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摘要:当今社会,钢筋混凝土结构已成为混凝土加固的一个重要组成部分,钢筋也是混凝土中不可缺少的部分,是混凝土的整个框架,主要作用主要是进行到支撑但钢筋是易受腐蚀,每当钢筋收到腐蚀,就会导致结构损坏,影响混凝土钢筋腐蚀的主要原因是钢结构的耐用性,因此在混凝土中使用耐用性高的钢结构是十分必要的,为了实现保护钢,降低钢的耐腐蚀性的程度之一目标,本文从钢腐蚀原因来入手,主要讨论了如何降低钢的腐蚀,并进一步提高了钢的结构的耐久性关键词钢筋锈蚀;混凝土结构;耐久性;防范措施1引言建筑物在使用过程中,在内部的或外部的、人为的或自然的因素的作用下,随着时间的推移,逐步发生老化、损伤甚至损坏,这是一个不可逆的过程,必然影响到建筑物的使用功能以及结构的安全性,因此,工程结构的可靠生除安全性、适用性之外,还包含着对结构耐久性的要求所谓结构的耐久性Durabil时是指在正常施工、正常使用和正常维护条件下,在特定时间内,构件或结构性能随时问推移而变化,但仍满足设计预定功能安全性、适用性的性能Ⅲ;或指结构在化学的、生物的或其他不利因素的作用下,在预定时期内,其材料性能的恶化不至导致结构出现不可接受的失效概率嘞;即结构在设计要求的目标使用期内,不需要花费大量资金加固处理而保持其安全性、使用功能和外观要求的能力Ⅲ;简单地说,是使用了t年时间后的安全性、适用·胜传统的现念认为混凝土砼是一种“人工石”,在它的保护下,钢筋不会发生锈蚀,因此钢筋混凝土结构具有使用寿命长和不需维护的特点受这种观点的影响,长期以来,人们忽视了钢筋混凝土的耐久性问题,造成了钢筋混凝土结构耐久性研究的相对滞后,并因此付出了惊人的代价因耐久性不足导致结构破坏的事故时有发生,已受到国内外土木工程界和学术界的高度重视随着经济的不断发展,混凝土在我国基础建设中使用量越来越多,钢筋混凝土已被广泛应用于各类建筑活动中主要是因为高性能的混凝土,成本相对较低,维护简单,工程易施工,供应相对充裕然而,钢筋混凝土的使用寿命不容乐观,在外部荷载和自然环境的长期作用下,其耐久性也不可避免的会受到影响造成功能的衰减钢筋锈蚀是影响混凝土结构的主要因素之一,是评价混凝土结构可靠性和耐久性的关键因素钢筋锈蚀对混凝土结构的作用一般经历混凝土碳化、钢筋锈蚀、保护层沿钢筋剥落、产生锈胀裂缝直到造成混凝土结构的彻底破坏大部分混凝土的只有20~30年,20~30年中需要经常维修甚至需要大量的维修资金,对钢筋混凝土保护并对相应的问题进行防治,以此提高钢筋混凝土的耐用性是迫在眉睫的2结构耐久性的基本理论
2.1结构耐久性理论的发展耐久性最初应用于海上混凝土构筑物的腐蚀情况伴随着钢筋混凝土结构的大规模使用,新的耐久性损伤理论逐渐出现发达国家提出了以耐久性为要求的高性能混凝土的研究高性能混凝土中要求含有较低的水泥量矿物质多,用水较少能够增强混凝土的密实性、抗裂性、抗化学腐蚀性等提高了混凝土使用的耐久性我国的混凝土结构耐久性最初是由南京水利科学研究院提出主要针对混凝土的碳化和钢筋锈蚀来进行研究随后混凝土结构的耐久性设计规范出现,将混凝土结构耐久性研究规范化、系统化目前对已建结构物的耐久性评估和病害诊断等尚没有完善的技术规范近几年来我国有大概234亿平方米建筑物因可靠度过低而退役结构物的耐久性研究在以后相当长的时间内都将是主要的讨论课题而混凝土结构的耐久性更是占有重要的部分在技术层面上要加强基础理论的研究分析混凝土劣化的机理创造新材料来针对性的对劣化结构进行修复政策上要有完善的技术章程给从业人员提供技术依据
