混凝土中钢筋的锈蚀及保护

吴春辉,朱兵见,王志冲,毛征巧,林芝强,丁 洁

(台州学院建筑工程学院,浙江 台州 318000)

混凝土结构耐久性是当今世界的重大问题,1991年在法国召开的第二届混凝土耐久性会议,报告中指出[1],“当今世界混凝土破坏的主要原因为钢筋锈蚀、寒冷气候下的冻害、侵蚀环境下的物理化学作用”。钢筋腐蚀破坏是影响混凝土耐久性的第一因素,而氯离子侵蚀又是引起钢筋腐蚀的首要因素。

沿海及近海地区,由于海洋大气环境中富含氯离子等,属于强腐蚀环境,在化学侵蚀和物理作用(如盐结晶、冻融等)等多重因素下,钢筋混凝土遭受腐蚀破坏的严重程度和破坏速度都往往比内地的建筑物严重得多,出现混凝土强度下降甚至解体、钢筋锈蚀、混凝土保护层胀裂甚至剥落等严重腐蚀现象[2]。

欧美等都有以氯盐为主的“盐害”问题,韩国曾发生一系列与“盐害”有关的建筑物破坏、倒塌事件。我国台湾重修澎湖大桥和不断发生的“海砂屋”事件,也是氯盐腐蚀造成的。德国柏林议会大厦预应力混凝土屋顶倒塌是析氢的应力腐蚀破裂[3]。而我国地域辽阔,大陆东部海岸线绵长,且沿海地区人日密集,经济发达,大量钢筋混凝土结构的基础设施处于滨海淤泥质土环境中,遭受强腐蚀性环境的侵蚀,并严重威胁钢筋混凝土结构的耐久性。所以研究和解决沿海地区的钢筋混凝土耐久性问题,对于我国经济社会的良性发展具有重要意义。

1 混凝土中钢筋的锈蚀

氯离子的侵入是引起混凝土中钢筋腐蚀的最主要原因之一,氯离子破坏了钢筋表面钝化膜从而引起钢筋局部腐蚀,对腐蚀过程具有催化作用。氯离子入侵不仅影响混凝土孔隙液的pH值,还影响钢筋的电位值,因而直接影响钢筋的稳定性。但只有混凝土中氯离子的浓度达到一定的临界值后,钢筋才会发生腐蚀[4]。

1.1 实验过程

初期材料准备,采用混凝土设计标号为C60的管桩。混凝土配合比为：水泥：矿粉：粉煤灰：砂：石：水：减水剂=332∶44∶64∶758∶1290∶122∶9.24。PC钢棒为龙腾牌9.0钢棒,配筋为6×9.0,屈服强度≥1280MPa,抗拉强度≥1420MPa,延伸率≥7.0%,环筋为5.0低冷拔钢丝。

将所有管桩切割成2米一段的桩体,共计12根,以方便侵蚀加速试验操作。为了研究对比防腐措施的实际效果,对半数桩身进行了防腐处理,处理手段为外涂环氧树脂勾兑无水乙二胺和邻苯二甲酸二丁酯,其比例约为7∶1∶2。

试验时,将桩端头砂浆封堵,然后吊放入池中,注水,投入NaCl,配制成浓度为5%的溶液。然后接通稳恒7V电流以加速其腐蚀速度。加速实验装置平面图见图1。

当达到一定时间后,将桩吊出池子,以钢筋电位计测试其钢筋腐蚀电位。测试时先在桩体表面布置测试网格。选择网格尺寸大小20×10cm(沿桩轴线方向),网格交叉点即为测试点,测区中的测试点为18个。

1.2 实验结果

通过测得各网格线的交点即为测点的电位数据,绘制出相应的等电位等值线图,见图2、图3。并绘制了三维电位分布图,见图4、图5。

图2 90d、120d、280d、345d未防腐桩等电位等值线图

图3 90d、120d、280d、345d防腐桩等电位等值线图

图4 90d、120d、280d、345d未防腐桩三维等电位等值线图

图5 90d、120d、280d、345d防腐桩三维等电位等值线图

根据电位值的变化可以看出,在实验过程中,两类桩的在氯盐环境下的腐蚀电位在不断得减小,表明腐蚀在不断得增加。且从图中可以看出增长的幅度相近；根据图例颜色变化的范围可以看出,防腐桩的电位值要比未防腐桩的小。表明在涂有防腐涂层的桩内钢筋锈蚀程度小于未作处理的桩。防腐作用较明显。根据三维显示的等值线图可以看出,相对未进行防腐措施处理的桩,有防腐措施的桩的电位分布较均匀、缓和,每个点的腐蚀程度相近。

