钢筋混凝土中钢筋锈蚀的原理及防治措施

钢筋混凝土中钢筋锈蚀的原理及防治措施[摘要]:钢筋锈蚀对钢筋混凝土结构及预应力混凝土结构的耐久性和安全性影响极大。混凝土在多种因素作用下（如碳化、氯离子侵蚀等），钢筋因原先在碱性介质中生成的钝化膜被破坏而渐渐失去保护作用，导致钢筋锈蚀，生成的铁锈体积比被腐蚀掉的金属体积大3~4倍，使混凝土保护层沿钢筋纵向开裂，而裂缝一旦产生，钢筋锈蚀速度大大加快，结构构件的承载力与可靠性劣化的速度大大加快，有的甚至发展到钢筋锈断，危及结构的安全。[关键词]:钢筋混凝土；钢筋锈蚀；原理；防治[英文摘要]:Thecorrosionofreinforcingbarisgreattostructureanddurabilityoftheprestressingforceconcretestructureandsecurityinfluenceofarmoredconcrete.Concreteinunderavarietyoffactors(suchascarbonation,chlorideionerosion,etc.),reinforcedbytheoriginalinalkalinemedium-generatedpassivefilmwasdestroyedandgraduallylosetheirprotectiveeffect,leadingsteelcorrosionandrustvolumegeneratedbycorrosionswapMetalbulkythreetofourtimessothattheprotectivelayerofconcretereinforcedalongthelongitudinalcracks,andcrackshaveonce,greatlyacceleratethespeedofsteelcorrosion,structuralcomponentsofthebearingcapacityandreliabilitygreatlyacceleratethepaceofdeterioration,oreventothedevelopmentofsteelrustBroken,endangeringthesafetyofthestructure.[Keywords]：Reinforcedconcrete;thecorrosionofsteelbars；Principle；Combat[前言]:混凝土耐久性是指混凝土在设计寿命周期内，在正常维护下，必须保持适合于使用，而不需要进行维修加固，即指混凝土在抵抗周围环境中各种物理和化学作用下，仍能保持原有性能的能力。工程安全性与耐久性对我国当前土建工程建设具有重要探讨意义，建设部近年所作的一项调查表明，国内大多数钢筋混凝土建筑物在使用25~30年后即需大修，处于严酷环境下的钢筋混凝土建筑物使用寿命仅15~20年。有一部分工程建成后几年就出现钢筋锈蚀、混凝土开裂。因混凝土顺筋开裂和剥落，需要大修的屡见不鲜。从可持续发展的要求出发，这种现状会导致资源、能源不合理的消耗，并因大量失效或毁坏的结构物拆除而形成大量的垃圾。因此，提高混凝土耐久性，延长工程使用寿命，尽量减少维修重建费用是建筑行业实施可持续发展战略的关键。影响混凝土耐久性的原因错综复杂，除去社会因素、人为因素外，技术方面的主要因素有以下几点：钢筋锈蚀、混凝土的碳化、混凝土的冻融破坏、侵蚀性介质的腐蚀、混凝土碱集料反应等。混凝土耐久性已是当今世界的重大问题,在第二届国际混凝土耐久性会议上,梅塔教授指出:“当今世界混凝土破坏原因,按递减顺序是:钢筋锈蚀、冻害、物理化学作用”。他明确将“钢筋锈蚀”排在影响混凝土耐久性因素的首位。影响钢筋锈蚀的因素很度多，主要包括四个方面：氯离子的侵蚀作用、混凝土的中性化、环境对锈蚀的影响、施工对钢筋锈蚀的影响等。钢筋锈蚀不仅能削减截面面积，使构件承载能力下降，还会降低钢筋与混凝土的握裹力，影响两者共同工作的性能。