混凝土中鋼筋銹蝕與結(jié)構(gòu)耐久性相關(guān)情況研究

(重慶交通大學(xué) 重慶 400074)

一、引言

鋼筋混凝土工程作為世界上應(yīng)用最為普遍、范圍最廣的結(jié)構(gòu)形式,其混凝土中鋼筋銹蝕導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物破壞或失穩(wěn)的問題，已成為當(dāng)今世界土木工程界普遍關(guān)注的重大課題。

二、混凝土中鋼筋銹蝕對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性的影響

近年來，建筑行業(yè)飛速發(fā)展，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)被大量使用，所以結(jié)構(gòu)的耐久性越來越被關(guān)注，其中鋼筋銹蝕更是首要關(guān)注的問題。鋼筋銹蝕對(duì)結(jié)構(gòu)損壞大致的分為三個(gè)階段，第一階段是銹斑、銹片偶現(xiàn)在鋼筋表面的局部地方；第二階段是整體鋼筋外部都銹蝕了，并且發(fā)生膨脹形式，與保護(hù)層逐漸脫離開，產(chǎn)生層裂現(xiàn)象；第三階段表現(xiàn)為鋼筋銹蝕并且進(jìn)一步膨脹，混凝土構(gòu)件本身發(fā)生破壞，出現(xiàn)順著鋼筋方向脹裂現(xiàn)象，混凝土逐漸與鋼筋脫離，最后鋼筋還在不斷銹蝕，其有效面積逐漸減少，結(jié)構(gòu)構(gòu)件自身的承載力不斷減少，直到鋼筋混凝土構(gòu)件喪了失承載的能力。據(jù)資料表明，在我國(guó)內(nèi)，由于鋼筋銹蝕致使結(jié)構(gòu)耐久性減少而倒塌的民用建筑中不在少數(shù)。

大致來說，鋼筋的銹蝕對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)方面的影響主要體現(xiàn)在三方面[1～3]：(1)對(duì)于鋼筋，鋼筋銹蝕減小了鋼筋的有效截面，改變了鋼筋力學(xué)性能，降低了鋼筋的剛度，增大了變形，從而改變了破壞模式。(2)對(duì)于混凝土，鋼筋銹蝕形成了銹脹應(yīng)力，體積增至原來的2-4倍，銹脹開裂，最終導(dǎo)致保護(hù)層混凝土剝落，受拉區(qū)混凝土面積的減少,使參與受拉的混凝土減小和縱向受拉鋼筋中的應(yīng)力變得均勻，受壓區(qū)混凝土的減少,使受壓區(qū)有效受壓高度減少，導(dǎo)致混凝土有效面積減小，降低了結(jié)構(gòu)的承載力。(3)對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步的腐蝕導(dǎo)致鋼筋尺寸的顯著減小，這反過來加寬了混凝土覆蓋層中的裂紋，并因此降低了混凝土結(jié)構(gòu)件的粘結(jié)應(yīng)力，即粘結(jié)的殘余強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度，最終導(dǎo)致延性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)椴幻黠@的脆性破壞[4]。這三方面影響嚴(yán)重危害到結(jié)構(gòu)的耐久性，降低建筑物的使用壽命。因此了解鋼筋銹蝕的機(jī)理和采取必要的防治措施是很重要的。

三、混凝土中的鋼筋銹蝕機(jī)理

鋼筋表面發(fā)生的銹蝕分為化學(xué)銹蝕和電化學(xué)銹蝕，化學(xué)銹蝕是銹蝕沒有電子的流動(dòng)，鋼筋表面與氣體或介質(zhì)溶液接觸發(fā)生的銹蝕，這只是銹蝕現(xiàn)象的一小部分。而化學(xué)銹蝕是鋼筋表面與銹蝕介質(zhì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而引起的銹蝕，并且絕大部分銹蝕都屬于電化學(xué)銹蝕。研究表明[5～6]，該鈍化膜中含有大量Si-O，可以有效阻隔鋼筋和外界物質(zhì)接觸，這正是混凝土中的鋼筋在正常情況下不受腐蝕的主要原因。但是這種鈍化膜只能高堿環(huán)境下產(chǎn)生，如果PH值降到11.5左右，鈍化膜就會(huì)位于活性狀態(tài)，性狀不再穩(wěn)定；當(dāng)PH值降低到9-10，鈍化膜被完全破壞，不起作用，鋼筋沒有介質(zhì)與阻隔，銹蝕就有條件發(fā)生[7]。

