钢筋混凝土中钢筋腐蚀的化学机理与防腐措施

第22卷第3期 宁夏大学学报(自然科学版)2001年9月 Vol.22No.3 Journal of Ningxia Uni versity(Natural Science Edi tion)Sep.2001文章编号:0253-2328(2001)03-0298-04

钢筋混凝土中钢筋腐蚀的化学机理与防腐措施

杨建森1,何党庆2

(1.宁夏大学土木工程系,宁夏银川 750021; 2.长庆输油公司,宁夏银川 750004)

摘 要:分析阐述了钢筋混凝土中钢筋腐蚀的化学机理,并着重讨论了碳化反应和氯离子对钢筋腐蚀的影响规律,最后提出了防止钢筋腐蚀的技术措施.

关键词:钢筋腐蚀;碳化;氯离子侵蚀

分类号:(中图)TU528.571 文献标识码:A

当今混凝土的耐久性问题已越来越引起人们的关注和重视,在1991年召开的第二届混凝土耐久性国际学术会议上,Mehta教授在题为 混凝土耐久性50年进展!的主旨报告指出:∀当今世界,混凝土破坏原因,按重要性递降顺序排列是钢筋腐蚀、寒冷气候下的冻害、侵蚀环境的物理化学作用.#对于钢筋混凝土结构或构件而言,钢筋腐蚀是最重要的破坏因素之一.混凝土中钢筋的腐蚀,其危害性主要表现在以下三个方面:∃降低了结构或构件的承载能力,减小了安全储备;%降低了结构或构件的刚度,增大了变形,甚至使混凝土保护层脱落,影响了正常使用;&降低了结构或构件的延性,甚至改变其形态,从而导致伤亡事故.因此,钢筋腐蚀是影响结构耐久性的主要因素,近年来对钢筋腐蚀的研究已成为混凝土领域研究最多的问题之一.

1 钢筋腐蚀机理

通常情况下,混凝土中的高碱性溶液(pH值一般在12以上,约为12.6)对混凝土中的钢筋起到保护作用.钢筋在这种高碱性的环境中,表面沉积着一层致密的水化氧化铁薄膜( F2O3∋2H2O)而处于惰性状态.通常钢筋表面薄膜的破坏有两种原因:∃因混凝土碳化而引起钢筋混凝土保护层的碱度降低(pH值可降至9以下),当混凝土pH值降到11.5以下时,钢筋表面的钝化薄膜就会受到破坏;%由于氯离子和氧离子的扩散侵蚀而破坏钝化薄膜.钝化薄膜的破坏,失去了对钢筋的保护作用,若有空气(指其中的氧气)和水分侵入,钢筋便开始发生腐蚀.腐蚀的机理是发生吸氧性电化学腐蚀阳极Fe(Fe2++2e-,阴极H2O+

1

2

O2+2e-(2OH-,电化学腐蚀必需具备两个基本条件:存在两个电势不等的电极;金属表面存在必要的电解质液相薄膜.一般说来,由于钢筋成分不均匀或氧气浓度的差异,第一个条件总是能够满足的,第二个条件则要求混凝土中腐蚀的相对湿度>60%[1].

2 钢筋腐蚀的影响因素及其作用规律

影响钢筋腐蚀的因素很多.在一般大气条件下,影响钢筋腐蚀的主要因素有氯离子、混凝土碳化、环境条件(温度、湿度、浓度等)、混凝土渗透性和保护层厚度、钢筋位置与直径等.混凝土的渗透性与其强度、孔隙率、裂缝宽度及密度有关.

一般说来,由于暴露程度较大,角部钢筋的腐蚀速度为中间钢筋的1.3~1.5倍[2].混凝土的渗透性能与钢筋腐蚀速度有直接关系.研究表明,裂缝分布越密,混凝土水灰比越大,养护时间就越短,强度越低,裂缝宽度越大,混凝土渗透性越好,钢筋腐蚀越快.采用矿渣水泥的混凝土中的钢筋腐蚀速度为普通水泥的1.7~1.9倍.关于粉煤灰对钢筋腐蚀的影响,研究认为混凝土中粉煤灰掺量小于30%时,对钢筋腐蚀无不利影响,甚至是有利的,但掺量超过

收稿日期:2001-02-23

基金项目:宁夏自然科学基金资助项目(B002)

作者简介:杨建森(1971-),男,讲师,研究土木工程材料和环境保护

45%时,往往由于非粉煤灰自身的原因(水灰比、粉煤灰质量、养护质量等因素)而加速钢筋的锈蚀. 环境因素对钢筋腐蚀也有重要影响,Arrhenius 定律指出,温度每升高10),腐蚀反应速度增加1倍,同时,较高的温度也大大缩短了钢筋的脱钝时间(30)比10)缩短66%).相对湿度对混凝土中钢筋的腐蚀有双重作用:一方面影响混凝土中氧气的扩散速度,另一方面影响混凝土的电导性.因此,存在一个钢筋腐蚀速度最快的相对湿度.在不含氯离子的环境中,相对湿度约在80%时钢筋腐蚀最快;而在含氯离子的环境中,相对湿度约在65%时钢筋腐蚀最快.在大气中氧气的供给对钢筋的腐蚀速度的影响无限制作用,在深海区,即使氯离子大量存在,但由于缺乏氧气,钢筋也不会腐蚀[3]

.

