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恒温环境外加剂混凝土中钢筋锈蚀分析

信息来源:hunningtu.biz  时间:2009-11-26  浏览次数:128

  摘要:分析某工程在竣工后不足5年、恒温环境使用、掺加外加剂的混凝土结构中钢筋锈蚀的原因,探讨混凝土结构的设计据、混凝土组成材料、氯离子含量的限值、混凝土结构的施工质量及使用环境等对钢筋锈蚀产生的影响,强调应实施混凝土的耐久性设计、控制原材料质量、施工质量、混凝土结构的防护质量等全过程质量控制。
  关键词:混凝土;外加剂;钢筋锈蚀;氯离子含量
  1工程概况
  某大型公共建筑,地上4层,地下1层,框架结构,基础为桩基,抗震设防烈度为7度:混凝土构件设计强度等级:-6.5~17m的柱为C40,梁、板为C30。兴建于1995年,竣工于1998年,室内要求恒温21℃。5年后,发现2层部分框架柱外贴石材出现纵向裂缝,敲击有空鼓声,观察发现裂缝有发展趋势。将柱装饰石材和装饰用混凝土层局部剔除后,发现柱混凝土沿钢筋方向开裂,混凝土保护层疏松、酥裂,敲击有空鼓声,局部剥离混凝土保护层,发现柱内一些钢筋锈蚀严重(见图1)。
  在对该建筑2层检测时混凝土构件中,发现柱内钢筋锈蚀程度不同;对2层吊顶内混凝土构件抽查,发现个别梁底由于混凝土保护层厚度较薄,亦出现沿纵筋方向的裂缝,但裂缝很小;混凝土板露筋处,钢筋亦有锈蚀现象。
  2检测结果与分析
  经取样按照现行规范[1]实测混凝土柱中混凝土Cl-含量为0.04%~0.46%,SO42-含量为0.30%~1.00%,柱混凝土实际强度在C25左右;混凝土柱、梁、板保护层大多不符合GB50010—2002规范要求,Cl-含量大部分超过限值。
  Cl-引起混凝土中钢筋锈蚀,需要同时具备3个条件:一是混凝土中钢筋周围的C1-积聚达到一定临界值,即足以引起钢筋表面钝化膜破坏时,钢筋才有可能产生锈蚀;二是渗入氧气;三是要有水分存在。具备这些条件时,C1-导致钢筋锈蚀的电化学过程便可形成。对于2层的混凝土构件,由于处于冬季施工,使用现场搅拌、掺有防冻剂的混凝土料浇筑:柱的混凝土强度等级偏低,密实度较差,混凝土保护层不足,之后,为粘贴装饰石材,在柱四周又浇筑了1层混凝土,现场发现该部分混凝土的质量更差。柱混凝土中防冻剂含有氯盐,存在一定的氧气通路,装饰石材后,在恒温21℃的室内环境,柱混凝土中水分蒸发缓慢,其中钢筋锈蚀、混凝土沿钢筋方向出现裂缝也必然形成。吊顶内的柱端、梁、楼板未加装饰的钢筋锈蚀现象较轻,其原因是相对裹有装饰层的混凝土柱,这些部位的水分蒸发要快得多。
  对于存在的SO42-,它可以和混凝土中的氢氧化钙发生反应,生成石膏,其在混凝土孔隙中结晶并产生体积膨胀,使混凝土破坏:另外,石膏与其牛的水化铝酸钙起作用,生成含有大量结晶水的水化硫铝酸钙(即钙矾石),其体积可增大至原有水化铝酸钙体积的2.5倍左右,这种结晶膨胀具有非常严重的破坏作用。硫酸盐类的侵蚀取决于水中SO42-的浓度,但是也与水中Cl—的含量有关,C1—可以提高水化硫铝酸钙的溶解度,阻止钙矾石晶体的生成与长大,以至减轻结晶膨胀破坏作用。
