锈蚀的主要原因。当然，混凝土中性化、冻融等也促进钢筋腐蚀破坏 。 我国海港码头不能耐久，北方使用化冰盐，桥梁道路遭破坏。以北京立交桥为例，仅使用19 年的西直门立交桥(已重修)，钢筋锈蚀破坏十分明显与严重。我国存在着广泛的腐蚀环境， 北方地区使用化冰盐有增无减，而桥梁道路却未采取应有的防护措施(甚至“规范”中无防盐腐蚀要求)；我国海岸线很长，而大规模的基本建设大都集中于沿海地区，以往的海港码 头等工程，多数达不到设计寿命要求；特别是沿海一带河砂已呈短缺现象，滥用海砂则其害 无 穷；我国还有广泛的盐碱地(石油基地)，其腐蚀条件更为苛刻；特别应该指出的是，我国工 业 环境中的建筑物，其钢筋锈蚀破坏十分普遍与严重，有调查报告表明，大多数工业建筑达不到设计寿命的年限，目前正在进入大规模修复的时期。因此，我国钢筋锈蚀破坏的形势是严峻的。 目前，我国基础建设处于一个较大的发展阶段，每年都会投资上万亿元来修建高速公路、桥梁等。有专家估计，我国大力修建基础建设的高潮时间还将延续数十年，但是由于忽视耐久性的重要性，我国在不久的将来还会出现维修加固的高潮段。国内外资料表明，由钢筋混凝土结构耐久性问题而导致的损失是非常巨大的，并且耐久性问题将会越来越突出。由于耐久性直接决定了钢筋混凝土结构桥梁在整个服役过程中的寿命，耐久性不足造成的后果是不堪设想的。国外学者曾用“五倍定律”形象的表述了混凝土结构耐久性的重要性。改善钢筋混凝土结构的耐久性能迫在眉睫，如果始终还不重视这个问题，到最后费尽心血的投资可能变成一片废墟，极大的浪费了宝贵的资源。通过大幅度提高钢筋混凝土的耐久性，能从根本上最大限度地减少经济损失，充分的合理利用好现有资源，对于保护环境和造福人类具有非常重大的现实意义。 1 钢筋腐蚀破坏的主要表征

混凝土中的钢筋一旦具备了腐蚀条件，锈蚀便会发生和发展。钢筋锈蚀是一个电化学过程，由铁变成氧化铁，其体积发生膨胀，根据最终产物的不同，可膨胀2～7倍。 钢筋锈蚀破坏的主要破坏特征可归纳为： 1.1混凝土顺钢筋开裂 混凝土具有较好的抗压性能，但其抗折、抗裂性差，尤其钢筋表面混凝土缺乏足够的厚度时 ，钢筋锈蚀产物体积发生膨胀，足以使钢筋表面发生混凝土顺钢筋开裂。大量试验研究和工 程实践表明，钢筋表面锈层厚度很薄时(如20～40μm)，便可导致混凝土顺钢筋开裂。换言 之，钢筋锈蚀导致混凝土开裂是容易发生的。设计、施工、使用、管理及维护人员，认识到 这一点十分重要。欲使混凝土不发生顺钢筋开裂，提高结构物的耐久性，其着眼点就是要最 大限度地阻止钢筋生锈，而不应立足于锈蚀发生后再采取补救措施。 混凝土一旦发生顺钢筋开裂，腐蚀介质更容易到达钢筋表面，钢筋锈蚀的速度将会大大加快 。研究和工程实践表明，这时钢筋锈蚀的速度，有可能快于裸露于大气中的钢筋。这是由于 裂缝处更易促成电化学腐蚀的发生和发展。由此引出两个重要观念：一是要阻止钢筋生锈， 二是钢筋锈蚀一旦发生或初见混凝土顺钢筋开裂时，就立即采取防护措施。这是被提高了的 新认识，对于防钢筋锈蚀破坏、提高结构物的耐久性具有重要指导意义，更具有巨大经济价值。 