中国混凝土网 - 混凝土行业门户网站 !

商业资讯: 行业动态 | 国际市场 | 企业情况 | 设备市场 | 行业股市 | 展会信息 | 展会新闻 | 混凝土知识 | 混凝土百科 | 名人名企

你现在的位置: 首页 > 商业资讯 > 混凝土百科 > 钢筋混凝土耐久性劣化模式及对策分析

钢筋混凝土耐久性劣化模式及对策分析

信息来源:hunningtu.biz  时间:2009-05-20  浏览次数:182

  摘要:钢筋混凝土耐久性问题是近年来国内外研究的热点话题,主要集中在腐蚀机理、评价手段、防腐方法等几个方面。本文结合国内外关于混凝土耐久性设计资料,分析了混凝土结构腐蚀现状以及环境特点,提出根据钢筋混凝土结构部位不同、腐蚀机理不同的特点,应用基于耐久性劣化模式的防腐蚀措施。
  关键词:耐久性;劣化模式;防腐蚀措施
  混凝土结构的腐蚀问题属于耐久性问题的范畴,通常是指环境中某些物质对混凝土结构进行侵蚀,促使结构功能劣化的过程。对于水泥混凝土结构物来说,环境中的氧、氯盐、硫酸盐、镁盐,以及酸类物质都是腐蚀性物质,但是腐蚀方式互不相同,最终的腐蚀表现形式也互不一样。
  一、影响混凝土耐久性的劣化模式
  (一)溶解氧腐蚀模式
  1、碳化过程
  通常情况下水泥混凝土具有保护钢筋不被腐蚀的能力,因为硬化的水泥混凝土是高碱性物质,PH值>11.5,在这种环境下,钢筋表面存在一层稳定而致密的钝化膜。钝化膜对腐蚀性的介质具有有效的隔离作用,能使钢筋得到有效的保护。但是当外界因素使混凝土的PH值<11.5时,钝化膜就开始不稳定,当PH值小于9.88时,钝化膜生成困难或已经生成的钝化膜开始逐渐破坏即“脱钝”,致使铁基体裸露,从而逐渐失去对钢筋的保护作用。
  碳化的过程就是空气中CO2溶解于水中后进入混凝土内部,消耗水泥水化产物Ca(OH)2生成碳酸钙的过程。由于Ca(OH)2的持续消耗,混凝土的PH值持续下降,到了一定的程度将引起钢筋的脱钝。
  碳化的速度取决于混凝土结构保护层的厚度、混凝土的抗渗性、混凝土的含气量、空气湿度、二氧化碳浓度等多种因素。一般情况下,碳化的深度和时间的平方根成正比,当环境的湿度为50%左右时混凝土的炭化速度最快,混凝土自身的抗渗透性对炭化速度具有决定性的影响。
  2、钢筋表面的电池反应过程
  通常情况下,钢筋表面的电位是不均匀的,沿钢筋长度方向具有电势差。当保护层被完全碳化后,空气中的氧通过溶解渗透作用达到钢筋的铁基体表面将形成电化学作用,诱发钢筋锈蚀,造成破坏。这种破坏模式的反应式如下:
  上式中氧化生成物Fe(OH)2的体积为原被腐蚀铁基体体积的两倍以上,生成后将对周围混凝土形成很大的膨胀力,即通常所说的钢筋锈胀作用。钢筋锈蚀通常从局部点蚀开始,数量逐步增多并扩展,最终形成大片钢筋锈蚀,钢筋保护层剥落。通常情况下当环境相对湿度处于70~80%时最利于电化学反应发生。
  (二)由于氯盐作用引起的钢筋锈蚀破坏模式
  氯盐对钢筋的腐蚀作用在原理上和溶解氧腐蚀有共同之处,都由钢筋脱钝和电化学反应两个过程构成,但在作用的细节上却存在较大差异,主要表现为:1、Cl-加速了局部钢筋钝化膜的破坏速度;2、由于Cl-的参与加速了电池反应的速度。正是由于以上作用特点,在有Cl-存在的情况下,钢筋锈蚀的速度大大加快了,并且发生了更为不利的点蚀现象,严重削弱了钢筋的承载力和延性。所以氯盐腐蚀作用一旦发生,其危害程度远超过溶解氧引起的钢筋锈蚀作用。
  Fe+O2+O2H→Fe(OH)2