2.2混凝土结构耐久性研究的主要内容混凝土结构耐久性研究可以分为施工阶段、使用阶段、维修阶段3个方面,保证结构可靠度的指标不低于最低的可靠度水平;按照具体的内容可以将耐久性研究分为结构耐久性的失效机理研究以及对结构耐久性剩余寿命的评估预测按照破坏类型分为疲劳损伤研究、化学侵蚀研究、抗冻融研究、钢筋锈蚀研究、骨料反应研究以及抗火性的研究几个方面混凝土结构耐久性要从环境、材料、构件以及结构四个层次来考虑根据所处的环境可以分为一般大气环境、海洋环境、土壤环境、工业环境根据环境对混凝土结构的危害程度将环境分为一般环境、特殊环境和灾害环境外界环境中的腐蚀性介质会通过各种途径进入混凝土结构内部造成碳化和钢筋的锈蚀降低结构的承载力,影响工作性能一般环境中对钢筋锈蚀影响较大的是温度和湿度特殊环境中主要是酸、碱、盐的作用导致钢筋的锈蚀灾害环境则是地震、火灾等偶然因素对结构的损坏材料层次上对结构耐久性的研究表现在混凝土和钢筋两种材料上目前多数的研究成果都是基于材料层次得到的通过对结构设计、施工和使用时加强构造措施,使保护材料尽量避免受到外界不利因素的影响混凝土碳化主要是由空气中二氧化碳造成的,大气中的混凝土结构是无法避免这一现象的可以采用碳化深度的方式来衡量碳化问题冻融破坏主要发生在寒冷地区在温度变化较大情况下,混凝土内部会形成渗透压力和冻胀压力导致强度的降低碱集料反应则是造成混凝土结构产生整体的开裂破坏在潮湿高温下反应速度较快3钢筋锈蚀的主要影响因素和防范措施
3.1钢筋锈蚀机理钢筋锈蚀由化学腐蚀和电化学腐蚀两种原因产生其中电化学腐蚀较为常见,具有很大的危害性,电化学腐蚀反应需具有四个基本条件,包括在钢筋表面出现电位阳极区和阴极区,存在电位差;在阳极区和阴极区电阻R较小;阳极区表面容易产生活化反应;阴极区钢筋表面具有较多的电解质氧化剂钢筋表面在电化学反应下不断失去电子行程红锈溶于水中,逐渐腐蚀中体积膨胀,导致混凝土的胀裂钢筋表面会在电化学作用下形成一层较薄的钝化膜一定情况下会阻止反应的进行钢筋只有经过去钝化作用才能进一步的产生锈蚀影响钢筋去钝化的因素有内在因素包括外加剂中氯盐的掺加,外在原因主要包括冻融循环、高低温循环以及机械磨损等当外围混凝土碳化深度达到钢筋表面时钢筋受到氯化介质侵蚀时都会造成钢筋钝化膜的破坏
3.2钢筋锈蚀的主要影响因素钢筋锈蚀的影响因素包括外部因素和内部因素表现在以下几个方面钢筋材质钢筋的材质越好,则其内部组织较为均匀,具有较好的防锈能力如果再采取耐磨钢筋,则防锈效果会更好,但需要的花费会较多钢筋的应力状态在应力腐蚀作用下,钢筋破坏成脆性,应力腐蚀分为电化学腐蚀和裂缝发展两个阶段水泥品种当水泥内含碱量较低时混凝土的碳化速度会较快,造成严重的钢筋锈蚀混凝土密实度混凝土密实度较好能够阻挡外界有害物质的侵入预防钢筋锈蚀的产生混凝土裂缝裂缝和钢筋腐蚀是相互促进的,裂缝过多或渗透性过大导致混凝土碳化和外界有害物质的侵入的加速加剧钢筋的锈蚀而钢筋锈蚀反过来更会进一步增加结构的裂缝,从而产生恶性循环混凝土中性化,钢筋锈蚀和混凝土内部pH值有很大关系,当pH大于10时反应速率较小;而当pH小于4时,则反应速度会急剧增大混凝土保护层保护层越厚,阻止碳化的氯离子侵入的能力就越强减轻钢筋的锈蚀
3.3钢筋锈蚀的病因钢筋混凝土结构被破坏,约40%的原因是由于钢被腐蚀,然而导致钢筋腐蚀的病因具体是哪些,本文列举了几个比较主要的原因钢筋锈蚀的原因
(1)含有氯离子的腐蚀气体钢筋混凝土表面具有保护膜,该保护膜的形成,主要是由于强混凝土表面(约
12.6的pH值)的碱性环境,仅在强碱性环境下这样的保护膜,才能够在混凝土上起保护作用,但是当有氯化物侵入混凝土表面,通过反应,在混凝土表面会形成出更多的酸性环境,从而破坏了保护膜,混凝土与空气中的水以及氧发生化学反应,腐蚀了混凝土的钢筋
