混凝土碳化引起钢筋锈蚀的试验研究

赵文娟

1 概述

1.1 混凝土结构的耐久性

混凝土结构应满足安全性、适用性和耐久性这三方面的要求。混凝土结构的耐久性是指在设计和使用年限内，在正常维护下，结构必须保持适合于使用，而不需要维修加固。混凝土结构广泛用于各类工程结构中，如果因耐久性不足而失效，或为了继续正常使用而进行相当规模的维修、加固和改造，则要付出高昂的代价。保证混凝土结构能在自然和人为环境的化学和物理作用下，满足耐久性的要求，是一个十分迫切和重要的问题。

1.2 影响混凝土结构耐久性能的主要因素

影响混凝土结构耐久性的因素，主要有内部原因和外部原因两个方面。内部因素主要有混凝土的强度、密实性、水泥用量、水灰比、氯离子及碱含量、外加剂用量、保护层厚度等;外部因素则主要是环境条件，包括温度、湿度、二氧化碳含量、侵蚀性介质等。出现耐久性能下降的问题，往往是内外部因素综合作用的结果。

2 混凝土的碳化与钢筋的锈蚀

2.1 混凝土的碳化

理论分析和试验分析表明，在大气环境下，混凝土的碳化深度与时间的关系为:

其中，X为碳化深度;Dk为CO2的扩散系数;C为混凝土表面的浓度;b为单位体积混凝土碳化所需的CO2含量;K为混凝土碳化系数，与结构所处的自然环境和使用环境、水泥品种、结构混凝土质量及混凝土早期养护条件有关;t为混凝土暴露时间，年。

2.2 钢筋的锈蚀

混凝土碳化至钢筋表面使氧化膜破坏是钢筋锈蚀的必要条件，含氧水分侵入是钢筋锈蚀的充分条件。建筑中通常用的钢材为碳素结构钢和结构低合金钢，其化学组成除Fe外，还含有少量其他金属(Mn，V ，Ti)和非金属(Si，C，S，P，O)元素并形成固熔体 、化合物或机械混合物的形态共存于钢材结构中;此外还有许多晶界面和缺陷。钢筋表面氧化膜破坏后，当钢材表面从空气中吸收溶有二氧化碳的水分，形成一种电解质的水膜时，就会在钢材表面层的不同成分或晶界面之间构成无数微电池。阳极和阴极反应构成整个腐蚀过程，这即为电化学腐蚀。最初的混凝土孔隙中充满了饱和Ca(OH)2溶液，它使钢筋表层发生初始的电化学腐蚀，该腐蚀物在钢筋表面形成一层致密的覆盖物，即 Fe2O3和Fe3O4，这层覆盖物称为钝化膜，在高碱性环境中，即pH≥11.5时，它可以阻止钢筋被进一步腐蚀。当混凝土碳化深度超过保护层达到钢筋表面时，钢筋周围孔隙液的pH值降低到8.5～9.0，钝化膜被破坏，钢筋将完成电化学腐蚀，导致钢筋锈蚀。

3 工程实例

3.1 混凝土碳化的检测步骤

采用化学测试法，在混凝土表面凿个小洞，深1 cm左右，用洗耳球或小皮老虎吹掉灰尘碎屑，然后滴入或涂抹酚酞剂，看混凝土是否变色(碳化)，若发现有碳化情况，则可迅速的测试出其碳化程度。1)酚酞剂的配制。根据实践试验结果得出，用99%的酒精加1%的酚酞液，所配制的酚酞剂呈浅色;96%的酒精加4%的酚酞液，所配制的酚酞剂呈深色。2)混凝土碳化判定。当酚酞剂涂抹或滴入混凝土体内1 min～2 min后，便有反应。若混凝土变红色，则混凝土未碳化;若混凝土不变色，则混凝土已碳化。3)混凝土碳化深度测验。用碳化深度测定仪测定没有变色的混凝土的深度。4)测试混凝土碳化凿开面的处理。在混凝土碳化测试工作完成后，对检测混凝土碳化的凿开面应用环氧树脂或环氧混凝土作填补封闭处理。

表1 混凝土碳化深度检测结果 mm

3.2 试验数据

我们对某工程的几个构件进行编号，并对其进行混凝土碳化检测，测试结果如表1所示。从表1中可以看出，有些钢筋表面的钝化膜遭到破坏，钢筋开始腐蚀，由于钢筋锈蚀，其截面面积减少，延性降低，强度受损，使结构或构件安全性受到不同程度的影响。混凝土中钢筋锈蚀会使构件的承载力下降，使结构的性能劣化。因此我们必须采取一些有效措施，处理钢筋锈蚀。

3.3 钢筋锈蚀后的处理方法

1)对碳化深度过大，钢筋锈蚀明显、危及结构安全的构件应拆除重建;2)对碳化深度较小并小于钢筋保护层厚度，碳化层比较坚硬的，可用优质涂料封闭;3)对碳化深度大于钢筋保护层厚度或碳化深度虽然较小但碳化层疏松剥落的，均应凿除碳化层，粉刷高强砂浆或浇筑高强混凝土;4)对钢筋锈蚀严重的，应在修补前除锈，并应根据锈蚀情况和结构需要加补钢筋。

4 结语

1)混凝土本身要降低水灰比，保证密实度，具有足够的保护层厚度，严格控制氯含量。2)采用覆盖层，防止二氧化碳等的渗入。3)在海工结构、强腐蚀介质中的钢筋混凝土结构中，可采用钢筋阻锈剂、防腐蚀钢筋、环氧涂层钢筋、不锈钢钢筋等。4)若建筑物地处环境恶劣的地区，宜采取环氧基液涂层保护效果较好，对建筑物地下部分在其周围设置保护层。5)合理设计混凝土配合比。6)规定钢筋保护层的最小厚度。

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