实验表明,对在腐蚀环境下的,对混凝土构件进行防腐措施的处理,对混凝土耐久性起到积极的作用。

2 保护措施

混凝土结构中钢筋的锈蚀要经历三个阶段[5]：①水分、氧和其他有害介质通过混凝土保护层渗透到钢筋表面；②混凝土保护层被碳化,钢筋的钝化膜被破坏；③钢筋表面发生电化学反应。

通过针对这三个钢筋锈蚀的阶段,来采取措施阻止混凝土中钢筋的锈蚀。一方面提高和改善混凝土的性能,增强其对钢筋的保护；另一方面提高钢筋的抗腐蚀性能。

2.1 混凝土表面处理

硬化后的混凝土总是存在着空隙,为环境中水、二氧化碳和氯离子等介质的侵蚀提供了通道。因此,通过混凝土表面处理,提高混凝土的抗渗性也是保护钢筋的一项措施[7]。混凝土表面处理主要分为混凝土的脱水处理、镶面板和表面涂覆。

2.2 控制原材料的质量

除按照施工质量的要求选择合适的原材料外,严格控制材料的氯化物含量和避免氯化物的污染是混凝土中氯离子不超标的前提条件[8]。饮用水、天然的洁净淡水及河砂一般含氯盐量很少,可直接用于拌制混凝土;最好采取防钢筋腐蚀(如加钢筋阻锈剂)的措施;混凝土中掺用的外加剂要符合有关标准[4]。

提高混凝土对钢筋防护性能的主要方法有：适当增加混凝土保护层的厚度;改善混凝土结构,如选择优质原材料、引入外加剂,合理施工;使用新型混凝土等[4]。

2.3 采用耐腐蚀钢筋

研制合金钢是改变钢筋对腐蚀敏感性的方法之一。合金元素包括铜、铬、镍、钨等,其中铬最常用。铬使铁易形成更致密和结合力强的氧化膜,在高碱性条件下比普通钢筋具有更高的防腐蚀性能[4]。

在钢筋表面施加覆盖层已广泛应用于钢筋的防腐蚀。覆盖层包括金属和非金属两种形式。其中金属覆盖层大体可分为钝化膜型(如铬基镀层)和牺牲型(如镀锌层)两种。后一种是作为牺牲阳极对基体金属起防护作用,即使镀层发生局部破坏钢筋仍可受到保护。其中,镀锌钢筋获得了较广泛的应用。而非金属覆盖层主要是有机涂层,形成一层致密而坚韧的膜[4]。

2.4 应用钢筋阻锈剂

钢筋阻锈剂即为抑制腐蚀的缓蚀剂,拌制混凝土时掺加阻锈剂是防止钢筋腐蚀的一种经济而有效的方法。最早开发的钢筋阻锈剂是亚硝酸盐,但其会损失混凝土的强度,其中钠离子有促进碱集料反应的危险,并且它是阳极型阻锈剂,用量不足反而会促进钢筋局部腐蚀,再加上亚硝酸钠有毒,因而,不能得到广泛的应用。

近年来,有机阻锈剂的应用又发展成为抑制混凝土中钢筋腐蚀的有效方法[6],其主要是胺与酯组成的水基有机外加剂。

2.5 电化学保护

钢筋混凝土结构的电化学保护包括阴极保护和电化学处理[9]。

阴极保护能直接抑制钢筋自身的电化学腐蚀过程,可分为牺牲阳极保护法和外加电流阴极保护法。前者是采用比钢电位更负的铝合金等作为阳极与钢筋电连接,靠自身的腐蚀提供自由电子实现对钢筋的保护；后者则是以直流电源的负极与被保护的钢筋连接,正极与难溶性的辅助阳极相接,提供保护电流使钢筋发生阴极极化而受到保护[4]。

电化学处理与外加电流阴极保护法相似,也是以钢筋为阴极,通以低压直流电流达到保护钢筋的目的[10]。

3 结语

目前的土木建筑工程,钢筋混凝土结构以其具有较好的强度、耐久性和耐火性,在建筑结构中占据主导地位。混凝土结构大量用于沿海等具有较强腐蚀性的环境中,其耐久性不同于一般环境下的混凝土结构,在世界范围内得到高度重视。

实验表明,在加速腐蚀试验的时间段内,氯离子对混凝土的腐蚀程度随时间的增长不断加重。通过对比两类桩(是否进行防腐处理)的等电位等值线,防腐桩的电位分布较均匀,各点位腐蚀程度相近,且进行防腐措施处理的桩的腐蚀程度明显小于未进行处理的桩。

混凝土中钢筋的锈蚀程度直接影响混凝土的耐久性。为了防止混凝土内钢筋是锈蚀,针对其锈蚀的三个阶段,一方面可应提高混凝土保护性；另一方面提高钢筋的抗腐蚀性能。对于钢筋混凝土的防腐措施在不断地跟进和改善,目前采用钢筋阻锈剂和电化学阴极保护是比较经济有效的保护措施。