混凝土碳化和氯离子侵蚀是影响钢筋腐蚀的两个最主要的因素.

2.1 氯离子侵蚀导致的腐蚀

2.1.1 侵蚀机理 Cl -

是一种钢筋腐蚀活化剂,即使在保护层不被中性化的条件下也会破坏钢筋钝化膜而对钢筋腐蚀起加速作用.同时,由于Cl -到达钢筋表面的不均匀性,特别是Cl -作用于钢筋局部区域时,便形成大阴极小阳极腐蚀,导致钢筋发生坑蚀.由于坑蚀的深度可达平均腐蚀深度的10倍左右,因而危害更大.Cl -离子的存在还增强了混凝土的导电性,使钢筋腐蚀容易发生.最后,钢筋活化后阳极区Cl -浓度增加以平衡Fe 2+,从而进一步增加腐蚀面积和腐蚀速度.另外,由于混凝土膨胀性腐蚀和钢筋锈蚀而产生裂缝,这些裂缝又成为侵蚀介质的通道,从而进一步加剧了钢筋的腐蚀[4].

研究表明,钢筋的腐蚀速度与氯离子含量成线性关系.氯离子引起的钢筋腐蚀包括四个阶段:腐蚀诱导阶段,腐蚀开展阶段,腐蚀加速阶段和裸露腐蚀阶段[5](图

1).

图1 混凝土中氯离子侵蚀引起钢筋腐蚀速度的变化

氯离子通过毛细吸附和扩散作用穿透混凝土保护层到达钢筋表面,当钢筋表面孔溶液中的氯离子浓度达到某临界值时,钢筋转入活化状态,开始腐蚀.随着腐蚀产物的增加,腐蚀产物体积膨胀(为钢

筋体积的2~6倍[6]),作用于周围混凝土,裂缝开始出现,钢筋的腐蚀速度明显加快,直到混凝土裂缝达到0.1~0.5mm,但在保护层剥落以至钢筋完全裸露,失去微电池腐蚀条件时,钢筋腐蚀速度反而会有所降低.这种由Cl -侵蚀引起的混凝土开裂和钢筋增强作用的失效,在海工工程特别是气温较高的海洋结构中非常严重.

2.1.2 氯离子的来源、迁移和临界浓度 混凝土中氯离子的来源主要有两个:∃配制混凝土时由原材料带入的氯离子(外加剂和海水等);%从外界环境渗透到混凝土中的Cl -(除冰盐、海洋环境).原材料带入的氯离子大部分被水泥浆体吸附以结合氯离子的形式存在,对钢筋的腐蚀影响不大,在混凝土中加入少量氯外加剂是允许的.外界环境中的氯离子通过混凝土保护层到达混凝土 钢筋界面并逐渐积聚,使钢筋表面孔溶液中的氯离子浓度逐渐增大,最终达到临界浓度.因此,需要解决两个问题:氯离子的迁移和氯化物的临界浓度.

氯离子的迁移主要通过扩散作用进行,扩散过程可用下列方程描述

C t =

D 2

C x 2

,(1)

式中C 为扩散深度x 处的氯离子浓度;D 为氯离子

扩散系数;t 为扩散作用时间.

边界条件为初始条件为 C(0,t)=C 0,C(x ,0)=0,

t >0.

x >0.其解为

C (x ,t)

C 0

=1-2 ∗

x

2Dt 0

e -u 2

d u ,(2)

(2)式可利用正态分布求出.这样,利用扩散方程可以将Cl -扩散与使用年限建立起关系,进而据此进行混凝土耐久性设计或检验评估.

也有学者提出氯离子扩散的其他一些数学模型,但由于模型本身的适用条件与氯离子扩散的实际复杂情况有较大距离,因此,拟合性较差,这里不再赘述.

由已发表的文献来看,氯化物临界浓度主要采用三种表达方法:∃总的氯化物含量(与水泥重量的百分比);%自由Cl -浓度;&Cl -与OH -浓度比.其中后两种方法曾被认为是最合适的.Nevicle 认为,

只有自由Cl -才会导致钢筋腐蚀,这一观点已面临挑战.Glass 和Buenfeld 对已发表数据的分析结果表明,结合氯离子也会导致钢筋腐蚀,并且,溶液中的高pH 值只是水泥浆的抑制特性之一,因而采用总的氯化物含量是最合适的.氯离子的临界活化浓度一般假

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