  由于Cl-离子来源广泛,以及其对钢筋造成的锈蚀影响的严重性,被工程界公认为导致混凝土破坏频率最高的因素。
  (三)硫酸盐腐蚀引起的混凝土破坏模式
  硫酸盐腐蚀混凝土的过程比较复杂,但总体上看,主要由硫酸盐和Ca(OH)2反应生成石膏(硫酸钙)的过程以及石膏和水化铝酸钙反应生成水化硫铝酸钙(钙矾石)生成的过程两部分构成,其中又包含了许多次生的过程。
  混凝土发生硫酸盐腐蚀破坏表现的特征为表面发白,损害从棱角处开始,随后裂缝开展并造成混凝土表面剥落,最终使混凝土成为一种易碎,甚至松散的状态。硫酸盐腐蚀的速度随其溶液的浓度增大而加快。如果混凝土处于干湿循环的状态,将有利于生成物的溶出和反应物的渗入,配合以干缩湿胀的作用,将加剧硫酸盐腐蚀。
  (四)冻融和盐冻作用破坏模式
  冻融破坏型式是受潮混凝土在负温条件下,由于水分结冰--融化反复作用造成的混凝土的破坏型式。混凝土受冻破坏的原理是水分结冰膨胀和相伴的由于水分迁移形成的渗透压作用。当水分中含有盐份时,这种破坏作用会显著加剧。
  盐冻作用是指在负温条件下盐水对混凝土的冻融破坏作用。通常情况下,氯盐对混凝土结构的腐蚀主要是通过腐蚀混凝土中的钢筋形成的,但盐冻作用是氯盐对混凝土本体形成的腐蚀作用。
  (五)碱骨料反应破坏模式
  碱骨料反应是混凝土原材料(主要是水泥、活性掺合料和外加剂)携带的可熔性碱在有水的作用下和骨料中含有的碱活性物质发生的反应。这种反应会在骨料界面,有时也可能在裂隙内,生成可吸水肿胀的凝胶或体积膨胀的晶体,使混凝土发生膨胀开裂。
  一般把碱骨料反应分为两类:一类是碱-硅酸反应,是指碱和骨料中的活性SiO2发生反应,生成碱硅凝胶,吸水肿胀导致混凝土膨胀或开裂。另一类是碱-碳酸盐反应,是指碱与骨料中的微晶白云石反应生成水镁石和方解石晶体,使骨料膨胀,进而使混凝土膨胀开裂。
  二、钢筋混凝土防腐对策
  (一)增加钢筋混凝土保护层的厚度
  针对溶解氧腐蚀和氯盐腐蚀,增加钢筋的保护层厚度显然是非常有效的。一般情况下,炭化的深度、氯离子渗透的深度和时间的平方根成正比,所以增加保护层的厚度将大大延长钢筋脱钝和氯离子渗透至钢筋表面的时间。
  (二)使用混凝土外涂覆层
  外涂覆层有水泥基涂层(如水泥砂浆层、聚合物砂浆等),渗透性涂层(如有机硅类材料),浸渍性涂层,以及各种涂料、沥青焦油、油漆、树脂等。
  (三)使用环氧涂层钢筋
  环氧涂层钢筋是采用静电粉末喷涂的方法对钢筋表面进行加工制作的,能保证涂层与基体钢筋的良好粘结,使钢筋具备较好的耐碱性、耐化学腐蚀性。
  环氧钢筋的保护机理完全建立在隔离钢筋和腐蚀性介质的基础之上,因此,保护膜层的完整性成为保证环氧涂层钢筋有效性的关键。生产厂家保证环氧涂层的质量非常重要,但这并不够,还要从出厂运输到工程使用操作的各个环节都要避免环氧涂层的损伤,因此,使用环氧涂层钢筋对管理和施工水平都有非常高的要求。
  (四)使用钢筋阻锈剂
  钢筋阻锈剂的作用原理是外掺的或涂覆的阻锈剂可以通过吸附作用吸附于钢筋的表面,形成10~100μm厚度的隔离层,起到保护钢筋的作用。按使用方式可将钢筋阻锈剂分成掺入型和渗透型两种。掺入型阻锈剂可直接掺入混凝土中使用,适用于新建工程和修复工程。渗透型阻锈剂可涂刷于混凝土表面,通过渗透的方式到达钢筋表面形成保护,主要用于老工程的修复。
  钢筋阻锈剂的有效性与其在混凝土中的存在量有直接的关系,为了保护钢筋不被腐蚀必须对氯离子含量保持一定的数量比例。使用钢筋阻锈剂被认为是一个相对低廉和简单的防腐措施。
  (五)阴极保护的方法
