钢筋表面处理后抗锈蚀性能的研究

2016-08-03李延

滁州职业技术学院学报 2016年2期

关键词：保护层涂抹电化学

李延

钢筋表面处理后抗锈蚀性能的研究

李延

（滁州职业技术学院，安徽滁州 475004）

通过对钢筋的表面进行处理改善其抗锈蚀能力；通过试验对处理后钢筋的抗锈蚀能力进行验证。分析表明这种处理方法能够有效提高钢筋的抗锈蚀能力，改善钢筋抵抗恶劣环境的能力。在一些环境中具有较高的应用价值。

钢筋；表面处理；抗锈蚀

引言：

耐久性是混凝土结构的重要性能之一，直接影响工程结构寿命，造成混凝土质量下降的因素有施工质量、材料的选择、外部荷载作用、氯离子的侵入、微生物的腐蚀等作用。在诸多因素中钢筋混凝土结构中的钢筋在工作过程中由于受到温度、湿度、二氧化碳、冻融循环等因素的影响而发生的锈蚀破坏是最重要的因素之一。这种情况在潮湿环境中工作的混凝土和混凝土中的氯盐含量较多的结构中较为常见。

在我国的码头工程、桥梁工程中有很多结构体由于钢筋锈蚀而需要对其进行加固处理。

针对以上问题对钢筋锈蚀发生的原因、危害和阻止钢筋锈蚀的方法进行研究就成为非常必要的工作。作者提出了钢-连续纤维混杂筋的解决方案，并对试验结果进行了分析，对钢-连续纤维混杂筋在腐蚀环境中工作的性能进行了分析。

一、钢筋锈蚀的原因

（一）混凝土碳化

混凝土中水泥的水化产物是Ca（OH）2，Ca（OH）2是一种强碱性物质，PH>12.5，在这种环境下钢筋的表面会形成一层薄薄的钝化膜，这层钝化膜可以阻止钢筋锈蚀起到保护作用。但是由于混凝土本身存在一些微小的裂缝和空隙，在长期的工作中由于受到各种荷载的作用，又对裂缝产生放大的效果，CO2气体和水会通过这些裂缝进入混凝土内部与Ca （OH）2发生中和反应，反应方程式如下：

Ca（OH）2+CO2+H2O→CaCO3+2H2O

当反应进行到一定程度，PH<9时钢筋的钝化膜会遭到破坏发生锈蚀危害。

（二）电化学腐蚀

在混凝土结构中钢筋腐蚀的主要原因是电化学腐蚀，在钢筋表面由于存在着不规则的微小凸凹变形的现象使得临近的局部存在着电位差，因而存在着很多微电池。在在这种情况下钢筋在阳极区被氧化为Fe+进入水膜，在阴极被还原为OH-，两者结合而成为不溶于水的Fe（OH）2造成钢筋的锈蚀破坏。电化学腐蚀在近海近岸工程的高氯环境中较为普遍。反应示意图见图1：

图1　电化学腐蚀示意图

（三）化学腐蚀

这种腐蚀是指钢筋表面与腐蚀性介质发生化学反应而破坏，钢筋在高温环境下形成的氧化物是Fe3O4，在常温下氧化的产物是FeO。

通过上述内容我们可以看到不论是电化学腐蚀还是化学腐蚀都是由于混凝土不够密实造成腐蚀性介质通过混凝土的裂缝进入到钢筋的表面附近与钢筋发生反应而造成的。解决该问题有两个途径，一是提高混凝土的密实度阻挡腐蚀性介质的进入；二是提高钢筋的抗腐蚀性能。

二、钢—纤维混杂筋FRS（Fiber Reinforced Steel）的提出和抗锈蚀性能的测定

在材料科学研究中使用复合材料是改善材料性能，缩短研究时间的一种有效方法。针对钢材抗腐蚀能力差的缺点，设想在钢筋表面使用树脂胶粘贴一层碳纤维材料，制作钢-纤维混杂筋FRS （Fiber Reinforced Steel）可以有效提高钢材的抗腐蚀性能。

碳纤维是一种新型材料，具有比强度、比模量高的特点。使用树脂胶将碳纤维束粘贴在钢筋的表面可以形成一层保护层有效的提高钢筋的抗锈蚀性能。

钢—纤维混杂筋 FRS（Fiber Reinforced Steel）的试件模型如下：

在钢材的腐蚀原因中电化学腐蚀造成的损失占到总腐蚀量的70%以上，根据这种情况设计如下试验装置：

（一）试验材料

试验材料选用的是HRB335钢筋，对比试验是在其中一根钢筋表面涂抹环氧树脂，另一根不作处理采用裸筋的形式。

（二）试验方法

试验的各项参数为：使用浓度为3%的NaCl溶液作为电解液，在试验中分别将电源连接钢筋的两端作为正级和负极，在试验中保持通过未经处理的HRB335钢筋的电流强度为0.12A，通过经过处理的HRB335钢筋的电流强度为0.04A（本来电流强度应该为零，但是由于钢筋表面的环氧树脂涂抹不均匀，导致钢筋内部有微弱电流）。每次称取试件质量的时间间隔为72h，称取质量使用的工具是电子秤，型号为“JA51001”，称重的精度为“0.1g”。提供直流电源的装置是石家庄无线电四厂生产的直流电源，型号为“SS1792C”，能够提供精度为“0.01A”的电流，试验装置见图2。

图2　直流稳定电源

（三）试验结果分析

1、试验结果的对比和分析

试验的总周期是18天，共称取了7次质量，试验结果见表1：

表1　锈蚀试件的质量

两种钢筋的质量损失示意图见图3。

图3　两种钢筋电化学腐蚀质量损失示意图

由表4和图3可见，在同样的电化学腐蚀时间内，未经处理钢筋的质量损失要大于经过处理钢筋的质量损失，经过18d的腐蚀，经处理钢筋的质量损失是34.3g，经过处理钢筋的质量损失是21.9g。但是其锈蚀速率的发展却有不同的特点，未经处理钢筋锈蚀的速率较为均匀，在锈蚀的开始阶段质量损失的速率比较大，在后期有减缓的趋势，这是因为经过腐蚀后钢筋表面的铁锈阻止了铁离子从其表面逸出造成锈蚀速率减小，其发展趋势总体比较平缓，未经处理钢筋的锈蚀情况见图4。

图4　未经处理钢筋的锈蚀

图5　经处理钢筋的锈蚀

经过处理钢筋锈蚀的发展带有明显的离散性，在锈蚀的开始阶段，由于钢筋外部涂抹的保护层的保护钢筋锈蚀的速率非常缓慢，在试验的开始3d中经处理钢筋的质量损失是0.7g，在随后的试验中其锈蚀速率不断加快在第9d至12d的试验中质量损失最多达到9.9g，原因是在为钢筋涂抹保护层时会存在一定的初始缺陷，经过一定时间的锈蚀，锈蚀后体积膨胀的铁锈将保护层上的初始缺陷胀裂，而加速了钢筋的锈蚀。其质量损失的速率有加快的趋势。经处理钢筋的锈蚀情况见图5。