(2)混凝土碳化工厂排放的废弃污染、垃圾焚烧或填埋造成的污染以及汽车排放的尾气造成空气质量越来越差,空气污染非常严重,有很多的酸性物质在大气中,如CO2和SO2,混凝土碳化的主要原因是二氧化碳在空气侵入到混凝土,并且与混凝土中含有的Ca(OH)2发生了化学反应,生成碳酸钙,而这种化学反应将导致混凝土的Ca(OH)2的含量逐渐降低,从而导致混凝土中的碱含量日益减少,保护膜只能起到在碱含量极强的环境中具有保护作用,当出现越来越多的弱碱性的混凝土表面环境时,保护膜变得不稳定,直到完全不能对混凝土其保护作用,混凝土就会遭到侵蚀、碳化
(3)裂缝引起的腐蚀当在混凝土表面出现裂缝后,环境中的空气以及水就会伴随着有害物质,通过在混凝土表面的裂缝进入混凝土内部,锈蚀钢筋混凝土表面的裂纹的形成有许多原因,会受混凝土表面的环境温度的影响,导致混凝土的干缩性质以及混凝土的地基都发生异变,有时孔和裂缝也是在混凝土浇注形成的过程中,这可能是由于在施工操作期间,施工的不到位导致各种间隙的形成,使其有害物质能够进入混凝土,从而导致腐蚀的形成,因此裂缝也是忽视的
3.4钢的腐蚀对钢筋混凝土的整个结构产生的影响
(1)降低钢的承重能力钢腐蚀会严重影响钢结构的承重能力,钢筋生锈并在混凝土上形成的红棕色锈的表面,从而使得净截面钢筋大大降低,影响钢的机械性能,钢筋锈蚀也会对钢和混凝土粘结形成消极影响,胶粘剂减少混凝土表面裂缝将会出现,从而影响混凝土的负载能力
(2)降低刚性结构钢筋腐蚀引起许多表面生成锈,锈使这些混凝土体积变大的同时,也会使混凝土产生变形,与此同时混凝土的粘合剂被削弱,混凝土表面的土层也会逐渐脱落,降低了结构的刚性,影响了混凝土的耐久性的结构
(3)降低钢的抗拉强度根据人们进行的钢筋锈蚀实验和统计数据,钢筋锈蚀程度共分为三个层次,锈蚀的第一层次是指在混凝土的表面开始生锈,而所生成的锈对混凝土的影响并不十分大,当锈蚀达到第二个层次时,裂缝就会出现在混凝土表面上,对混凝土的负荷产生消极影响,当腐蚀程度达到第三层次时,混凝土的各方面都会受到影响,进一步致使钢的拉伸强度被降低,对热胀冷缩的反应能力也被削弱,此时如若混凝土表面的具体环境温度产生巨大的变化,会影响混凝土结构的耐久性
3.5钢筋锈蚀的预防措施混凝土钢筋腐蚀严重影响混凝土结构上的耐用性,为了降低钢的腐蚀,使混凝土结构更坚固耐用,必须采取适当的防护措施在设计时要做好混凝土表面的密封和排水工作减少潮湿面积,尽量避免结构薄弱部位处于不利因素的影响钢筋外围和模板角落处要保证混凝土的密实均匀性控制裂缝的大量产生,钢筋处裂缝产生时要及时加以控制在干湿交替或有害物质侵入严重地区要适当加大混凝土保护层厚度,提高抗渗性,降低有害物质的侵入,并且可以通过控制水灰比、提高养护质量的措施来进行控制使用的水泥品种、掺合料和外加剂要符合要求可以采用耐锈蚀钢筋,在钢筋表面涂抹环氧树脂在混凝土中掺加阻锈剂在阴极采取保护措施或在构件表面涂抹覆盖层等方式进行防护
(1)电化学保护,防止氯化物腐蚀氯化物致使混凝土内钢筋腐蚀主要的原因是氯离子对钢的侵蚀腐蚀,破坏混凝土的表面的碱环境中,为了防止氯化物离子的侵入,通常是电化学保护,我们知道,在电源包括阳极和阴极,因此电化学保护可以被划分两方面对阴极的保护和对阳极的保护,利用电源的阳极进行保护就是使钢筋被连接到电源的阳极一端,这一措施主要是利用电化学反应这一原理来实现的,阴极保护就是将电源的负电极被连接到钢筋上和加固这样的保护膜,可以形成钢,以防止腐蚀的氯化物,在广泛使用的一般情况下,阴极保护的表面上,因为阴极保护更有效,但也更节省成本