  阴极保护有两种方式,一是采用比铁更活泼的金属和钢筋相连,将钢筋由原先失电子的阳极变为阴极,从而达到保护钢筋,避免钢筋锈蚀的目的,二是应用外加电流的方法,将直流电源的负极和钢筋相连,迫使钢筋由阳极状态变为阴极状态。阴极保护的方法是十分有效的,尤其对于那些已经遭受氯盐腐蚀的结构,但工艺复杂,费用高昂,适合于重要设施的安全防护。
  (六)电除盐法
  电除盐法的做法是在混凝土结构表面放置电解质,电解液中放置金属网,将混凝土中的钢筋和金属网相连并施加电压,阴极和钢筋相连,阳极和金属网相连。在外加的电压下,混凝土中负离子如氯离子流向阳极,而正离子在钢筋周围聚集。在除盐过程中,钢筋周围会产生一些氢氧根离子,使钢筋重新获得钝化。
  (七)对混凝土进行改性、增密的方法
  在混凝土中掺入优质粉煤灰、磨细矿渣粉、硅粉、沸石粉等优质活性混合材都是增密的有效措施,增密的原理是:活性混合材和水泥的水化产物Ca(OH)2发生“火山灰反应”,也称“二次反应”,由于反应的时间滞后于水泥的水化反应,生成物填充于原水泥水化空间的空隙之中,以及水泥石和集料的界面空间之中,起到增密的作用。
  水泥基材的密实度越高,孔隙率就越小,硫酸根离子溶液就越难渗透到内部孔隙中,产生的有害物质的速度和数量就会减少。对混凝土进行改性增密的方法具有成本低廉、操作简单、效果较好、适应面宽等优点。
  参考文献:
  [1]金伟良,赵羽习.混凝土结构耐久性.北京,科学出版社,2002
  [2]马孝轩.我国主要类型土壤对混凝土材料腐蚀性规律的研究.建筑科学,2003
  [3]杨建森.氯盐对混凝土中钢筋的腐蚀极力与防腐技术,《混凝土》,2001
  [4]王玲等.混凝土受除冰盐腐蚀破坏的机理及防治措施研究.《低温建筑技术》,2001
  [5]洪乃丰.氯盐引起的钢筋锈蚀及耐久性设计考虑.《混凝土结构耐久性及耐久性设计会议文集》,清华大学,2002年11月
  [6]林晖,侯捷,卢小琳等.硫酸盐对水泥基材料微观结构的影响[J].混凝土,2005  摘要:钢筋混凝土耐久性问题是近年来国内外研究的热点话题,主要集中在腐蚀机理、评价手段、防腐方法等几个方面。本文结合国内外关于混凝土耐久性设计资料,分析了混凝土结构腐蚀现状以及环境特点,提出根据钢筋混凝土结构部位不同、腐蚀机理不同的特点,应用基于耐久性劣化模式的防腐蚀措施。
  关键词:耐久性;劣化模式;防腐蚀措施
  混凝土结构的腐蚀问题属于耐久性问题的范畴,通常是指环境中某些物质对混凝土结构进行侵蚀,促使结构功能劣化的过程。对于水泥混凝土结构物来说,环境中的氧、氯盐、硫酸盐、镁盐,以及酸类物质都是腐蚀性物质,但是腐蚀方式互不相同,最终的腐蚀表现形式也互不一样。
  一、影响混凝土耐久性的劣化模式
  (一)溶解氧腐蚀模式
  1、碳化过程
  通常情况下水泥混凝土具有保护钢筋不被腐蚀的能力,因为硬化的水泥混凝土是高碱性物质,PH值>11.5,在这种环境下,钢筋表面存在一层稳定而致密的钝化膜。钝化膜对腐蚀性的介质具有有效的隔离作用,能使钢筋得到有效的保护。但是当外界因素使混凝土的PH值<11.5时,钝化膜就开始不稳定,当PH值小于9.88时,钝化膜生成困难或已经生成的钝化膜开始逐渐破坏即“脱钝”,致使铁基体裸露,从而逐渐失去对钢筋的保护作用。
  碳化的过程就是空气中CO2溶解于水中后进入混凝土内部,消耗水泥水化产物Ca(OH)2生成碳酸钙的过程。由于Ca(OH)2的持续消耗,混凝土的PH值持续下降,到了一定的程度将引起钢筋的脱钝。
