混凝土中钢筋锈蚀的原因及危害和预防措施

刘荣生

1 概述

在建筑工程中,钢筋混凝土因具有坚固耐用和材料来源广泛等优点而被土木工程各个领域普遍采用。随着钢筋混凝土的广泛应用,它的众多优点得到了进一步的体现。但在使用过程中钢筋锈蚀是一个比较普遍,并且严重威胁结构安全耐久性的问题,它在影响结构耐久性因素中占据主导地位。正如Mchta教授在2001年以《21世纪建筑结构的耐久性》为题,发表的如下主要观点:“钢筋腐蚀是钢筋混凝土结构破坏的主要机理。”钢筋锈蚀已成为导致钢筋混凝土建筑物耐久性不足,过早破坏的主要原因,是世界普遍关注的一大灾害。因此对混凝土中钢筋的锈蚀问题必须引起重视,并采取相应措施防止或减轻钢筋锈蚀的发生。钢筋锈蚀对结构的破坏分为三个时期:前期是钢筋表面局部锈蚀出现锈斑、锈片等;中期是钢筋整个表面锈蚀,并产生膨胀,与保护层脱离,发生层裂;后期表现为钢筋铁锈进一步膨胀,混凝土本身发生破坏,出现顺筋胀裂,混凝土脱离,直至钢筋不断锈蚀。本文对此进行论述,以期对混凝土中钢筋锈蚀的预防有所帮助。

2 影响钢筋锈蚀的因素

影响钢筋锈蚀的因素很多,包括钢筋位置、钢筋直径、水泥品种、混凝土的密实度、保护层厚度及完好性、外部环境等。1)钢筋锈蚀速度与混凝土液相pH值有密切关系。硬化的混凝土由于水泥水化,生成氢氧化钙,故显碱性,混凝土液相pH值大于10,此时钢筋表面生成一层稳定、致密、钝化的保护膜,钢筋锈蚀速度很小。当混凝土的pH值小于4时,钢筋锈蚀速度急剧增加。2)混凝土中Cl-的含量。混凝土中Cl-的含量对钢筋锈蚀影响极大,氯盐的掺量应少于水泥重量的1%。据有关试验证明,即便是pH值较高的液体(pH＞13),只要有4mg/L～6mg/L的氯离子含量,就可以破坏钢筋的钝化膜,使钢筋在水和氧气的作用下导致钢筋锈蚀。3)混凝土的密实度和保护层厚度。混凝土能阻止外界腐蚀介质、氧气和水分等的渗入,混凝土密实度越高,保护层越厚,外界有害物质就越难渗入,钢筋锈蚀就不容易发生。4)其他因素。除上述因素外,钢筋应力状态对其锈蚀也有很大影响,预应力钢筋更容易腐蚀,而且应力腐蚀比一般腐蚀更危险。

3 钢筋锈蚀后的现象

钢筋锈蚀后,导致混凝土结构性能的裂化和破坏,主要有如下表现:1)钢筋锈蚀,导致截面积减少,从而使钢筋的力学性能下降。大量的试验研究表明,对于截面积损失率达5%～10%的钢筋,其屈服强度和抗拉强度及延伸率均开始下降,对于截面积损失率大于10%,但小于60%的严重腐蚀,钢筋各项力学性能指标严重下降。如:钢筋截面积损失率达1.2%,2.4%和5%时,钢筋混凝土板的承载能力分别下降8%,17%和25%。钢筋截面积损失率达60%时,构件承载能力降低到与未配筋构件相近。2)钢筋腐蚀导致钢筋与混凝土之间的结合强度下降,从而不能把钢筋所受的拉伸强度有效传递给混凝土。3)钢筋锈蚀生成腐蚀产物,其体积是基体体积的2倍～4倍,腐蚀产物在混凝土和钢筋之间积聚,对混凝土的挤压力渐增,混凝土保护层在这种挤压力的作用下拉应力逐渐加大,直到开裂、起鼓、剥落。混凝土保护层破坏后,使钢筋与混凝土界面结合强度迅速下降,甚至完全丧失,不但影响结构物的正常使用,甚至使建筑物遭到完全破坏。民用建筑工程中,由于在建造时掺加了氯盐防冻剂或使用海砂,建成不久就出现钢筋腐蚀破坏问题。如西安某教学楼,由于加氯盐作为防冻剂,梁、柱等混凝土构件中钢筋腐蚀严重,不得不在次年进行加固修复;深圳和舟山的某些建筑,由于滥用海砂,尚未使用就已发生钢筋锈蚀破坏。

钢筋锈蚀对混凝土结构物造成了严重的危害,为了保证混凝土建筑物的正常工作,必须采取措施,防止混凝土中钢筋的锈蚀。

4 钢筋锈蚀的预防措施

通过大量的调查研究证明,钢筋锈蚀的原因正是由于混凝土保护层的碳化和氯离子的侵入而造成的,为了防止钢筋锈蚀,必须防止混凝土的碳化或减慢碳化速度和防止氯离子的侵入。而混凝土碳化又是由于混凝土抗渗性能不足引起的,所以为防止碳化,必须提高混凝土的抗渗性。

