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钢筋锈蚀的机理是什么?

作者:马清浩来源:水泥混凝土外加剂550问 浏览次数: 日期:2012-11-02

一、锈蚀机理

混凝土是一种强碱性物质,新鲜混凝土的pH值一般在12~13之间,在这种环境下,预埋金属表面被钝化膜所保护,因而不会发生锈蚀。但是,当Cl,CO等腐蚀介质侵入时,混凝土环境的碱性降低或受拉开裂等原因全部或局部地破坏了钢筋表面钝化状态,因而就发生了锈蚀。锈蚀是一个电化学过程,需要有阳极、阴极和电解液的存在才能发生。潮湿的混凝土基质是一种不错的电解液,而预埋钢筋提供了阳极和阴极,在一定的环境条件下(如氧和水的存在),钢筋开始腐蚀,腐蚀的情形一般为斑状腐蚀。

电极反应式:阳极:2Fe-4e→2Fe2+

阴极:O+2HO+4e→4OH

阴极表面二次化学过程:

Fe2++2OH→Fe(OH)

4Fe(OH)+O+2HO→4Fe(OH)

电子在阳极与阴极之间流动,导致铁被氧化成Fe(OH)或Fe(OH),其体积比单质铁大2~7倍。当构件类型及腐蚀环境不同时,会使钢筋去钝方式和电极面积有较大差别,但其腐蚀机理是相同的。

二、影响钢筋锈蚀的主要因素

钢筋锈蚀、裂缝扩展主要受环境条件和钢筋混凝土本身性能的影响。

(1)混凝土中Cl含量的影响。Cl是促使钢筋锈蚀的活化剂,在Cl达到饱和作用以前,Cl含量越高,锈蚀越严重。氯盐对钢筋的腐蚀程度高于硫酸盐对钢筋的腐蚀。

(2)环境条件。在潮湿条件下,室外构件的锈蚀明显大于室内构件。

(3)水泥品种和其他掺合料的影响。用普通硅酸盐水泥配制的构件,其锈蚀开裂比用矿渣水泥配制的试件晚。当构件掺加阻锈剂时,锈蚀程度明显减少。

(4)混凝土强度和保护层厚度的影响。随着混凝土强度和保护层厚度的增加,能够推迟钢筋锈蚀的时间。

三、钢筋锈蚀破坏的特征及检测技术

(一)钢筋锈蚀破坏的特征

(1)裂缝沿主筋方向开展、延伸。混凝土的抗压性能好,但其抗裂性较差,当钢筋表面的混凝土缺乏足够的厚度时,由于钢筋锈蚀产物发生体积膨胀,使得钢筋表面的混凝土发生顺主筋开裂。混凝土一旦发生开裂,腐蚀介质更容易到达钢筋表面,钢筋锈蚀的速度将会大大加快。

(2)钢筋与混凝土的握裹力下降与丧失。当混凝土发生开裂时,随着裂缝不断加宽,混凝土与钢筋之间的粘结力(握裹力) 也随之下降,滑移增大,构件变形。当握裹力丧失到一定程度时,其局部或整体失效便会发生。

(3)钢筋应力腐蚀断裂。处在应力状态下的钢筋(包括预应力),在遭受腐蚀时有可能发生突然断裂,断裂时钢筋属于脆断,这是腐蚀与应力相互作用的结果。应力腐蚀断裂与环境介质有关。

(4)钢筋断面损失。由于钢筋锈蚀造成断面损失,随着损失率的增大,屈服强度和抗拉强度显著降低。按实际面积计算的屈服强度和抗拉强度与钢筋损失率的统计关系见表1。

(二)检测钢筋锈蚀量的方法

钢筋锈蚀造成的构件破坏给世界各国的经济带来了巨大损失。目前,许多国家在探索检测钢筋锈蚀量的方法,除了传统的破损检测技术之外,无损检测钢筋锈蚀量是许多国家正在采用的新技术。混凝土中钢筋锈蚀量的非破损检测方法有分析法、物理法和电化学法三大类。分析法是根据现场实测的钢筋直径、保护层厚度、混凝土强度、有害离子的侵入深度及其含量、纵向裂缝宽度等数据,综合考虑构件所处的环境情况,推断钢筋的锈蚀程度;物理方法主要是通过测定钢筋锈蚀引起的电阻、电磁、热传导、声波传播等物理特性的变化来反映钢筋的锈蚀情况;电化学方法是通过测定钢筋混凝土腐蚀体系的电化学特征,来确定混凝土中钢筋锈蚀程度或速度。

四、防止钢筋锈蚀的保护措施

钢筋锈蚀使得大量的混凝土结构出现劣化。防止钢筋锈蚀的措施有很多,一类是提高混凝土自身的防护能力,如采用高性能混凝土;另一类是附加措施,主要包括:采用环氧涂层钢筋、阴极保护及钢筋阻锈剂。

(一)采用高性能混凝土

高性能混凝土在配比上的特点是低水灰比,选用优质原材料,除水泥、水和集料外,必须掺加足够数量的矿物集料和高效减水剂,减少水泥用量,减少混凝土内部孔隙率,减少体积收缩,提高强度和耐久性,从而增强抵御环境侵蚀破坏的能力。

(二)采用钢筋阻锈剂

钢筋阻锈剂即混凝土的缓蚀剂,分为阳极型、阴极型、综合型等,由无机物或有机物组成。这些物质对钢筋(铁)有特殊的亲和力,能阻止或减缓钢筋锈蚀的电化学过程,从而起到阻锈的作用。即使是大量的腐蚀介质(如Cl)进入的情况下,也能使钢筋不发生锈蚀。在混凝土中掺入阻锈剂,可以提高其耐久性,使得结构达到设计年限的要求。

由于钢筋阻锈剂使用便捷、成本低,对混凝土强度无影响,在北美已成功使用了20年,主要用于海洋结构、桥、桩、停车场等。我国于1987年建成的山东三山岛金矿工程系国家重点工程,是国内首次大量使用RI系列钢筋阻锈剂,同时也是国内首次大量使用海砂和含盐超标施工用水的大型工程。该工程建筑物接触海水和盐,十余年来未出现钢筋锈蚀问题,是使用钢筋阻锈剂的范例之一。

(三)采用环氧涂层钢筋

环氧涂层钢筋的研究起源于美国,1973年首次试用于桥面板。到1987年,美国环氧涂层钢筋的年产量已达20万t,其他国家也在发展和应用此项技术。近年来,我国建设部也制定了环氧涂层钢筋的产品标准,并开始有一些工程应用的实例。但环氧涂层钢筋除了其质量须得到保证之外,更重要的是运输、装卸、存储过程要有专门的措施,对施工质量、人员素质和管理水平要求严格,这一点对我国来讲具有很现实的意义。

(四)钢筋混凝土的阴极保护

阴极保护技术包括在相反方向外加电流和牺牲阳极来抑制电池电流。应用外加电流的方法是将直流电的负极连接在混凝土中的钢筋上,以迫使钢筋处于阴极状态[图1(a)];而牺牲阳极法[图1(b)]是将比铁更活泼的金属例如镁直接与钢筋相连,镁可向铁(钢筋)提供电子,镁作为阳极被腐蚀而保护了铁(钢筋),从而达到阴极保护的目的。

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