  碳化的速度取决于混凝土结构保护层的厚度、混凝土的抗渗性、混凝土的含气量、空气湿度、二氧化碳浓度等多种因素。一般情况下,碳化的深度和时间的平方根成正比,当环境的湿度为50%左右时混凝土的炭化速度最快,混凝土自身的抗渗透性对炭化速度具有决定性的影响。
  2、钢筋表面的电池反应过程
  通常情况下,钢筋表面的电位是不均匀的,沿钢筋长度方向具有电势差。当保护层被完全碳化后,空气中的氧通过溶解渗透作用达到钢筋的铁基体表面将形成电化学作用,诱发钢筋锈蚀,造成破坏。这种破坏模式的反应式如下:
  上式中氧化生成物Fe(OH)2的体积为原被腐蚀铁基体体积的两倍以上,生成后将对周围混凝土形成很大的膨胀力,即通常所说的钢筋锈胀作用。钢筋锈蚀通常从局部点蚀开始,数量逐步增多并扩展,最终形成大片钢筋锈蚀,钢筋保护层剥落。通常情况下当环境相对湿度处于70~80%时最利于电化学反应发生。
  (二)由于氯盐作用引起的钢筋锈蚀破坏模式
  氯盐对钢筋的腐蚀作用在原理上和溶解氧腐蚀有共同之处,都由钢筋脱钝和电化学反应两个过程构成,但在作用的细节上却存在较大差异,主要表现为:1、Cl-加速了局部钢筋钝化膜的破坏速度;2、由于Cl-的参与加速了电池反应的速度。正是由于以上作用特点,在有Cl-存在的情况下,钢筋锈蚀的速度大大加快了,并且发生了更为不利的点蚀现象,严重削弱了钢筋的承载力和延性。所以氯盐腐蚀作用一旦发生,其危害程度远超过溶解氧引起的钢筋锈蚀作用。
  Fe+O2+O2H→Fe(OH)2
  由于Cl-离子来源广泛,以及其对钢筋造成的锈蚀影响的严重性,被工程界公认为导致混凝土破坏频率最高的因素。
  (三)硫酸盐腐蚀引起的混凝土破坏模式
  硫酸盐腐蚀混凝土的过程比较复杂,但总体上看,主要由硫酸盐和Ca(OH)2反应生成石膏(硫酸钙)的过程以及石膏和水化铝酸钙反应生成水化硫铝酸钙(钙矾石)生成的过程两部分构成,其中又包含了许多次生的过程。
  混凝土发生硫酸盐腐蚀破坏表现的特征为表面发白,损害从棱角处开始,随后裂缝开展并造成混凝土表面剥落,最终使混凝土成为一种易碎,甚至松散的状态。硫酸盐腐蚀的速度随其溶液的浓度增大而加快。如果混凝土处于干湿循环的状态,将有利于生成物的溶出和反应物的渗入,配合以干缩湿胀的作用,将加剧硫酸盐腐蚀。
  (四)冻融和盐冻作用破坏模式
  冻融破坏型式是受潮混凝土在负温条件下,由于水分结冰--融化反复作用造成的混凝土的破坏型式。混凝土受冻破坏的原理是水分结冰膨胀和相伴的由于水分迁移形成的渗透压作用。当水分中含有盐份时,这种破坏作用会显著加剧。
  盐冻作用是指在负温条件下盐水对混凝土的冻融破坏作用。通常情况下,氯盐对混凝土结构的腐蚀主要是通过腐蚀混凝土中的钢筋形成的,但盐冻作用是氯盐对混凝土本体形成的腐蚀作用。
  (五)碱骨料反应破坏模式
  碱骨料反应是混凝土原材料(主要是水泥、活性掺合料和外加剂)携带的可熔性碱在有水的作用下和骨料中含有的碱活性物质发生的反应。这种反应会在骨料界面,有时也可能在裂隙内,生成可吸水肿胀的凝胶或体积膨胀的晶体,使混凝土发生膨胀开裂。
  一般把碱骨料反应分为两类:一类是碱-硅酸反应,是指碱和骨料中的活性SiO2发生反应,生成碱硅凝胶,吸水肿胀导致混凝土膨胀或开裂。另一类是碱-碳酸盐反应,是指碱与骨料中的微晶白云石反应生成水镁石和方解石晶体,使骨料膨胀,进而使混凝土膨胀开裂。
  二、钢筋混凝土防腐对策
  (一)增加钢筋混凝土保护层的厚度
  针对溶解氧腐蚀和氯盐腐蚀,增加钢筋的保护层厚度显然是非常有效的。一般情况下,炭化的深度、氯离子渗透的深度和时间的平方根成正比,所以增加保护层的厚度将大大延长钢筋脱钝和氯离子渗透至钢筋表面的时间。