  上述分析表明,2层柱裂缝主要是由于柱内钢筋锈蚀引起,引起钢筋锈蚀的主要原因是由于2层柱混凝土中C1-含量过高。
  3引起钢筋锈蚀的原因分析
  3.1混凝土结构设计依据的缺失问题
  混凝土强度等级、混凝土保护层厚度等因素,是混凝土耐久性设计的内容:混凝土强度与混凝土的密实性密切相关,决定了混凝土碳化、氯离子侵蚀等劣化混凝土条件的侵入快慢;混凝土保护层的平方正比于氯离子侵蚀的速度。
  该工程设计时的规范无明确的耐久性设计规定,而现行规范[1]则就混凝土结构作出了在不同环境类别情况最大水灰比、最小水泥用量、最低混凝土强度等级、最高氯离子含量、最大碱含量、混凝土保护层厚度等方面的限值规定。由此可见,设计依据的缺失是该工程钢筋锈蚀的原因之一。
  3.2混凝土组成材料的选配问题
  由于存在水泥与外加剂、外加剂之间、掺合料与外加剂或水泥之间等的不相容,新拌混凝土可能出现坍落度损失大、引气量减少、早期硬化异常和影响其它性能,若早期硬化使得混凝土密实困难,混凝土强度的发展会受到限制。因此,外加剂作为混凝土的重要组成部分,在选用时必须进行试验,证明其性能以及与水泥的相容性,并确定适宜的掺量、掺加工艺以及用水量等。
  氯化物可以通过外加剂、集料、胶凝材料和拌和水等不同的组分引入混凝土,恰是混凝土中氯离子来源的复杂性,要对任一组分的氯离子含量提出一个合理的限量比较困难,为混凝土设定一个可以接受的氯化物限量,需要考虑结构的设计类型和使用期间的环境状况[2]。
  关于混凝土:中氯离子的含量限值,规范[1]作出了明确规定。在要求外加剂等单一材料氯离子含量检测指标满足相关规范要求外,更要求混凝土中氯离子的含量满足规范[1,3]要求。
  3.3混凝土结构的施工质量控制问题
  对于掺用外加剂的混凝土,在耐久性设计条件满足的情况下,混凝土施工质量必须得到保证,其内容涉及混凝土配合比、水灰比、混凝土强度、混凝土保护层等,还有混凝土表观的蜂窝、麻面等;若这些内容不能得到质量保证,氯离子含量即使达不到设计限值,但氯离子浓度一旦达到引起钢筋锈蚀的最低点,在钢筋或钢筋不同部位之间会形成原电池,产生锈蚀的电化学反应。钢筋的锈蚀速率取决于混凝土的导电率、水分含量和氧从混凝土内渗透到钢筋的速率,其中,混凝土保护层具有重要的作用,混凝土保护层厚度的平方正比于因氯离子侵蚀而导致钢筋锈蚀的速率。超过钢筋锈蚀临界值的氯离子能够单独透过钢筋的钝化膜,与铁离子结合形成可溶解的氯化物,把铁溶解到混凝土中,最终形成氧化物(铁锈)。生成铁锈的过程是个膨胀的过程,铁锈体积可以达到原始体积的4倍,从而在钢筋和混凝土之间产生内应力,最终导致钢筋保护层剥落。混凝土保护层对钢筋的保护作用,主要取决于混凝土的保护层厚度和密实度,能阻止外界腐蚀介质、氧气及水分等的渗入;钢筋保护层的剥落,使钢筋的锈蚀加剧。
  在混凝土耐久性按要求设计、材料选配适当的情况下,混凝土的施工质量是重要的保证手段。
  3.4使用环境的影响问题
  使用环境对钢筋锈蚀有重要的影响作用,如温度、湿度及干湿交替作用、海水飞溅、海盐渗透等。特别在混凝土的自身保护能力(密实度和保护层厚度)不合要求或保护层有裂缝等缺陷时,会加剧对钢筋锈蚀作用。但本工程的恒温环境,事实上减缓了混凝土耐久性的损失,若非此种环境,钢筋锈蚀的速度会更快,发现的时间会更早,可能会在1年或2年内。
