混凝土中的钢筋锈蚀与评价

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  [摘要] 本文阐述了国内外混凝土中钢筋锈蚀的现状以及钢筋的锈蚀机理,介绍了几种不同的钢筋锈蚀状态的检测评价方法,提出解决钢筋锈蚀与混凝土结构耐久性问题的重要性,且应制定出更加精确完整的的测试评价方法与标准。
  [关键词]钢筋,锈蚀,阻锈剂,评价
  1.概述
   钢筋锈蚀已经成为影响混凝土结构耐久性的主要影响因素。在多种环境条件下(如碳化以及氯离子侵蚀),能够使混凝土中钢筋表面已经形成的钝化膜逐渐失去保护作用,促使钢筋加剧锈蚀。锈蚀的钢筋使得原有的混凝土的配筋率变相降低,混凝土结构存在危险,同时由于钢筋的表面锈蚀层成为铁锈后体积增加,膨胀应力使得混凝土保护层开裂、起鼓、剥落,进一步加剧露出钢筋的锈蚀,逐渐加大混凝土结构的隐患,容易造成构件突然断裂等突发事故,混凝土结构耐久性降低。因此,钢筋的阻锈以及评价技术尤为重要。
  2.国内外钢筋锈蚀情况简介
  2.1国外钢筋锈蚀的相关资料
   早在第二届混凝土耐久性国际会议(1991年)上,梅塔教授在题为《混凝土的耐久性50年的进展》的主旨报告中指出:“当今世界,混凝土破坏原因按重要性递降顺序排列是:钢筋锈蚀、寒冷气候下的冻害、侵蚀环境的物理化学作用。” 可见混凝土中的钢筋锈蚀问题愈来愈引起科学技术人员的重视。
   日本是一个岛国,四面环海,20世纪50年代就缺乏建筑用河砂,不得不开发利用海砂,既要解决海洋环境中氯盐侵蚀问题,又要设法阻止海砂中氯盐对钢筋的锈锈蚀病害。在英国,由于钢筋锈蚀需要重建或更换钢筋混凝土建筑物占36%。一般情况下,梁板在一二十年后就会发生钢筋锈蚀引起的顺筋胀裂;而在炎热的海洋环境中,混凝土结构5年左右就会出现此种破坏。而在美国标准局1975年调查结果表明:美国全年各种腐蚀损失为700亿美元,其中混凝土中钢筋锈蚀损失占40%(约280亿美元)。上世纪90年代,美国公路研究战略计划曾披露:到20世纪末,为更换或修复冬季由于洒除冰盐引起的破损公路混凝土桥面板,估计要耗费4000亿美元,其中大部分是钢筋锈蚀引起的。从上面的资料看,混凝土中钢筋锈蚀带来的破坏已成为美国、英国、日本等发达国家工程建设领域面臨的重要问题。
  2.2国内钢筋锈蚀的相关资料
   我国由于基础建设发展比较晚,因此混凝土中钢筋锈蚀带来的破坏现象还没有普遍大量的显现。但是某些置于特殊环境或历经环境反复变化条件下混凝土中钢筋锈蚀问题也比较突出。连云港码头使用不到3年、湛江某码头使用不到4年、宁波某码头使用不到10年,均出现粱架顺筋开裂。深圳某些民用建筑,因使用海砂,几年内建筑物即发生钢筋锈蚀破坏,混凝土楼板出现盐类物质结晶体渗出的情况。
   钢筋阻锈剂是防护混凝土钢筋锈蚀问题的重要技术手段之一,我国在研制、开发钢筋阻锈剂方面起步并不晚,20世纪60年代就有人利用亚硝酸钠作为钢筋锈蚀剂的成分,试用于混凝土中,并取得了一定经验。但是单纯亚硝酸钠虽有阻锈作用,同时也存在一定问题(有毒性,且用量不在合适范围反而起到加速腐蚀等),因而没有推广使用。20世纪80年代初,冶金工业部为在渤海湾南岸开发建设金矿,须解决海盐、海砂、海洋环境对钢筋混凝土建筑物的腐蚀问题,于是列题研究了复合型钢筋阻锈剂。2009年广深沿江高速公路(深圳段)项目采用中国建筑科学研究院研制的复合氨基醇类多功能活性阻锈剂(不含亚硝酸盐)使用,效果良好。
  3.钢筋混凝土中钢筋锈蚀机理
   发生钢筋锈蚀的钢筋混凝土一般处于以下环境条件下:海洋环境下如海水侵蚀区、潮汐区、浪溅区及海洋大气区;使用海砂作为混凝土骨料,拌和用水含氯盐超出标准要求;以氯盐腐蚀为主的工业与民用建筑;采用除冰盐的钢筋混凝土桥梁等。
   混凝土中钢筋锈蚀两大原因是混凝土的碳化和Cl-的侵蚀。钢筋混凝土中钢筋具有一般电化学腐蚀特征,即锈蚀在钢筋表面至少同时进行两个反应:
   阳极区:Fe——Fe2=+2e
   阴极区:2H2O+O2+4e——4OH-
   由此在阴极区反应产生的OH-通过混凝土孔隙中的液相被送往阳极,形成了腐蚀的闭流循环回路。如图1所示:
  
