氯盐对混凝土中钢筋的锈蚀机理与防腐技术

资源类型:pdf 资源大小:240.00KB 文档分类:工业技术 上传者:夏春青

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【作者】 袁廷朋  王兆瑞  张鑫 

【关键词】氯盐环境 钢筋锈蚀 锈蚀机理 防腐技术 

【出版日期】2005-03-30

【摘要】分析阐述了氯离子存在的广泛性以及混凝土中钢筋的锈蚀机理,讨论了氯离子的侵入模型和危害并提出了限定措施。针对氯盐侵蚀环境下的钢筋混凝土结构设计,提出了相应的防护技术措施。

【刊名】山东建筑工程学院学报

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0 引言  当今世界钢筋锈蚀被认为是混凝土结构破坏和耐久性不足的首要因素。钢筋锈蚀是一个复杂、综合的过程,可分为先天因素和后天因素。前者与工程设计、施工质量有关,后者与环境和人为使用维护有关。国内、外大量事实表明,引起混凝土中钢筋锈蚀的主要环境因素是“盐害”,其次是混凝土的“中性化”。前者主要发生在海洋与沿海等,后者与环境污染、酸雨等密切相关。1 氯盐存在的广泛性1.1 海洋环境海洋环境是氯离子的主要来源,海水中通常含有3%的盐,其中主要是氯离子。海风、海雾中也含有氯离子,海砂中更含有不等量的氯离子。我国的海岸线很长,大规模的基本建设多集中在沿海,尤其是海洋工程如码头、护坡和防护堤等由于氯盐引起的钢筋锈蚀破坏十分突出。同时沿海地区已经出现河砂匮乏的情况,不经技术处理就使用海砂的现象日趋严重,这也为氯离子引起钢筋锈蚀破坏创造了条件。国外的工程经验教训表明,海水、海风和海雾中的氯离子和不合理地使用海砂,是影响混凝土结构耐久性的主要原因之一。1.2 道路化冰盐为保证交通畅行,冬季向道路、桥梁及城市立交桥等撒盐或盐水化雪防冰,这就使得氯离子能渗透到混凝土之中,引起钢筋锈蚀。美国半数以上的桥梁遭此危害,经济损失惨重。我国北方地区也采用撒氯盐的方法,如北京每年冬天撒400~600t氯盐[1]。这就是人为造成的氯离子环境腐蚀破坏。对此类腐蚀危害,必须采取防盐腐蚀的技术措施。1.3 盐湖和盐碱地我国有一定数量的盐湖和大面积的盐碱地,大体可分为沿海和内陆两种类型。沿海地区的盐碱地多以含氯离子为主;内陆盐碱地有的以含氯离子为主,有的则以含硫酸盐为主,这些地域的钢筋混凝土结构都会受到很强的腐蚀。1.4 工业环境工业环境十分复杂,就腐蚀介质而言有酸、碱、盐等,并伴有液、气、固态等不同形式,其中以氯离子、氯气和氯化氢等为主的腐蚀环境不在少数,处在此类环境中的混凝土结构的腐蚀破坏往往是迅速而又十分严重的。2 氯离子对钢筋的锈蚀作用机理2.1 氯离子进入混凝土中的途径氯离子进入混凝土中通常有两种途径:(1)“混入”,如掺用含氯离子外加剂、使用海砂、施工用水含氯盐、在含盐环境中拌制浇注混凝土等,大都是施工管理的问题;(2)“渗入”,环境中的氯离子通过混凝土的宏观、微观缺陷渗入到混凝土中,并到达钢筋表面,则是综合技术的问题,与混凝土材料多孔性、密实性、工程质量、混凝土保护层厚度等多种因素有关。2.2 氯离子对钢筋锈蚀的作用机理(1)破坏钝化膜 水泥水化的高碱性(pH≥12.6),使钢筋表面产生一层致密的钝化膜,对钢筋有很强的保护能力。但钝化膜只有在高碱性环境中才是稳定的,当pH<11.5时,就开始不稳定;当pH<9.88时钝化膜生成困难或已经生成的钝化膜逐渐破坏。氯离子是极强的去钝化剂,它进入混凝土中到达钢筋表面吸附于局部钝化膜处时,可使该处的pH值迅速降低到4以下,从而破坏钢筋表面的钝化膜[2]。(2)形成腐蚀电池 氯离子对钢筋表面钝化膜的破坏首先发生在局部,使这些部位露出了铁基体,与尚完好的钝化膜区域形成电位差;铁基体作为阳极而受腐蚀,大面积钝化膜区域作为阴极。