1.2“握裹力”下降与丧失 初见混凝土发生顺钢筋开裂时，结构物物理力学性能、承载能力等，可能还没有发生明显变 化(这是人们不重视初始顺钢筋开裂的重要原因之一)。然而，随着裂缝的不断加宽，混凝土与钢筋之间的粘结力(握裹力)也随之下降(下降速度取决于钢筋锈蚀速度)，滑移增大 ，构件变形。 当“握裹力”丧失到一定限度时，局部或整体失效便会发生。这时的钢筋锈蚀程度也并不一定十分严重。那些对“握裹力”敏感的构件，更具重要性。 1.3钢筋断面损失 混凝土中钢筋锈蚀，一般分为局部腐蚀(如坑蚀)和全面腐蚀(均匀腐蚀)，常常是局部腐蚀为 主而造成钢筋断面损失，其损失率达到极限时，构件便会发生破坏。应该说明的是，从钢筋 锈蚀、混凝土顺钢筋开裂到构件破坏，是一个复杂的演变过程，不仅取决于钢筋锈蚀的发展 速度，也取决于构件的承载能力及钢筋的受力状态等。故有时钢筋锈蚀并不十分严重，构件 就破坏了，而有时钢筋出现明显的断面损失，构件却还在支撑着(有些人认为“钢筋锈蚀无 大妨害”就是依此为证)。对于钢筋断面损失与构件承载能力之间的关系，尚待进一步研究 。 1.4钢筋应力腐蚀断裂 处在应力状态下的钢筋(包括预应力)，在遭受腐蚀时有可能发生突然断裂。世界上曾发生过 此类事故，如钢筋混凝土桥梁突然倒塌，建筑物突然断裂等。柏林议会大厦屋顶突然塌 落，即与钢筋应力腐蚀断裂有关。 应力腐蚀断裂可在钢筋未见明显锈蚀的情况下发生，断裂时钢筋属于脆断。这 是“腐蚀”与“应力”相互促进的结果：应力可使钢筋表面产生微裂纹、腐蚀沿裂纹深入、 应力再促裂纹开展。如此周而复始，直到突然断裂。这是一种危险的形式，应引起重视。此外，应力腐蚀断裂与环境介质有关。 2混凝土质量与钢筋锈蚀

应该指出，钢筋混凝土过早破坏(或称耐久性不足)多半是综合因素造成的，在任何情况下工 程质量都是首要的。而工程质量又取决于正确设计、良好施工、精心管理与维护等。在腐蚀 环境中，不采取防护措施或措施不当，更是导致钢筋腐蚀破坏过早出现的原因。而混凝土工程质量不佳，则防护措施也难以奏效。钢筋首先是受混凝土保护的，因此，混凝土质量对防 止钢筋腐蚀是至关重要的。 2.1 设计与规范 我国相关设计规范，多以混凝土“抗压强度”为主要甚至唯一标准，而混凝土对钢筋的保护 能力，主要取决于“密实性”和钢筋表面混凝土层的厚度。实践中“抗压强度”与“密实性 ”并不是同步关系，在一定条件下，甚至“超强设计”也未必能实现对钢筋的良好保护。新 近修订的相关设计规范中，已引入“耐久性设计”的观念(与国际接轨)，这是提高混凝土对 钢筋保护能力的重要方面。设计者除了强化“耐久性设计”的观念外，还要根据结构所处的 腐蚀环境的严酷程度，采取相应的防钢筋锈蚀的技术措施，才可实现结构耐久的目的。以往 ，人们对于钢筋锈蚀危害及混凝土耐久性认识不足、相关规范的欠完善和“修标”滞后，在 一定条件下没有采取相应的防钢筋锈蚀的技术措施等，是造成已有结构物过早出现钢筋锈蚀的原因之一。 2.2 施工质量 钢筋混凝土工程施工质量的重要性是不言而喻的，已有工程的实践表明，钢筋过早的出现腐 蚀破坏，大多与混凝土质量欠佳有关。工程施工质量与众多人为因素密不可分也有一些技术问题没有得到很好的解决。