  (二)使用混凝土外涂覆层
  外涂覆层有水泥基涂层(如水泥砂浆层、聚合物砂浆等),渗透性涂层(如有机硅类材料),浸渍性涂层,以及各种涂料、沥青焦油、油漆、树脂等。
  (三)使用环氧涂层钢筋
  环氧涂层钢筋是采用静电粉末喷涂的方法对钢筋表面进行加工制作的,能保证涂层与基体钢筋的良好粘结,使钢筋具备较好的耐碱性、耐化学腐蚀性。
  环氧钢筋的保护机理完全建立在隔离钢筋和腐蚀性介质的基础之上,因此,保护膜层的完整性成为保证环氧涂层钢筋有效性的关键。生产厂家保证环氧涂层的质量非常重要,但这并不够,还要从出厂运输到工程使用操作的各个环节都要避免环氧涂层的损伤,因此,使用环氧涂层钢筋对管理和施工水平都有非常高的要求。
  (四)使用钢筋阻锈剂
  钢筋阻锈剂的作用原理是外掺的或涂覆的阻锈剂可以通过吸附作用吸附于钢筋的表面,形成10~100μm厚度的隔离层,起到保护钢筋的作用。按使用方式可将钢筋阻锈剂分成掺入型和渗透型两种。掺入型阻锈剂可直接掺入混凝土中使用,适用于新建工程和修复工程。渗透型阻锈剂可涂刷于混凝土表面,通过渗透的方式到达钢筋表面形成保护,主要用于老工程的修复。
  钢筋阻锈剂的有效性与其在混凝土中的存在量有直接的关系,为了保护钢筋不被腐蚀必须对氯离子含量保持一定的数量比例。使用钢筋阻锈剂被认为是一个相对低廉和简单的防腐措施。
  (五)阴极保护的方法
  阴极保护有两种方式,一是采用比铁更活泼的金属和钢筋相连,将钢筋由原先失电子的阳极变为阴极,从而达到保护钢筋,避免钢筋锈蚀的目的,二是应用外加电流的方法,将直流电源的负极和钢筋相连,迫使钢筋由阳极状态变为阴极状态。阴极保护的方法是十分有效的,尤其对于那些已经遭受氯盐腐蚀的结构,但工艺复杂,费用高昂,适合于重要设施的安全防护。
  (六)电除盐法
  电除盐法的做法是在混凝土结构表面放置电解质,电解液中放置金属网,将混凝土中的钢筋和金属网相连并施加电压,阴极和钢筋相连,阳极和金属网相连。在外加的电压下,混凝土中负离子如氯离子流向阳极,而正离子在钢筋周围聚集。在除盐过程中,钢筋周围会产生一些氢氧根离子,使钢筋重新获得钝化。
  (七)对混凝土进行改性、增密的方法
  在混凝土中掺入优质粉煤灰、磨细矿渣粉、硅粉、沸石粉等优质活性混合材都是增密的有效措施,增密的原理是:活性混合材和水泥的水化产物Ca(OH)2发生“火山灰反应”,也称“二次反应”,由于反应的时间滞后于水泥的水化反应,生成物填充于原水泥水化空间的空隙之中,以及水泥石和集料的界面空间之中,起到增密的作用。
  水泥基材的密实度越高,孔隙率就越小,硫酸根离子溶液就越难渗透到内部孔隙中,产生的有害物质的速度和数量就会减少。对混凝土进行改性增密的方法具有成本低廉、操作简单、效果较好、适应面宽等优点。
  参考文献:
  [1]金伟良,赵羽习.混凝土结构耐久性.北京,科学出版社,2002
  [2]马孝轩.我国主要类型土壤对混凝土材料腐蚀性规律的研究.建筑科学,2003
  [3]杨建森.氯盐对混凝土中钢筋的腐蚀极力与防腐技术,《混凝土》,2001
  [4]王玲等.混凝土受除冰盐腐蚀破坏的机理及防治措施研究.《低温建筑技术》,2001
  [5]洪乃丰.氯盐引起的钢筋锈蚀及耐久性设计考虑.《混凝土结构耐久性及耐久性设计会议文集》,清华大学,2002年11月
  [6]林晖,侯捷,卢小琳等.硫酸盐对水泥基材料微观结构的影响[J].混凝土,2005

    ——本信息真实性未经中国混凝土网证实,仅供您参考