浅析钢筋砼结构中钢筋的腐蚀原因及防护措施

2013-04-11陈文建季秋媛李薇

四川职业技术学院学报 2013年5期

关键词：碳化氯离子氧气

陈文建,季秋媛,李薇

（四川职业技术学院建筑与环境工程系，四川遂宁 629000）

浅析钢筋砼结构中钢筋的腐蚀原因及防护措施

陈文建,季秋媛,李薇

（四川职业技术学院建筑与环境工程系，四川遂宁 629000）

本文通过对钢筋混凝土中钢筋腐蚀的原因进行分析，提出了相应的防护措施，能有效地提高钢筋混凝土结构的耐久性，延长使用寿命.

混凝土；钢筋；腐蚀；防护

1 混凝土中钢筋腐蚀的原因

1.1 混凝土碳化

一般情况下，混凝土中孔溶液的高碱性（PH值大于12.5）在钢筋表面形成钝化层，使得腐蚀侵蚀降低到可以忽略的程度.然而混凝土的碳化，导致混凝土早期开裂与剥落，常常伴随着钢筋锈蚀，使截面积相对减小，影响钢筋混凝土结构的耐久性.

1.1.1 腐蚀条件

腐蚀的发生与持续必须满足四个条件：①阳极反应时，需实现的条件是：钢筋保护层的破坏，钢筋去钝化发生，这是混凝土碳化与氯离子扩散混凝土达到一定临界值时造成.②阴极反应时，需实现的条件是：作为腐蚀过程的驱动力的氧气在钢筋界面处达到适当的量.③阳极反应部位与阴极反应部位之间形成离子流时，需实现的条件是：阳极反应与阴极反应部位之间的环境或电解质传导良好.④形成电子流时，需实现的条件是：阳极反应与阴极反应部位之间有金属连接.对于整个钢筋混凝土结构，这个条件通常很容易实现.

1.1.2 腐蚀的引发和发展

早期混凝土结构中的钢筋是完全受到保护的：孔溶液的pH值比较高，且如果在混凝土生产过程中没有受使用氯离子污染组分（如含氯离子的水、集料或外加剂）的影响，混凝土中仅含少量的氯离子.

对给定的混凝土品种，腐蚀发生后的腐蚀速率主要取决于下列因素：①水分含量与混凝土的电阻；②温度；③氧气可获性；④孔溶液的pH值；⑤氯离子的含量.

1.2 混凝土中水分含量的影响

空气中的氧气含量或多或少是恒定的，但氧气在混凝土中局部随时间会有几个数量变化.混凝土中的氧气含量与扩散系数主要取决于混凝土的品质、渗透性与混凝土的水分含量.除了这些，混凝土表面与空气的通路、盐含量与温度也有一些影响.对高水分含量的混凝土，氧气的扩散系数非常小，这主要因为氧气只能通过孔中水扩散，而这个过程比在空的、充气的空隙中要慢得多.

水中的扩散系数相对于空气中的要小得多.由于缺乏水分含量对扩散系数的系统研究，人们进行了混凝土中氧气扩散系数作为水分含量的函数的计算尝试.

1.2.1 氧气衰减

当混凝土完全水饱和时（例如长期与液态水接触的混凝土，除了大的气孔与封闭孔隙，所有孔隙中都充满水），这使氧气与钢筋表面的通道下降到非常低的值.随着氧气的衰减，混凝土中钢筋腐蚀电位也从高降到很小的负值.

1.2.2 混凝土作为电解质

多孔材料，如混凝土，会从空气中吸附水或水又脱附到空气中.混凝土会在雨天吸收水分，当温度干燥时，混凝土随后又失去水分.对吸附与脱附过程，其决定性的因素是孔结构、孔溶液组成与空气相对温度.

混凝土中孔结构与孔溶液组分受许多参数影响.其中最主要四个因素是：①水泥类型与用量，化学外加剂与矿物掺合料；②水灰比；③养护条件；④龄期.

1.2.3 相对湿度的影响

毛细管吸力与扩散过程中对氯离子的吸收量与碳化反应非常重要，对腐蚀过程也是如此.毛细管吸力对于干燥混凝土比对湿或潮湿混凝土更有效.离子扩散系数随着混凝土水分含量的增长而增长，而对于气体来说，则下降.

1.3 氯离子诱导腐蚀

氯离子对钢筋混凝土有四种负面作用：①破坏钢筋钝化膜，引起钢筋腐蚀侵蚀的可能；②因降低了Ca（OH）2的溶解度，从而降低了孔溶液的PH值；③因混凝土中盐的吸湿性能而引起水分含量的增大；④增大了混凝土电导率.