同时，由于钢筋锈蚀后体积膨胀，造成混凝土保护层破裂，甚至脱落，从而降低了结构的受力性能和耐久性能，严重的甚至影响结构的安全性能。1钢筋锈蚀机理在通常情况下,混凝土是一种高碱性环境(pH值约在13左右),钢筋在这种环境下,钢筋表面迅速形成一层氧化铁(γ-Fe2O3)钝化膜,膜厚约200～600nm。该膜内部为一种致密、稳定的共格结构,水和氧气不能渗透过去,内部无法形成腐蚀电池;而且,即使阴极区有足够的水和氧气,也会因为该钝化膜抵制了铁离子的释放、阻止了阳极反应,进而避免电化学反应的发生。很显然,混凝土的正常碱度能很好地阻止钢筋锈蚀,并且碱度愈高,钝化膜的稳定性和对钢筋的保护性能就愈好。但是当钢筋混凝土被Cl-污染时,如海洋环境或桥梁结构冬季撒除冰盐后,Cl-通过混凝土表面的孔隙逐渐扩散至钢筋表面,Cl-可以破坏钢筋表面钝性,钢筋由钝态转为活化态(见图1),钢筋的腐蚀产物多为Fe3O4等氧化物,其体积远远大于产生这些产物的钢的体积,因此产生了内应力,使混凝土开裂。钢筋混凝土腐蚀的另外一个原因是酸性物质(如CO2)的渗入,使得孔隙液的pH值降低,当pH值降低至12.5时,加之Cl-的作用,腐蚀以较快的速度发生。1.1氯离子的侵蚀作用混凝土中的氯离子一部分是由原材料引入的,一部分是由外界侵入的,在混凝土中有两种存在形式,一种是以自由离子的状态存在于混凝土孔溶液中,另一种则是与水泥某些水化产物发生化学反应生成不溶于水的物质,只有自由状态存在的氯离子才会对钢筋锈蚀造成影响。1.1.1破坏钝化膜通常情况下,混凝土孔隙中充满着水泥水解时产生的Ca(OH)2、3CaO·2SiO2·3H2O和3CaO·Al2O3·6H2O等碱性水化产物,以及水泥中少量的K2O、Na2O,所以PH值可高达12.5以上。钢筋处于该环境中,表面能形成约200～1000Lm厚的水化氧化物r2Fe2O3·nH2O或Fe2O3·nH2O组成的钝化膜层。这种膜层致密、稳定,因而有效地保护了混凝土中的钢筋不被锈蚀。但是,只有当碱度PH11.5时钝化膜才是稳定的。当外界酸性物质侵入并与Ca(OH)2作用时,混凝土碱度就会降低(PH值可降至9以下)。当PH10时钝化膜就维持不住而逐渐破坏,从而失去对钢筋的保护作用,若有空气和水分侵入,钢筋便开始锈蚀。在混凝土中含有自由状态的Cl-离子时,它们接近钢筋后富集于钢筋表面上,对钢筋锈蚀起加速作用。1.1.2电池腐蚀作用在大面积的钢筋表面上,如果存在高浓度氯化物,则它引起的腐蚀可能是均匀腐蚀。但是,在不均质的混凝土中常见的是局部腐蚀。Cl-的锈蚀作用首先发生在钢筋表面钝化膜的薄弱点,这种局部破坏后钢筋的铁基表面露出来,在水和氧气的存在下铁表面与尚完好的钝化膜之间形成电位差,钝化膜为阴极,铁表面为阳极,两极之间由于电子的迁移而发生氧化还原反应。原电池作用的结果,在钢筋表面产生点蚀。因为是大阴极对小阳极,所以这种点蚀十分迅速。具体过程如下：Cl-易渗入钝化膜引起钝化膜破坏。在阳极,Fe原子失电子成为二价铁离子Fe2+：eFeFe22Fe2+自钢筋表面进入混凝土孔隙液中,阳极区产生的电子通过钢筋被送往阴极,并将阴极区溶解于孔溶液中的O2还原,生成氢氧根离子OH-：OHeOHO44222阴极产生的OH-通过混凝土中的孔溶液被运往阳极区,在阳极附近,Fe2+与OH-形成难溶的Fe(OH)2白色沉淀：22)(2OHFeOHFeFe(OH)2在有氧环境中是不稳定的,立即被氧化,变成棕红色的Fe(OH)3：阳极eHOHFeOHOHFe22)(22)(2322阴极OHeOHO222122总反应3222)(221)(2OHFeOHOOHFe在溶解氧含量少的情况下,既有Fe(OH)3生成,又有Fe(OH)2存在,二者还可以发生下列反应：OHOFeOHFeOHFe243324)(2)(生成绿色含水的混合价态氧化物Fe3O4·4H2O,若Fe3O4·4H2O失水,则变为黑色的Fe3O4。