  3.5混凝土中氯离子含量的限值问题
  氯离子的含量限值事实上基于一定的条件,如混凝土水灰比、混凝土强度、混凝土保护层等;对应于混凝土耐久性的保证年限,在基准条件均满足相关规范要求的情况下,该保证年限可达到规范要求的设计使用年限或更长。而一旦有部分条件达不到要求,混凝土耐久性的设计年限会达不到要求,甚至会比较短,出现这种情况,表明氯离子的设计含量限值已在一定程度或完全丧失意义:混凝土浇筑时的氯离子含量虽未超限,但由于基准条件的不满足,钢筋锈蚀的时间提前、速度加剧,如本工程使用年限不足5年,钢筋锈蚀已到如此程度,也说明受氯离子侵蚀,钢筋锈蚀的临界值大大减低,因此,影响到混凝土的耐久性能。
  4结语
  混凝土耐久性的质量控制,首先是混凝土耐久性的设计质量,应该达到相关规范的要求:第二是掺外加剂的混凝土,其材料选配,除各种单一材料质量的检测参数应符合相关标准外,工程应用尚应按照混凝土外加剂及应用技术规范[4]复核,即混凝土中氯离子的含量检测应符合要求:第三是混凝土的施工质量控制应达到相关施工规范要求,它是混凝土耐久性设计质量、材料选配质量的实现和保证手段;第四是混凝土结构使用的防护质量,使用环境影响混凝土结构的耐久性,但若防护措施得当,会减弱或消除这种影响,防护措施或是提高混凝土自身的防护能力,或是采用混凝土外涂层、特种钢筋(如环氧涂层钢筋、不锈钢钢筋等)、阴极保护和钢筋阻锈剂等,而掺入阻锈剂被认为是保护钢筋长期不发生腐蚀破坏、可以实现设计寿命的最简单、最经济和效果良好的技术措施。  摘要:分析某工程在竣工后不足5年、恒温环境使用、掺加外加剂的混凝土结构中钢筋锈蚀的原因,探讨混凝土结构的设计据、混凝土组成材料、氯离子含量的限值、混凝土结构的施工质量及使用环境等对钢筋锈蚀产生的影响,强调应实施混凝土的耐久性设计、控制原材料质量、施工质量、混凝土结构的防护质量等全过程质量控制。
  关键词:混凝土;外加剂;钢筋锈蚀;氯离子含量
  1工程概况
  某大型公共建筑,地上4层,地下1层,框架结构,基础为桩基,抗震设防烈度为7度:混凝土构件设计强度等级:-6.5~17m的柱为C40,梁、板为C30。兴建于1995年,竣工于1998年,室内要求恒温21℃。5年后,发现2层部分框架柱外贴石材出现纵向裂缝,敲击有空鼓声,观察发现裂缝有发展趋势。将柱装饰石材和装饰用混凝土层局部剔除后,发现柱混凝土沿钢筋方向开裂,混凝土保护层疏松、酥裂,敲击有空鼓声,局部剥离混凝土保护层,发现柱内一些钢筋锈蚀严重(见图1)。
  在对该建筑2层检测时混凝土构件中,发现柱内钢筋锈蚀程度不同;对2层吊顶内混凝土构件抽查,发现个别梁底由于混凝土保护层厚度较薄,亦出现沿纵筋方向的裂缝,但裂缝很小;混凝土板露筋处,钢筋亦有锈蚀现象。
  2检测结果与分析
  经取样按照现行规范[1]实测混凝土柱中混凝土Cl-含量为0.04%~0.46%,SO42-含量为0.30%~1.00%,柱混凝土实际强度在C25左右;混凝土柱、梁、板保护层大多不符合GB50010—2002规范要求,Cl-含量大部分超过限值。