氯离子在混凝土中扩散的最快方式是通过含氯离子的水的毛细血管吸收作用（如海水、含溶解的去洗盐的水、含氯离子的地板如镁地板），其或多或少会造成更深的氯离子分布.混凝土的干湿循环也会加速氯离子的侵入.

2 钢筋混凝土结构的腐蚀监测

2.1 监测目的

对钢筋混凝土结构的腐蚀进行监测有各种不同的目的，它取决于结构的状况和为保护结构所要采取的具体措施：

①新建结构：钢筋开始腐蚀的时间和引起腐蚀的原因（氯离子浓度，pH值，混凝土的湿度）.

②已修复过的结构：修复工作的有效性和持久性；特殊的修复方法或使用产品的经验；产生腐蚀的原因（氯离子浓度，pH值，混凝土的湿度）.

③即有结构：腐蚀速率；产生腐蚀的原因（氯离子浓度，pH值，混凝土的湿度）.

另外，通过监测可以获得用于评估腐蚀风险的间接信息.如抑制剂或阻诱剂等腐蚀保护措施是否有效，可以效率和耐久性作为评判标准，其可用于研究表面保护的有效性.适当进行憎水处理减少混凝土对水的吸附，从而降低混凝土的湿度，但如果没有监测信息，也不能确定这种浸渍处理能否充分降低腐蚀速率.

对于混凝土来说，要得到量化的结果是不容易的.然而，在很多情况下，掌握一些重要参数相对变化的信息就足以帮助人们对腐蚀发展趋势作出合理的评价.

确定监测系统的类型和所要研究的参数，应考虑以下因素：①结构的重要性（静力学，美学，使用性能等）；②产生腐蚀的原因（氯离子，碳化等）；③结构所有者是否愿意安装监测系统，以及所需成本.需要说明的是，钢筋混凝土结构腐蚀监测的有效信息十分有限，尤其是考查修补办法的耐久性时，情况更是如此.

2.2 监测技术的类型

在线监测就是把传感器装置植入混凝土结构中，对需要的参数进行连续监测.在较短的时间间隔（几分钟内），且有规律的重复的情况下，可将短期内和长期内各参数的变化全部监测到.

2.3 未来的信息资源和建议

腐蚀监测是钢筋混凝土结构耐久性方面研究的重要课题之一，所以关于腐蚀监测的文献数量很多.在腐蚀检测中，要做到认真、仔细检查.做好准备工作，在任何一项工作中，都不得马虎，要认真对待.腐蚀监测是一项复杂的工作，未来的发展不可预测，要做好也是要一定的技术含量.

3 混凝土组成对钢筋腐蚀的影响

3.1 抗碳化性能

混凝土的孔结构依赖于混凝土的组成和养护条件.混凝土与环境条件（主要是周围湿度和温度）相互作用时，孔结构决定了去钝化介质（氯离子与二氧化碳）在混凝土中的性能.抵抗介质侵入的能力取决于混凝土的渗透性及其侵入孔隙内介质的结合能力.在许多实际情况下，后续的腐蚀过程则由混凝土电解质电阻率控制，在进行结构损伤劣化预测时，这些性质一般整合成可测的输入参数.

对于碳化过程，使用粉煤灰和中等掺量的硅灰能提高混凝土的抗碳化性能，而掺用大掺量高炉矿渣的混凝土的抗碳化性能明显减小.对于抗氯离子渗透性能，使用粉煤灰、硅灰和高炉矿渣能改善混凝土的抗氯离子渗透性能，主要是由于细化了孔隙结构.但是使用掺石灰石的水泥会减小其抗碳化性能和抗氯离子渗透性能.回顾钢筋抗腐蚀的全过程，使用复合水泥总体来说可改善混凝土内的钢筋抗腐蚀性能.然而，必须注意，掺粉煤灰和高炉矿渣的水泥需要足够的养护.此外，也必须考虑其他的破坏机理如冻融或除冰盐的侵蚀作用，因此此时这些水泥的抗侵蚀能力一般都比较低.

3.2 水胶比的影响

一般而言，水胶比（w/b）增大会引起混凝土孔隙率增大和孔结构粗化.混凝土的碳化阻抗随着w/b值的增大呈指数关系减小，这种影响对由胶凝材料种类造成碳化性能差的混凝土更为显著.