1)提高混凝土的密实度,降低混凝土的孔隙率。外界的有害物质通过混凝土内部的孔隙,渗入到混凝土内,最后到达钢筋表面,破坏钢筋钝化膜,引起钢筋锈蚀,因此,为阻止外界有害物质侵入混凝土内而使钢筋锈蚀,就要提高混凝土的密实度。而要提高混凝土的密实度,就必须降低混凝土的孔隙率,特别是毛细管孔隙率,最主要的方法是降低混凝土的拌和用水量。但如果纯粹的降低用水量,混凝土的工作性将随之降低,又会导致捣实成型困难,同时造成混凝土结构不致密,甚至出现蜂窝等缺陷。提高混凝土密实度的措施有:a.保证混凝土的施工质量:首先要选用级配良好的骨料,控制材料的含泥量。其次混凝土要采用机械搅拌和机械振捣,保证混凝土搅拌均匀,振捣密实。同时,要防止混凝土在运输和浇筑过程中产生离析现象。最后要做好混凝土的养护,保证混凝土达到设计强度要求。b.掺入高效减水剂:在保证混凝土拌合物所需流动性的同时,尽可能降低用水量,减少水灰比,使混凝土的总孔隙率,特别是毛细管孔隙率大幅度降低。水泥在加水搅拌后,会产生一种絮凝状结构,在这些絮凝状结构中,包裹着许多拌合水,从而降低了新拌混凝土的工作性。施工中为了保持混凝土拌合物所需的工作性,就必须在拌和时相应地增加用水量,这样就会促使水泥石结构中形成过多的孔隙。加入减水剂的定向排列,使水泥质点表面均带有相同电荷。在电性斥力的作用下,不但使水泥体系处于相对稳定的悬浮状态,还在水泥颗粒表面形成一层溶剂化水膜,同时使水泥絮凝体内的游离水释放出来,从而达到减水的目的。2)防止氯离子的侵蚀。氯离子的侵入是钢筋被锈蚀的主要因素。氯离子进入混凝土有两种途径:一种是“混入”;另一种是“渗入”。环境中的氯离子通过混凝土的宏观、微观缺陷渗入混凝土中,并到达钢筋表面。为防止氯离子的侵入,采取的主要措施有:a.控制原材料中氯离子的含量。当原材料中氯离子含量超标时,就要采取预防措施,这是防止混入型氯离子进入混凝土的主要措施。b.提高混凝土保护层厚度。混凝土保护层增加,则氯离子渗入混凝土到达钢筋的时间就会增加,这是延迟混凝土内部开始钢筋锈蚀的很有效的一种方法。c.混凝土表面涂层。为制止氯离子渗入混凝土,延缓钢筋腐蚀,涂覆混凝土作为第一道防线是一种简单、经济和有效的辅助性保护措施。d.钢筋表层涂刷防腐涂料。目前采用较多的是环氧涂层钢筋,由于其是在钢厂流水线上涂覆的,因此一般可以保证涂层的高质量,使钢筋与周围混凝土隔开,即使有害物质大量侵入混凝土,也可长期保护钢筋,使钢筋免遭腐蚀。3)控制混凝土裂缝,尽量避免有害裂缝的出现。混凝土裂缝是普遍存在的,由于裂缝的存在和发展通常会使内部的钢筋等材料产生腐蚀,降低钢筋混凝土材料的承载能力、耐久性及抗渗能力,影响建筑物的外观、使用寿命,严重者将会威胁到人们的生命和财产安全,很多工程的失事都是由于裂缝的不稳定发展所致。因此在施工中应尽量采取有效措施控制裂缝产生,使结构尽可能不出现裂缝或尽量减少裂缝的数量和宽度,尤其要尽量避免有害裂缝的出现。预防混凝土裂缝的主要措施有:a.尽量选用收缩量较小、低热或中热水泥。b.混凝土的干缩受水灰比的影响较大,水灰比越大,干缩越大,因此要严格控制水灰比,掺加高效减水剂来增加混凝土的坍落度和和易性,减少水泥及水的用量。

5 结语

混凝土中因钢筋的锈蚀而导致钢筋混凝土结构的破坏,造成了损失也浪费了资源,但在实际施工中,只要加强领导,严格管理,精心施工,并根据环境的特点和材料的性质采取相应的措施,完全能够防止和推迟混凝土中钢筋的锈蚀,从而提高混凝土的使用性和耐久性。

[1] 刘彦昌,赵 新,吴钢伟.钢筋混凝土内部钢筋锈蚀程度检测研究[J].山西建筑,2009,35(2):78-79.