如微裂纹与宏观缺陷，似在施工过程中是很难 完全避免，这就对钢筋保护不利；又如，目前特别强调建设速度，设法使混凝土“早强”，其结果使“密实性”得不到保证，长期强度与耐久性受到不良影响。总之，施工质量对于保 护钢筋、保证结构物的耐久性，在任何情况下都起着关键作用。 2.3 原材料 2.3.1 水泥 水泥水化的高碱度，使钢筋表面形成钝化膜，这是混凝土之所以能保护钢筋的主要依据与基 本条件。任何削弱或丧失这个条件的因素，都将促进钢筋锈蚀、影响混凝土的耐久性。混凝 土的高碱度，主要来源于水泥水化产物中的氢氧化钙和少量氢氧化钠、氢氧化钾(pH＞12.6 )。钾、钠离子含量高时，能刺激“碱集料反应”，因此，限制其含量十分必要。然而，认 为“水泥碱度越低越好”的看法，也是十分有害的。在为避免“碱集料反应”而寻求“低碱 度水泥”的同时，切莫忘记，长期保持混凝土的高碱度(至少pH＞11.5)，是钢筋得到保护 的起码条件，也是保证混凝土耐久性的关键问题之一。碱度过低的水泥，对于钢筋混凝土应 限制使用，或使用时同时采取防腐蚀技术措施(如用耐腐蚀钢筋、涂层钢筋、掺钢筋阻锈剂 等)。 2.3.2 海砂 由于海砂含有不等量的氯离子，能够刺激钢筋锈蚀，我国相关规范不推荐或严格限制使 用海砂。这是完全必要的，国内外滥用海砂造成的危害不乏实例。从另一个角度讲，海砂也 是可利用资源，日本即是成功开发利用海砂的国家之一，主要是同时采取防氯离子腐蚀的技术措施(如掺加钢筋阻锈剂等)。在我国，如日本那样严格而合理地开发利用海砂资源已提到日程上来。总之， 严格界定海砂的使用，是我国建设中面临的新问题，意义重大。 2.3.3 掺合料、外加剂 各种掺合料(粉煤灰、矿渣等，用于改善水泥性能，降低成本)，正在大力发展中。凡是能提 高混凝土密实性、增强对钢筋保护能力者，均有利于结构物的耐久性；然而，一些掺合料能 降低混凝土的碱度和碱储量，这是不利于对钢筋的保护的，甚至可引起钢筋腐蚀 (与掺合料的性质、掺加量等有关)。这一点应该引起重视，在掺合料的研究和应用中，考虑 其对混凝土作用的同时，必须考虑到对钢筋的影响。 我国混凝土外加剂种类繁多，特别是含氯盐的早强、防冻剂，已经给我国一批建筑物带来严 重的钢筋腐蚀危害(包括国家级重要建筑物)。尽管已经有使用限制规定，但此类工程事故仍 时有发生。含硫酸盐的外加剂种类更多，硫酸盐也刺激钢筋腐蚀(不及氯盐明显)。国外研究 表明，许多外加剂在短期内能改善和提高混凝土的某些性能，但对其长期耐久性并无改善， 甚至明显降低其耐久性。在我国，通过不适当使用外加剂引发的问题，是影响钢筋腐蚀和混 凝土耐久性的一个重要方面。 3实验过程及分析

4防腐措施 混凝土中钢筋的腐蚀是一种自然规律,无论采取何种手段都无法完全避免。采取下列防腐措施既可保证钢筋混凝土必要的耐久性,又经济可行。 (1)选择合适配比,提高混凝土保护层密实度。 (2)采用防水材料、防腐材料等,以提高混凝土保护层的抗腐蚀能力。 (3)由于钢筋的锈蚀和化学成分有关,因此,通过添加合金元素Mn,Cr,Cu,Ni等形成不同种类的低合金钢,以提高耐蚀能力。 (4)采用喷、镀、涂等方法对钢筋实施覆盖防腐,目的是在金属制品表面覆盖保护层,把钢筋