所以分析混凝土堿性降低就成為了關(guān)鍵的步驟，查閱大量相關(guān)資料，了解到混凝土堿性降低的情況主要是由兩種原因引起的(1)混凝土發(fā)生碳化(2)氯離子侵蝕。就是當(dāng)混凝土碳化程度達(dá)到一定量值時(shí)，就使得鋼筋鈍化膜周圍的混凝土堿性降低，鈍化膜就會(huì)遭到破壞，如果此時(shí)鋼筋表面存在水分和氧氣，則鋼筋表面將發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。導(dǎo)致鐵銹體積膨脹,對(duì)周圍混凝土產(chǎn)生壓力,將使混凝土沿鋼筋方向開裂,使保護(hù)層逐漸脫落,而裂縫及保護(hù)層的脫落又進(jìn)一步導(dǎo)致更劇烈的銹蝕。

四、鋼筋銹蝕影響因素和防治措施

根據(jù)鄭州大學(xué)的尚琛煦等人的研究[5～6]，表明鋼筋銹蝕影響因素有：鋼筋材質(zhì)，鋼筋應(yīng)力狀態(tài)，水泥品種，混凝土密實(shí)度，裂縫對(duì)鋼筋腐蝕的影響，混凝土中性化(碳化)，氯離子含量，保護(hù)層厚度，濕度等?；驹砣缦拢?/p>

鋼筋的材質(zhì)對(duì)銹蝕產(chǎn)生的影響是由于鋼筋的不均勻性會(huì)導(dǎo)致電位差和形成腐蝕電池，從而也是銹蝕產(chǎn)生的一個(gè)有利條件[8]。

水泥品種就是水泥的組成成分的不同對(duì)銹蝕也有一定的影響，同一環(huán)境中，混凝土強(qiáng)度等級(jí)越低，鋼筋銹蝕越嚴(yán)重。

混凝土的碳化是指大氣中的CO2不斷的向混凝土內(nèi)部擴(kuò)展，與混凝土中的碳水化合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的過程，破壞了鋼筋的鈍化保護(hù)膜。

環(huán)境溫度、濕度因素。當(dāng)溫度小于10℃時(shí)，銹蝕的反掌速度緩慢。研究表明，濕度越大，鋼筋銹蝕越快。

混凝土的組成成分在一定的情況下也是影響鋼筋銹蝕的因素?；炷恋拿軐?shí)度越高，鋼筋的銹蝕就會(huì)相對(duì)慢一些。

鋼筋混凝土中的外部添加劑也是影響鋼筋銹蝕的一個(gè)關(guān)鍵。摻入外加劑，可以有效的提高極化電阻，降低銹蝕電流和銹蝕速率。

保護(hù)層厚度越厚越可以阻止外界腐蝕介質(zhì)的滲入，氧氣和水的滲透路徑越長(zhǎng)，開始銹蝕的時(shí)間越晚，銹蝕速度越慢[9]。

因?yàn)殇摻钿P蝕是多因素綜合作用的結(jié)果，所以防止鋼筋銹蝕也須從多方面考慮。鋼筋銹蝕的預(yù)防措施主要有常規(guī)措施和特殊措施兩類。

設(shè)計(jì)時(shí)采取的措施：首先應(yīng)充分考慮護(hù)筋措施,盡可能增加保護(hù)層厚度。在結(jié)構(gòu)選型和細(xì)部設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)盡量在混凝土面上的接縫和密封處做好排水措施、減少其受潮和潮濕的表面積。

施工時(shí)采取的措施：做好鋼筋的存放處理，注意防水防潮，當(dāng)出現(xiàn)銹蝕時(shí)，應(yīng)進(jìn)行防銹處理，若銹蝕嚴(yán)重則報(bào)廢處理。

特殊措施是當(dāng)設(shè)計(jì)有誤，或環(huán)境原因，即常規(guī)措施不能起到保護(hù)作用時(shí)所采用的，包括以下等措施：(1)采用耐銹蝕鋼筋。(2)采用靜電噴涂粉末環(huán)氧樹脂鋼筋。(3)在混凝土拌合物中摻阻銹劑。(4)采用陰極保護(hù)措施。(5)在構(gòu)件表面涂覆蓋層。

五、結(jié)論與展望

綜上所述，可知鋼筋銹蝕會(huì)降低混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，給混凝土建筑物帶來嚴(yán)重的危害，但在實(shí)際的建筑施工中，根據(jù)鋼筋銹蝕的機(jī)理和影響鋼筋銹蝕的多種因素，采取科學(xué)的防銹措施是能夠防止和推遲混凝土中的鋼筋銹蝕，從而提高混凝土的使用性和耐久性。因此，在未來我們可以多關(guān)注于防銹新材料的研究，和施工控制管理的增強(qiáng)，盡量減少銹蝕的發(fā)生，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的安全性，避免人員傷亡和經(jīng)濟(jì)的損失。