混凝土钢筋锈蚀机理及防腐研究

2010-06-12杨松荣孙友态

山西建筑 2010年8期

杨松荣孙友态

1 概述

混凝土中钢筋锈蚀是十分普遍的现象,尤其是在沿海地区、工业污染地区钢筋锈蚀问题更为突出。如今钢筋锈蚀已被公认为混凝土结构耐久性劣化最主要的原因,不少国家为此遭受了巨大的经济损失。在对锈蚀钢筋力学性能和粘结性能展开研究前,本文对混凝土中钢筋的腐蚀机理、钢筋锈蚀的影响因素和钢筋锈蚀的试验方法进行全面的探讨和研究,并概述了当前混凝土中钢筋锈蚀的无损检测方法和钢筋的防腐技术。

2 混凝土中钢筋的电化学腐蚀机理

2.1 混凝土中钢筋发生腐蚀的条件

1)钢筋表面的钝化膜遭到破坏,钢筋处于活化状态。混凝土中的孔隙液主要成分是Ca(OH)2饱和溶液,碱度很高,pH值通常在12.5左右,由于混凝土中还含有少量Na2O,K2O等盐分,实际pH值可超过13。在这样高碱性的环境中,钢筋表面氧化形成一层水化氧化膜(γ-.Fe2O3nH2O)。这层致密的氧化膜牢固地吸附在钢筋表面,使钢筋处于钝化状态,即使在有水分和氧气的条件下钢筋也不容易发生腐蚀,故称为“钝化膜”。2)钢筋表面存在电位差,构成腐蚀电池。钢筋中含有的少量杂质及钢筋成分的不均匀性、周围混凝土孔隙液中钢筋腐蚀的去极化剂(如OH-,Cl-和溶解氧等)的浓度差等,都会使钢筋表面形成许多微小的腐蚀电池,因此这个条件总是满足的。3)钢筋表面有电化学反应和离子扩散所需的水和氧气。一般情况下混凝土中的孔隙充满孔隙液,外界大气中的氧气通过毛细作用进入孔隙液成为溶解氧并扩散到钢筋表面,因此该条件通常也是满足的。

2.2 混凝土中钢筋腐蚀的电化学反应过程

混凝土中钢筋腐蚀的电化学原理如图1所示,钢筋的腐蚀过程包括下述4个电化学反应过程:1)阳极反应过程。2)电子传输过程:即阳极区释放的电子通过钢筋向阴极区传送。3)阴极反应去极化过程。4)腐蚀产物生成过程。

2.3 钢筋的全面腐蚀与局部腐蚀

混凝土中钢筋的腐蚀可分为全面腐蚀和局部腐蚀。从腐蚀形态上看,钢筋的全面腐蚀是指腐蚀分布在整个钢筋表面上,腐蚀较为均匀;局部腐蚀是指钢筋表面上各部分的腐蚀程度存在明显的差异,特别是指一小部分表面区域的腐蚀速度和腐蚀梯度远大于整个表面的平均值的腐蚀情况。

3 混凝土中钢筋锈蚀的影响因素

影响混凝土中钢筋锈蚀的因素很多,理论上说凡是影响钢筋电化学腐蚀反应过程的因素都会对钢筋的锈蚀产生影响,这些因素有:1)O2扩散的影响。2)pH值的影响。3)温度的影响。4)Cl-浓度的影响。5)混凝土电阻抗的影响。6)混凝土保护层的影响。