(2)抑制混凝土碳化速度为了防止混凝土碳化早期发生时,可以提高生产时对水泥的使用量,严格控制所使用的水泥的标准,降低使用过程中水灰比,选择含有硅很少的材料或没有硅的混合盐水泥,等等,大大减少了混凝土碳化的速度除此之外,碳化的这一混凝土的本质出发,碳化的主要原因是混凝土中所含有的Ca(OH)2与环境中的酸性的物质生成化学反应,削弱了混凝土碱性因此为了有效防止这一反应的生成,可以通过隔绝酸性物质与混凝土中Ca(OH)2的接触,因此杜绝缝隙增加保护膜的厚度也是增强混凝土结构的耐久性的必要措施
(3)降低混凝土的裂缝混凝土表面产生裂缝,就会使入侵的有害物质进入混凝土并产生腐蚀性,在对混凝土的承载能力产生影响的同时降低了混凝土结构的耐久性,甚至危及人民群众的生命和财产安全,从而减少混凝土表面所产生的裂缝将是有效保护混凝土结构耐久性的非常重要的一项措施,对混凝土表面加以保护的措施有许多,从混凝土本身,粉煤灰水泥,是一般选择,正是由于水泥收缩率小,不易变形,因此必须尽量减少水泥的用量,合理减小水灰的比例,混凝土的干缩性既会受到水泥的用量的影响也会受到和水灰具体比例的影响,若是干缩越大,则在混凝土的表面就更加容易形成缝隙;其次需要注意的是在整个施工过程中,相关的施工单位必须严格要求施工中的各项操作,并且还需要时常对相关的工作人员进行技能培训,在施工过程中不能出现伤害混凝土的行为,严格禁止对钢筋进行踩踏,防止钢筋发生变形,对钢筋整体的承重能力产生负面影响,在对混凝土进行搅拌的工作中其时间必须控制在合理范围,搅拌时间过长会导致因为水分大量减少,混凝土出现干裂这一现象,并影响混凝土最终的使用和以及刚性,除此之外,在具体进行施工时也必须注意对混凝土实施保护
(4)通过外涂层,增加了保护层的厚度混凝土的保护膜虽然极其容易遭到破坏,但是完全可以利用人为涂抹外涂层的方法增加混凝土整个保护膜的厚度,将抹涂层涂在混凝土的表面,在选择涂层时必须注意具体的材料,近几年来被应用的最为广泛的就是水泥基聚合物之中涂层,其原因主要是水泥基聚合物的使用年限与混凝土的使用年限十分匹配,可以有效避免进行再次涂抹涂层,不仅实现了资源节约,减小了工程施工成本,这种涂层还可以有效的隔断各种有害物质对混凝土的入侵,实现了对混凝土表面所形成的强碱环境的保护,进一步杜绝了锈蚀钢筋,十分有效的增加了混凝土整体结构的耐久性4锈蚀钢筋混凝土的性能分析及耐久性评估
4.1锈蚀钢筋混凝土结构性能分析锈蚀钢筋混凝土的受弯构件表现在刚度、强度和破坏形态三个方面锈蚀钢筋混凝土的破坏形态与钢筋的锈蚀程度有很大关系,破坏时呈现脆性塑性性质明显降低,虽然混凝土退化过程是逐渐发生的,但最后的破坏却又突发性锈蚀钢筋对混凝土结构的承载力影响表现在混凝土表面和钢筋的损伤钢筋和混凝土之间的粘结性退化,不能更好的协同工作锈蚀钢筋混凝土柱的破坏又降低了钢筋的屈服强度,混凝土保护层脱落导致有效面积的减少钢筋粘结力降低,在计算时要予以考虑
4.2锈蚀钢筋混凝土耐久性评估建筑物的可靠性分析在腐蚀介质环境中通常有耐久性失效模式控制可以将混凝土构件的承载能力与构件的设计承载能力的比值作为锈蚀钢筋混凝土的耐久性评估指标,其值在0-1间,值越大承载能力和设计要求越接近,由于锈蚀引起的损伤也就越小5结束语目前,各个国家的不断增长所使用得混凝土数量,混凝土结构的耐久性所有国家都关注的问题,直接影响到人们的生活,甚至是生命安全从目前情况看,受腐蚀的钢筋是混凝土结构耐久性降低的主要影响,为实现建筑行业的蓬勃发展,必须采取科学有效的措施积极预防混凝土的钢筋锈蚀,保证整个混凝土结构的耐久性。