当锈堆把阳极区遮住时,O2不易进入小孔,小孔中的Fe2+又将“水解”产生H+：Fe2++2H2O→Fe(OH)2↓+2H+使pH值下降,从而加剧了腐蚀。从以上分析可以看出,腐蚀电流能形成一个闭合回路(如图1),符合腐蚀原电池的基本工作过程。图1混凝土中钢筋腐蚀(电池腐蚀作用)1.1.3极化作用Cl-不仅破坏钢筋表面的钝化膜,造成原电池的形成,而且它还加速了原电池效应。这时的反应式表示为:eFeFe22Cl-存在是电化学反应产生的条件,而一旦腐蚀开始后,Cl-又会进一步加速反应。因为上述反应中生成的Fe2+与Cl-进一步发生反应:222FeClClFe由于Fe2+不断地被消耗而使上述第一个反应一直向右进行。阳极产物被及时地“搬运”离开,使阳极反应过程顺利进行,甚至加速进行。通常把加速阳极极化作用称作“去极化作用”,生成的FeCl2在混凝土中遇到OH-后,又发生下列反应:ClOHFeOHFeCl2)(2224Fe(OH)2+2H2O+O2———4Fe(OH)3↓(铁锈)图2混凝土中钢筋腐蚀机理(氯离子有去催化和搬运作用)这其中Cl-像催化剂一样,既促进了锈蚀反应,本身又不消耗,只是一步一步加剧锈蚀。由于混凝土内部是高碱环境,混凝土内部的Cl-只有达到一定浓度,使混凝土内PH值降到某个值以下钢筋才会锈蚀,而这个使钢筋开始锈蚀的浓度称为临界浓度。但这个值是随混凝土碱含量而发生变化的。研究者发现当Cl-/OH-0.61时,钢筋开始锈蚀,并确定此值为临界值。因此应尽量减少混凝土中Cl-含量,不论从任何途径引入混凝土中,其总量都不允许超过定值,并以此作为工程质量控制的重要技术指标之一。1.2混凝土的中性化与钢筋锈蚀混凝土的中性化即为混凝土的碳化,是指混凝土中的成分(主要是Ca(OH)2)与渗进混凝土中的二氧化碳(CO2)和其它酸性气体如二氧化硫(SO2)、硫化氢(H2S)等发生化学反应的过程,混凝土的碳化虽然可以增加混凝土的强度,改善混凝土结构的稳定性。但混凝土的碳化伴随着混凝土的收缩,并与干燥收缩共同作用导致混凝土表面开裂和面层碳化,降低了混凝土的PH值,使混凝土失去对钢筋的保护作用,如果有水和氧气存在,混凝土中的钢筋就开始腐蚀。由于混凝土是一个多孔体,其内部存在着大小不同的毛细管、孔隙、气泡,甚至缺陷等。空气中的二氧化碳(CO2)首先渗透到混凝土内部充满空气的孔隙和毛细管中,而后溶解于毛细管中的液相,与水泥水化过程中所产生的Ca(OH)2和硅酸三钙、硅酸二钙等水化产物相互作用,形成碳酸钙。混凝土碳化可用下列化学反应式表示：3222COHOHCOOHCaCOCOHOHCa233222)(OHSiOCaCOCOHOHSiOCaO2233226233323OHSiOCaCOCOHOHCaOSiO223322262242可以看出,混凝土的碳化是在气相、液相和固相中进行的一个十分复杂的多相物理化学连续过程。从混凝土碳化的化学反应式还可以看出,混凝土的碳化过程与下列因素有关:(1)混凝土的化学反应过程进行较快,反应的速度主要取决于二氧化碳(CO2)等酸性介质的浓度和混凝土可碳化物质的含量;(2)二氧化碳(CO2)或其它酸性介质通过混凝土孔隙向混凝土内部扩散,这个过程的速度取决于扩散物质的浓度和混凝土的孔隙结构,(3)氢氧化钙可在孔隙表面湿度薄膜内扩散,其速度取决于混凝土含水率和氢氧化钙浓度的梯度。由于空气中二氧化碳的浓度很低(通常其体积浓度约为0.03%),因此,在上述影响混凝土碳化过程的因素中,二氧化碳在混凝土中的扩散速度较慢,它决定了混凝土碳化过程的速度,以及它的分层特性。1.3环境因素对混凝土锈蚀的影响环境因素是引起钢筋锈蚀的外在因素。特别是当混凝土的自身保护能力(如密实度及保护层厚度)不合要求或保护层有裂缝等缺陷时,外因的影响会更突出。Arrhenius定律指出,温度每升高10℃,钢筋锈蚀速度增加1倍。因此温度越高,钢