   图1混凝土中钢筋锈蚀反应过程
   在阳极附近,Fe2+与OH-形成难融化合物Fe(OH)2并在富氧条件下进一步氧化为Fe(OH)3,Fe(OH)3脱水后变成疏松、多孔、非共格的Fe2O3;在少氧条件下,Fe(OH)2氧化很不完全,部分形成黑锈Fe2O4。最终的锈蚀产物要取决于环境中氧含量。不论最终反应产物为哪种,其体积都要远大于金属Fe,这种体积增大形成的膨胀作用产生大的内应力最终导致混凝土开裂、剥落。
  3.1氯盐对钢筋的腐蚀机理
   水泥水化的高碱性(PH≥12.6)使钢筋表面产生一层致密的钝化膜,而钝化膜只有在高碱性环境中才能稳定存在。当大量Cl-通过混凝土孔隙达到钢筋表面并吸附于局部钝化膜时,便使该处的PH值迅速降低至4以下,破坏此处钝化膜。混凝土首先发生的破坏点,使得这些破坏点处露出Fe基体,与完好的钝化膜之间形成的电位差,导致在钢筋表面产生坑蚀。
   阳极:Fe2++2Cl- —FeCl2(可溶物)
   扩散过程中:Fe2++2OH-——Fe(OH)2(不溶物)
   由此可见,Cl-没有被消耗,会周而复始的起破坏作用。
  3.2混凝土碳化引起钢筋锈蚀机理
   混凝土碳化过程是一个极其复杂的多相物理化学过程。大气中的二氧化碳通过混凝土孔隙向混凝土内部扩散,并溶解于孔隙中的液相,发生如下碳化反应过程:
   Ca(OH)2+H2CO3——CaCO3+2H2O
   C-S-H(高钙硅比)+H2CO3——C-S-H(低硅钙比)+CaCO3+2H2O
   C3ACaSO4·32 H2O+H2CO3——3 CaCO3+2Al(OH)3+3CaSO4·2H2O+H2O
   碳化反应使得混凝土内部的PH值降低,钢筋被活化。
   因此,钢筋混凝土中钢筋锈蚀发生必须具备的三个条件是:①钢筋表面存在电位差,构成腐蚀电池;②钢筋表面的钝化膜破坏,处于活化状态;③在钢筋表面有腐蚀反应所需的溶解氧和水。
  4.钢筋锈蚀状态的检测评价方法
   对于锈蚀钢筋的检测方法,若受腐蚀钢筋尚未露出,主要采用电化学方法来检测,根据电化学参数来判断。电化学方法检测钢筋锈蚀是一种定性方法,若想进一步了解已露钢筋的锈蚀厚度、剩余直径等,还需对混凝土破型,进行直径等量测。常见的测试方法有:
  4.1半电池电位法:
   目前依据电化学方法进行钢筋锈蚀检测的试验仪器国内已有不少厂商生产,这种仪器一般配备一个金属电极,一个硫酸铜电极,金属电极与钢筋连接(需凿开混凝土保护层),硫酸铜电极在混凝土表层测量。国际上许多国家制定了用电位值判断钢筋是否锈蚀的标准,美国、日本的判别标准分别见下表1和表2。
  表1 美国判别标准
  混凝土中钢筋电位(mV)
  (对饱和硫酸铜电极) 高于-200 -200~-350 低于-350
  判 别 90%不腐蚀 不确定 90%腐蚀
  表2 日本判别标准
  混凝土中钢筋电位(mV)
  (对饱和硫酸铜电极) 高于-300 局部低于-300 低于-350
  判 别 不腐蚀 局部腐蚀 全面腐蚀
   德国判别标准为:(a)参照美国标准。(b)在沿钢筋混凝土表面上进行电位梯度测量。若两电极间距≤20cm时能测出100-150mV电位差来,则电位低的部位判作腐蚀。
   我国冶金工业部建筑研究总院于1991年颁布了钢筋阻锈剂冶金行业标准,1998年修标《钢筋阻锈剂使用技术规程》(YB/T9231-98)。其中判别钢筋锈蚀标准如下:
   (a)0—-250mV不腐蚀,-250—400mV有腐蚀可能,低于-400mV腐蚀。
   (b)两电极相距20cm,电位梯度为150—200mV时,低电位处判作腐蚀。
  4.2混凝土电阻率法:
   用混凝土的电阻率来判别锈蚀速率见表3。
  