  Cl-引起混凝土中钢筋锈蚀,需要同时具备3个条件:一是混凝土中钢筋周围的C1-积聚达到一定临界值,即足以引起钢筋表面钝化膜破坏时,钢筋才有可能产生锈蚀;二是渗入氧气;三是要有水分存在。具备这些条件时,C1-导致钢筋锈蚀的电化学过程便可形成。对于2层的混凝土构件,由于处于冬季施工,使用现场搅拌、掺有防冻剂的混凝土料浇筑:柱的混凝土强度等级偏低,密实度较差,混凝土保护层不足,之后,为粘贴装饰石材,在柱四周又浇筑了1层混凝土,现场发现该部分混凝土的质量更差。柱混凝土中防冻剂含有氯盐,存在一定的氧气通路,装饰石材后,在恒温21℃的室内环境,柱混凝土中水分蒸发缓慢,其中钢筋锈蚀、混凝土沿钢筋方向出现裂缝也必然形成。吊顶内的柱端、梁、楼板未加装饰的钢筋锈蚀现象较轻,其原因是相对裹有装饰层的混凝土柱,这些部位的水分蒸发要快得多。
  对于存在的SO42-,它可以和混凝土中的氢氧化钙发生反应,生成石膏,其在混凝土孔隙中结晶并产生体积膨胀,使混凝土破坏:另外,石膏与其牛的水化铝酸钙起作用,生成含有大量结晶水的水化硫铝酸钙(即钙矾石),其体积可增大至原有水化铝酸钙体积的2.5倍左右,这种结晶膨胀具有非常严重的破坏作用。硫酸盐类的侵蚀取决于水中SO42-的浓度,但是也与水中Cl—的含量有关,C1—可以提高水化硫铝酸钙的溶解度,阻止钙矾石晶体的生成与长大,以至减轻结晶膨胀破坏作用。
  上述分析表明,2层柱裂缝主要是由于柱内钢筋锈蚀引起,引起钢筋锈蚀的主要原因是由于2层柱混凝土中C1-含量过高。
  3引起钢筋锈蚀的原因分析
  3.1混凝土结构设计依据的缺失问题
  混凝土强度等级、混凝土保护层厚度等因素,是混凝土耐久性设计的内容:混凝土强度与混凝土的密实性密切相关,决定了混凝土碳化、氯离子侵蚀等劣化混凝土条件的侵入快慢;混凝土保护层的平方正比于氯离子侵蚀的速度。
  该工程设计时的规范无明确的耐久性设计规定,而现行规范[1]则就混凝土结构作出了在不同环境类别情况最大水灰比、最小水泥用量、最低混凝土强度等级、最高氯离子含量、最大碱含量、混凝土保护层厚度等方面的限值规定。由此可见,设计依据的缺失是该工程钢筋锈蚀的原因之一。
  3.2混凝土组成材料的选配问题
  由于存在水泥与外加剂、外加剂之间、掺合料与外加剂或水泥之间等的不相容,新拌混凝土可能出现坍落度损失大、引气量减少、早期硬化异常和影响其它性能,若早期硬化使得混凝土密实困难,混凝土强度的发展会受到限制。因此,外加剂作为混凝土的重要组成部分,在选用时必须进行试验,证明其性能以及与水泥的相容性,并确定适宜的掺量、掺加工艺以及用水量等。
  氯化物可以通过外加剂、集料、胶凝材料和拌和水等不同的组分引入混凝土,恰是混凝土中氯离子来源的复杂性,要对任一组分的氯离子含量提出一个合理的限量比较困难,为混凝土设定一个可以接受的氯化物限量,需要考虑结构的设计类型和使用期间的环境状况[2]。
  关于混凝土:中氯离子的含量限值,规范[1]作出了明确规定。在要求外加剂等单一材料氯离子含量检测指标满足相关规范要求外,更要求混凝土中氯离子的含量满足规范[1,3]要求。
  3.3混凝土结构的施工质量控制问题
