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混凝土中钢筋的锈蚀问题分析探讨

更新时间 2011-4-13 14:12:51 点击数:

                                         刘志杰
                              (内蒙古电力勘测设计院,内蒙古呼和浩特010020)
     〔摘要〕文章针对混凝土中钢筋锈蚀的原因和机理等问题进行分析,探讨了混凝土中钢筋锈蚀的研究趋势。
     〔关键词〕混凝土;钢筋;锈蚀
    钢筋锈蚀后导致混凝土结构性能的劣化和破坏,主要表现在三方面:①钢筋锈蚀导致钢筋截面积减少,使得钢筋的力学性能下降;②钢筋锈蚀导致钢筋和混凝土之间的粘结力减小,使得钢筋与混凝土不能很好的协同工作,造成钢筋混凝土构件承载能力下降;③由于铁锈蚀产物体积是原铁体积的2~4倍,锈蚀产物在混凝土和钢筋之间堆积,最终会导致混凝土保护层破坏使得钢筋与混凝土粘结力迅速下降甚至完全丧失。
    1钢筋锈蚀机理
    混凝土中的钢筋表面有一层致密的钝化膜,在正常情况下钢筋不会发生锈蚀,但是,钝化膜破坏以后,在有足够的水和氧化剂的条件下钢筋就会发生电化学锈蚀。这一锈蚀过程包括4个基本过程。
    (1)阳极反应过程:钢筋表面处于活化状态,阳极区铁原子进行释放电子的氧化反应。
    Fe→Fe
    2++2e-(2)电子输送过程:阳极区释放的电子通过钢筋向阴极区传送。
    (3)阴极反应过程:钢筋表面附近的电解质溶液中有足够数量的氧化剂(通常为氧气),氧气与阳极区传来的电子发生还原反应:O2+2H2 O+4e-→4OH-(4)锈蚀产物生成过程:阴极区生成的OH-通过混凝土孔隙和钢筋与混凝土界面的空隙中的电解质扩散到阳极区,与阳极附近的Fe2+反应生成Fe(OH)2,Fe(OH)2被进一步氧化成Fe(OH)3,Fe(OH)3脱水后变成疏松、多孔的红锈Fe2O3;在氧气较少的条件下由于Fe(OH)2氧化不完全,Fe(OH)2部分就形成黑锈Fe3O4,这就是为什么我们看到的铁锈有红色也有黑色。
    Fe
    2++2OH-→Fe(OH)2);
    4Fe(OH)
    2+O2+2H2 O→4Fe(OH)32Fe(OH)3→Fe2O3+3H2O;
    6Fe(OH)
    2+O2→2Fe3 O4+6H2 O2钢筋锈蚀因素影响钢筋锈蚀的因素一直是研究的热点,pH值、氯离子浓度、温度、杂散电流、孔隙水饱和度和混凝土碳化等因素都会对钢筋锈蚀的速度产生影响。
    (1)PH值。对于在混凝土中的钢筋,pH值大于11.5时钢筋处于完全钝化状态,锈蚀不会发生;pH值小于9~10时钢筋完全脱钝,锈蚀速度不再受pH值影响;当pH值由11.5逐渐降至9时,钢筋钝化膜逐渐被破坏,锈蚀速度逐渐增大。
    (2)氯离子浓度。当钢筋周围混凝土中氯离子浓度达到临界浓度值时,氯离子吸附在局部钝化膜处,使得该处的pH值降低,从而使钢筋脱钝。目前,关于氯离子使钢筋脱钝的理论认识还不完全一致,但,多数人认为对于Cl-引起的钢筋锈蚀,开始锈蚀的时间主要是由混凝土中的氯离子的“临界浓度”决定氯离子在钢筋锈蚀过程中主要有三方面作用:①破坏钝化膜②氯离子的阳极去极化作用;③氯离子导电作用。在海洋环境下混凝土中的钢筋主要就是受到氯离子的侵蚀。
    (3)温度。在40℃以下时,随着温度的增加钢筋的锈蚀率增加,但在40℃以上时,反而会延缓钢筋的锈蚀。
    (4)其他因素。环境的湿度、CO
    2浓度、水灰比、水泥品种和用量、掺合料种类和掺量、养护龄期等混凝土的碳化因素对在钢筋混凝土中钢筋锈蚀影响非常大。
    3钢筋锈蚀研究现状
    现有的钢筋锈蚀模型可分为理论模型和经验模型两类。
    Bazant根据钢筋锈蚀过程中物质质量守恒、Fick第一扩散定律、Maxell静电方程及化学反应速率方程建立了钢筋锈蚀理论模型,该模型考虑因素较全面,但,其中扩散系数的参数难以确定,方程组求解有一定难度,模型将最后的锈蚀产物定为F(OH)3,结果较保守。肖从真以混凝土中氧气扩散,法拉第定律为基础建立了钢筋锈蚀理论模型,并通过试验修正,但是,该模型中氧气在混凝土中的扩散系数计算过程复杂,且需要现场实测数据,实际应用较复杂。牛荻涛以法拉第定律为基础建立了胀裂前钢筋锈蚀量的预测模型,假设胀裂后氧气沿钢筋周边扩散建立了胀裂后钢筋锈蚀量的预测模型。该模型对式中的多数参数都提供了具体计算方法,但建立模型时的假设条件还有待验证,部分影响钢筋锈蚀因素没有考虑,在实际应用中还需修正。
    惠云玲通过试验考虑不同胀裂宽度下保护层厚度、混凝土强度、钢筋直径、钢筋位置、钢筋种类及箍筋等参数的影响,考虑的因素较全面,但个别参数不易确定,模型只适应于锈胀裂缝出现后的锈蚀量预测。邸小云通过试验和调查建立了钢筋截面损失率与保护层厚度、混凝土强度、钢筋直径等参数之间的模型,并对养护条件、水泥品种、环境条件等修正,但该模型中修正系数由于混凝土锈蚀的复杂性不能给出精确值,另外,经验模式存在其本身的局限性:缺乏足够的理论依据,模型的准确性取决于样本空间的大小。
    综上所述,由于混凝土是一个非常复杂的体系,影响因素很多,因此,对钢筋锈蚀的研究现在还没有一个比较符合实际、方便计算、大家公认的公式得出,还有待进一步研究。
    参考文献
[1]张誉,蒋利学,张伟平等.混凝土结构耐久性概论[M].上海:上海科学技术出版社,2003
[2]中国工程院土木水利与建筑学部工程结构安全性与耐久性研究咨询项目组.混凝土结构耐久性设计与施工指南[M].北京:中国建筑工业出版社,2004
[3]洪乃丰.混凝土中的钢筋腐蚀与防护技术-氯盐与钢筋锈蚀破坏[J].工业建筑,1999.29(10):60-63.
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