4 钢筋的防腐技术

4.1 普通钢筋的防腐技术

1)应用阻锈剂。应用阻锈剂能够阻止或延缓氯离子对钢筋钝化膜的破坏。阻锈剂是钢筋锈蚀长期防护的有效措施之一,在我国已有明确的YB/T 9231-98钢筋阻锈剂使用技术规程。采用阻锈剂的同时应使用低渗透性混凝土,以防止阻锈剂流失。2)提高混凝土的质量。通过掺加火山灰质材料、微硅粉、磨细矿渣或粉煤灰等方法,能够有效降低混凝土的孔隙尺寸和阻断毛细孔的连通,从而有效的提高混凝土的抗渗性能。提高混凝土质量的另一个重要内容是限制混凝土中的氯离子含量。混凝土骨料、拌合水、外加剂等带入混凝土中的氯离子总量一般不得超过混凝土中水泥重量的0.1%～0.3%。3)表面涂层。表面涂层可分为混凝土表面涂层和钢筋表面涂层两种。混凝土表面涂层是降低氯离子渗透速度和混凝土碳化速度的有效辅助措施。常用的钢筋表面涂层有环氧树脂涂层、镀锌和磷化涂层等,其中以环氧树脂涂层应用最为广泛,但在复杂的交叉部位,由于钢筋弯曲时存在较大的应力,环氧树脂涂层钢筋的粘结性能不易保证,因此不宜使用环氧树脂涂层钢筋。镀锌是在钢筋表面镀上一层锌,它兼有牺牲阳极的作用,但是镀锌层的寿命较短,一般不超过30年。4)阴极保护法。阴极保护常作为一种补助措施来防止混凝土中钢筋的腐蚀。在良好的导电介质中,例如海水中,阴极保护可以通过在钢筋上连接牺牲阳极来实现。而在导电性差的环境中,例如在大气中,阴极保护可以在钢筋和难溶性阳极之间施加电流实现,钢筋和难溶性阳极之间用塑料网隔开。近来,在海洋条件下及有限的范围内,也常在钢筋表面包覆上不锈钢或镍层等进行防锈。在较为恶劣的腐蚀性环境条件下,这种钢筋防腐方法往往是经济的。此外也可采用复合纤维塑料(FRP)等耐腐蚀性材料的力筋。

4.2 预应力钢筋的防腐技术

1)有粘结预应力体系。该类结构在浇筑混凝土前埋置预应力钢筋管道,待混凝土达到一定的强度后穿预应力钢筋束,张拉锚固。管道内一般灌注刚性灌浆材料包覆预应力钢筋,以达到防腐的目的,同时也使预应力钢筋与刚性灌浆材料之间具有一定的粘结力。然而常规的灌浆方法往往容易出现局部灌浆空洞,甚至出现由于施工原因无法灌浆或漏灌浆的情况。这些空洞内的预应力钢筋在潮湿的空气中很容易发生腐蚀,从而产生耐久性破坏。2)无粘结预应力体系。无粘结预应力钢筋是指经涂抹防腐油脂,用聚乙烯套管包裹制成的预应力钢筋。使用时按设计要求铺放在模板内,然后浇筑混凝土,待混凝土达到设计要求强度后,再张拉锚固。无粘结预应力钢筋与混凝土不直接接触,两者产生相对滑移而成为无粘结体系。其主要优点是工艺简单,张拉设备轻,施工方便,有利于分散布筋与高空作业。3)体外预应力体系。与体内预应力钢筋不同,体外预应力钢筋直接暴露于环境中,且预应力钢筋又是腐蚀敏感材料,如果防护不当,就容易发生腐蚀破坏,因此体外预应力钢筋的防腐极其重要。目前,体外预应力钢筋的防腐方法大体上可以分为3类:a.预应力钢筋表面涂层。常用的涂层有镀锌和环氧树脂等。镀锌涂层兼有牺牲阳极的阴极保护作用。这种方法简单且价格较便宜,预应力钢筋的更换及内力调整比较方便。但是这种方法的缺点也比较多:镀锌钢绞线一般采用热镀锌层技术,高温会造成预应力钢筋强度降低;由于镀锌的牺牲阳极作用可能产生氢,从而引起氢脆。因此实际工程中环氧树脂涂层预应力钢筋应用较为普遍。b.套管加填充材料。这种方法是在预应力钢筋的外面加套管,待张拉完预应力筋后,在套管内灌注填充材料。这种防腐系统增加了两层防腐屏障(填充材料和套管),因此防腐性能优于第一种,但价格也较高。c.采用单股无粘结预应力钢筋。单股无粘结预应力钢筋自身具有防护系统,可以不用管道而单独使用,也可以外面加套管,并充入灌浆材料构成具有多重防护功能的防腐系统。无粘结预应力钢筋直接在工厂生产,不仅可以提高质量,而且也可提高预应力钢筋在运输、存储、安装过程的耐腐蚀性。