腐蚀电池作用的结果是,在钢筋表面产生坑蚀,由于大阴极对应于小阳极,蚀坑发展十分迅速。(3)去极化作用 氯离子不仅促成了钢筋表面的腐蚀电池,而且加速了电池的作用。Cl-与阳极反应产物Fe2+结合生成FeCl2,将阳极产物及时地搬运走,使阳极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,氯离子正是发挥了阳极去极化作用。化学反应式为:(Cl-+Fe++)+2H2O+2e=Fe(OH)2+2H++Cl-可以看出,Cl-只参与了反应过程,起到了搬运的作用,却并不被消耗,也就是说,凡是进入混凝土中的氯离子会周而复始地起到破坏作用,这也是氯离子危害的特点之一。(4)导电作用 腐蚀电池的要素之一是要有离子通路。混凝土中氯离子的存在强化了离子通路,降低了阴阳极之间的欧姆电阻,提高了腐蚀电池的效率,从而加速了电化学腐蚀过程。3 侵入模型和临界浓度3.1 氯离子侵入模型假定混凝土中的孔隙分布是均匀的,氯离子在混凝土中扩散是一维扩散行为,浓度梯度仅沿着暴露表面到钢筋表面方向变化,扩散过程用Fick第二定律表示为: CCl t= x(DCl CCl x)(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。当边界条件为:C(0,t)=C0,t>0初始条件为:C(x,t)=0,x>0时,微分方程(1)式的解析解为:C(x,t)C0=1-2π∫x2Dt0e-u2du(2)  式(2)可利用正态分布函数求出。这样,利用扩散方程可以将氯离子扩散系数与使用年限建立其关88系,进而据此进行混凝土耐久性设计或检验评估。3.2 氯离子临界浓度尚不致引起钢筋去钝化的钢筋周围混凝土空隙液的游离氯离子的最高浓度,称为氯化物的临界浓度[3]。氯离子临界浓度主要采用三种表达方法:(1)总的氯化物含量(与水泥重量的百分比);(2)自由氯离子浓度;(3)Cl-与OH-浓度比值。根据钢筋钝化机理的研究,混凝土中钢筋的去钝化,并不单纯取决于游离氯离子的浓度,更重要的参数是[Cl-]/[OH-]值。Housmann等人[3]的试验研究结果表明,在模拟混凝土空袭液饱和溶液(pH=11.6)中,只要[Cl-]/[OH-]值不大于0.6,钢筋就不会激活。Dia mond[3]在综合以往的研究成果以后,给出了不同pH值碱溶液中钢的[Cl-]/[OH-]临界值,见表1。表1 钢在不同pH值碱溶液中开始去钝化的临界值pH值11.511.812.112.613.0临界值0.600.570.480.290.273.3 混凝土中氯离子含量的限定值“限定值”是指对混凝土中氯离子含量的总量控制值。为了保证混凝土在使用寿命期内钢筋表面区氯离子低于临界浓度,不论以任何途径进入到混凝土中,都不允许氯离子含量超出该限定值。部分国家以此作为新建工程质量控制的重要技术指标之一。表2列出了美国混凝土学会(ACI)的相关规定[4]。表2 混凝土中氯离子含量限定值类型ACI201ACI318ACI222预应力混凝土 0.060.060.06普通混凝土湿环境,有氯离子0.100.150.20一般环境,无氯离子0.150.300.20干燥环境,外防护层无规定1.00.20日本为了便于应用,规定了每m3混凝土中氯离子含量的限定值。日本混凝土学会编制的规范中规定,对于耐久性要求较高的混凝土,氯离子总量不超过0.3kg/m3;一般混凝土,氯离子总量不超过0.6kg/m3。若按每m3混凝土300kg水泥计算,以上规定为水泥重量的0.1%~0.2%,与表中美国混凝土学会规定的基本一致。我国相关国家标准、行业标准中对于混凝土中氯离子含量限定值也不完全相同,有的甚至没有明确规定。近年来制定或修订的标准中逐步靠近以下指标[1]:(1)对于预应力混凝土,氯离子总量不超过0.06%(水泥重量百分比);(2)对于普通混凝土,氯离子总量不超过0.10%(水泥重量百分比)。