  对于掺用外加剂的混凝土,在耐久性设计条件满足的情况下,混凝土施工质量必须得到保证,其内容涉及混凝土配合比、水灰比、混凝土强度、混凝土保护层等,还有混凝土表观的蜂窝、麻面等;若这些内容不能得到质量保证,氯离子含量即使达不到设计限值,但氯离子浓度一旦达到引起钢筋锈蚀的最低点,在钢筋或钢筋不同部位之间会形成原电池,产生锈蚀的电化学反应。钢筋的锈蚀速率取决于混凝土的导电率、水分含量和氧从混凝土内渗透到钢筋的速率,其中,混凝土保护层具有重要的作用,混凝土保护层厚度的平方正比于因氯离子侵蚀而导致钢筋锈蚀的速率。超过钢筋锈蚀临界值的氯离子能够单独透过钢筋的钝化膜,与铁离子结合形成可溶解的氯化物,把铁溶解到混凝土中,最终形成氧化物(铁锈)。生成铁锈的过程是个膨胀的过程,铁锈体积可以达到原始体积的4倍,从而在钢筋和混凝土之间产生内应力,最终导致钢筋保护层剥落。混凝土保护层对钢筋的保护作用,主要取决于混凝土的保护层厚度和密实度,能阻止外界腐蚀介质、氧气及水分等的渗入;钢筋保护层的剥落,使钢筋的锈蚀加剧。
  在混凝土耐久性按要求设计、材料选配适当的情况下,混凝土的施工质量是重要的保证手段。
  3.4使用环境的影响问题
  使用环境对钢筋锈蚀有重要的影响作用,如温度、湿度及干湿交替作用、海水飞溅、海盐渗透等。特别在混凝土的自身保护能力(密实度和保护层厚度)不合要求或保护层有裂缝等缺陷时,会加剧对钢筋锈蚀作用。但本工程的恒温环境,事实上减缓了混凝土耐久性的损失,若非此种环境,钢筋锈蚀的速度会更快,发现的时间会更早,可能会在1年或2年内。
  3.5混凝土中氯离子含量的限值问题
  氯离子的含量限值事实上基于一定的条件,如混凝土水灰比、混凝土强度、混凝土保护层等;对应于混凝土耐久性的保证年限,在基准条件均满足相关规范要求的情况下,该保证年限可达到规范要求的设计使用年限或更长。而一旦有部分条件达不到要求,混凝土耐久性的设计年限会达不到要求,甚至会比较短,出现这种情况,表明氯离子的设计含量限值已在一定程度或完全丧失意义:混凝土浇筑时的氯离子含量虽未超限,但由于基准条件的不满足,钢筋锈蚀的时间提前、速度加剧,如本工程使用年限不足5年,钢筋锈蚀已到如此程度,也说明受氯离子侵蚀,钢筋锈蚀的临界值大大减低,因此,影响到混凝土的耐久性能。
  4结语
  混凝土耐久性的质量控制,首先是混凝土耐久性的设计质量,应该达到相关规范的要求:第二是掺外加剂的混凝土,其材料选配,除各种单一材料质量的检测参数应符合相关标准外,工程应用尚应按照混凝土外加剂及应用技术规范[4]复核,即混凝土中氯离子的含量检测应符合要求:第三是混凝土的施工质量控制应达到相关施工规范要求,它是混凝土耐久性设计质量、材料选配质量的实现和保证手段;第四是混凝土结构使用的防护质量,使用环境影响混凝土结构的耐久性,但若防护措施得当,会减弱或消除这种影响,防护措施或是提高混凝土自身的防护能力,或是采用混凝土外涂层、特种钢筋(如环氧涂层钢筋、不锈钢钢筋等)、阴极保护和钢筋阻锈剂等,而掺入阻锈剂被认为是保护钢筋长期不发生腐蚀破坏、可以实现设计寿命的最简单、最经济和效果良好的技术措施。

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