  表3 混凝土的电阻率来判别锈蚀速率
  电阻率(kΩcm) 腐蚀速率
  电阻率>100 即使混凝土在高氯含量或已碳化情况下锈蚀速率也极低
  100>电阻率≥50 钢筋活化状态下,出现低锈蚀速率
  50>电阻率≥10 钢筋活化状态下,出现中锈蚀速率
  电阻率10 电阻率已经不是锈蚀的控制因素
  4.3锈蚀电流密度法:
   用测出的钢筋的锈蚀电流可以推断未来钢筋的锈蚀量见表4,
  表4钢筋的锈蚀电流可以推断未来钢筋的锈蚀量
  电流量(A/cm2) 锈蚀率情况
  电流量<0.5 低锈蚀率
  0.5≤电流量<1.0 中锈蚀率
  1.0≤电流量<10 高锈蚀率
  电流量10 极高锈蚀率
   上述方法中,较常用的方法是用半电池电位法来测定钢筋锈蚀状态,但只能对锈蚀状
  态进行定性的分析,而无法进行定量的分析。目前美国制造的Gecor-6,锈蚀电流密度测量仪是较好的一种。该仪器有两个传感器,A传感器可以测出半电池电位,锈蚀电流密度;B传感器可以测出混凝土电阻率,温度及相对湿度。用A、B两个传感器可以判断锈蚀状态与预测混凝土的开裂时间及钢筋的锈蚀情况。如果测出数据远离斜线外侧时,应对数据进行复查。
  5.混凝土钢筋阻锈剂阻锈性能测试方法
  5.1盐水浸渍试验
   将配制好的含有1.15%NaCl的饱和Ca(OH)2溶液,含粉剂型阻锈剂0.8%,或含水剂型阻锈剂为2.2%(重量比)分别倒入三个玻璃磨口瓶内,溶液高度为40mm,每个容器内放入两个钢筋试棒,全部浸入溶液中,将瓶盖盖紧。只有在进行电位测量时,才能打开瓶盖。测量时,将钢筋棒的一端露出液面并触接电压表的正端,负端接甘汞电极。在规定时间内测量观察钢筋试棒表面有无锈蚀发生。评价:7天内钢筋试棒表面无锈蚀发生,钢筋自然电位在0mV~-250 mV范围内,视为合格。
  5.2干湿冷热循环试验
   在循环制度为3%NaCl溶液浸泡16小时、75℃烘4小时、室温停放4小时,24小时为一个循环条件下,将钢筋试棒埋入砂浆正中,钢筋周围及底面砂浆保护层厚度均为20mm,标准养护7天后试验。评价:60个循环后破样检查,钢筋表面无锈为合格。
  5.3电化学试验
   将同5.2条件下制作的试件浸泡在含3%NaCl溶液中,恒壓1400mV、72h下测试。评价:电流小于150µA为合格。
  5.4钢筋锈蚀快速试验方法
   钢筋锈蚀快速试验方法包括新拌砂浆法和硬化砂浆法。某些条件下在新拌砂浆法中由于对试验砂浆中所含的水泥、外加剂对钢筋锈蚀的影响不能作出明确的判断,必须再作出硬化砂浆阳极极化电位的测量以进一步判别外加剂对钢筋有无锈蚀危害,所以科学研究一般采用硬化砂浆法测试。
  6.结语
   (1)随着钢筋混凝土结构龄期的不断增加,人们已经愈来愈发现混凝土中钢筋锈蚀问题的严重性,对于我国应该吸取国内外经验与教训,从钢筋锈蚀机理着手妥善解决钢筋锈蚀与结构耐久性问题。
   (2)有关钢筋锈蚀状态的试验方法各国都已经制定了相关的国家或行业标准,但是通过现有的检测手段仅能够对钢筋锈蚀状态进行定性分析,无法作出重要的定量分析,所以今后应该在大量试验研究基础上总结出更加系统更加精确的测试评价方法与标准。
  
  参考文献:
  [1]洪乃丰.混凝土中钢筋锈蚀与防护技术.工业建筑,1999
  [2]封孝信等.新型钢筋阻锈剂的合成及其阻锈性能的研究.混凝土与水泥制品,2006.1
  [3]牛荻涛.混凝土结构耐久性与寿命预测.科学出版社,2002
  [4]周华林,胡达和.钢筋锈蚀状态的检测与MCI阻锈技术的应用.工业建筑,2001
  
  作者简介:1 范火义 深圳高速工程检测有限公司工程师
   2赖祺宇 深圳高速公路股份有限公司助理工程师
  注:文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
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