4 防腐技术措施就世界范围而言,氯离子腐蚀是影响混凝土耐久性的主导因素,是影响新建和已有钢筋混凝土建筑物耐久性的重要原因。因此,对于氯盐腐蚀环境下,在进行结构设计时,应采取特殊防腐技术措施。4.1 提高混凝土保护层厚度试验表明,即使最低水灰比、高质量的混凝土,暴露于有氯盐存在的环境中,混凝土表面12mm深度内的氯离子含量远远高于25~50mm深度范围。因此,在氯盐环境中的钢筋混凝土结构,混凝土保护层的厚度不应小于38mm,最好是不小于50mm。考虑到施工偏差,设计保护层厚度应选择65mm。4.2 应用钢筋阻锈剂钢筋阻锈剂通过影响钢筋和电解质之间的电化学反应,可以有效地阻止钢筋腐蚀发生。采用阻锈剂同时应使用低渗透性混凝土,以防止阻锈剂流失。这项新技术被美国土木工程学会(ACI)确认为是钢筋防护的长期有效措施之一。在日本,钢筋阻锈剂主要用于海洋环境的建筑物和开发利用海砂。我国1998年修订了《钢筋阻锈剂使用技术规程》(YB/T9231—98),其中冶建院RI系列钢筋阻锈剂已成功应用于上百个工程,取得了良好的技术经济效益[1]。4.3 混凝土表面涂层混凝土表面涂层是可以降低氯离子渗透速率和碳化速率的有效辅助措施。混凝土涂覆基本上可以分为侵入型和隔离型两种。侵入型涂料不能在混凝土表面成膜,不会形成隔离层,也不能充满混凝土毛细孔隙,但是它能显著降低混凝土的吸水性;隔离型涂料可以使混凝土和侵蚀型介质隔离。4.4 环氧涂层钢筋在钢筋表面制作环氧树脂保护膜,隔离钢筋与腐蚀介质的接触。美国、日本已大批量用于工程。若涂层质量控制良好,能够延缓钢筋腐蚀的开始,但锈蚀开始后锈蚀速率会加快。采用环氧涂层钢筋,98在施工质量控制中的一个难题是无法检测埋入混凝土后钢筋涂层的状况,价格较贵也是限制广泛使用的因素。4.5 阴极保护阴极保护是降低钢筋腐蚀速率的有效辅助措施。一般在钢筋腐蚀开始后启用,以降低腐蚀扩展速率。对于新建工程,阴极保护可用于海中、水域或潮湿地下的独立构筑物。应严格控制保护电位范围,防止析氢引起握裹力降低和氢脆发生,对于预应力混凝土更应慎重。4.6 采用高性能混凝土通过掺加火山灰质材料微硅粉、磨细矿渣或粉煤灰,使氯离子在混凝土中的渗透速率降低,混凝土电阻率增加,从而延迟腐蚀的开始和降低腐蚀开始后的速率。一般规定微硅粉掺加量为胶结材的5%~10%。应用高性能混凝土日益成为工程建设的优选技术方案,因为高性能混凝土不仅具有良好的护筋性能,同时具有良好的综合耐久性。5 结语(1)氯盐引起钢筋腐蚀已成为影响钢筋混凝土结构耐久性的主要因素,高度重视钢筋腐蚀危害及其对耐久性的影响,具有十分必要和深远的意义。(2)氯盐腐蚀环境下的钢筋混凝土结构,在进行设计时,应采取防腐技术措施。采用高性能混凝土已成为工程建设的优选技术方案,大大提高了混凝土结构的耐久性。氯盐对混凝土中钢筋的锈蚀机理与防腐技术@袁廷朋$同济大学结构工程与防灾研究所!上海200092 @王兆瑞$山东建筑工程学院设计研究院!山东济南250014 @张鑫$山东建筑工程学院工程鉴定加固研究所!山东济南250014氯盐环境;;钢筋锈蚀;;锈蚀机理;;防腐技术分析阐述了氯离子存在的广泛性以及混凝土中钢筋的锈蚀机理,讨论了氯离子的侵入模型和危害并提出了限定措施。针对氯盐侵蚀环境下的钢筋混凝土结构设计,提出了相应的防护技术措施。[1] 洪乃丰.混凝土中钢筋腐蚀与防护技术(3)—氯盐与钢筋锈蚀破坏[J].工业建筑,1999,29(10):60-63. [2] 金伟良.混凝土结构耐久性[M].北京:科学出版社,2002. [3] 洪定海.混凝土中钢筋的腐蚀与保护[M].北京:中国铁道出版社,1998. [4] ACI201(1998).Guidetodurableconcrete[S].山东省科技攻关计划(021120111)

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