混凝土中钢筋腐蚀与防护.doc

精品文档引言混凝土中钢筋锈蚀已成为世界关注的大问题，被认为是当今影响混凝土结构耐久性的首要原因。钢筋锈蚀已经或正在给国民经济带来巨大经济损失。基于此，美国总结正反两个方面的经验教训，提出了“立足前期措施，着眼长远效益”，并强行实施基建工程管理中的“全寿命经济分析法”(LCCA)。目前，我国正处于基本建设高潮时期，国内外的经验教训应认真吸取，这已不是单纯技术问题。一、 钢筋腐蚀危害与对混凝土的破坏作用1、钢筋锈蚀危害与经济损失世界一些国家的腐蚀损失，平均可占国民经济总产值的2%4%；其中，被认为与钢筋腐蚀有关者可占40%(至今我国尚无确切统计数据)。美国1984年报道，仅就桥梁而言，57.5万座钢筋混凝土桥，一半以上出现钢筋腐蚀破坏，40%承载力不足和必须修复与加固处理，当年的修复费为54亿美元；1998年报道钢筋混凝土腐蚀破坏的修复费，一年要2?500亿美元，其中桥梁修复费为1?550亿美元(是这些桥初建费用的4倍)；还有报道说，到本世纪末，美国要花4?000亿美元用于修复和重建钢筋腐蚀破坏的工程。如此巨大的经济投入，引起美国朝野人士的震惊与高度重视，并制定法律法规，限制腐蚀破坏的发生和挽回部分经济损失。加拿大早期大量使用“防冰盐”，使钢筋混凝土桥梁等破坏严重。欧洲、英国、澳大利亚、海湾国家等，都有以氯盐为主的钢筋腐蚀破坏问题(英国修复费为每年50亿英镑)。韩国曾发生一系列建筑物破坏、倒塌事件，其中也与“盐害”有关。我国台湾重修澎湖大桥和不断发生的“海砂屋”事件，也是氯盐腐蚀钢筋所造成的。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。而来自海洋环境和使用“防冰盐”中的氯盐，又是造成钢筋锈蚀的主要原因。当然，混凝土中性化、冻融等也促进钢筋腐蚀破坏。此外，“碱集料反应”也在钢筋混凝土破坏中占一定的比例(本文暂不讨论)。我国海港码头不能耐久，北方使用化冰盐，桥梁道路遭破坏。以北京立交桥为例，仅使用19年的西直门立交桥(已重修)，钢筋锈蚀破坏十分明显与严重。我国存在着广泛的腐蚀环境，北方地区使用化冰盐有增无减，而桥梁道路却未采取应有的防护措施(甚至“规范”中无防盐腐蚀要求)；我国海岸线很长，而大规模的基本建设大都集中于沿海地区，以往的海港码头等工程，多数达不到设计寿命要求；特别是沿海一带河砂已呈短缺现象，滥用海砂则其害无穷；我国还有广泛的盐碱地(石油基地)，其腐蚀条件更为苛刻；特别应该指出的是，我国工业环境中的建筑物，其钢筋锈蚀破坏十分普遍与严重，有调查报告表明，大多数工业建筑达不到设计寿命的年限，目前正在进入大规模修复的时期。因此，我国钢筋锈蚀破坏的形势是严峻的。“立足前期措施、着眼长远效益”，这是美国经过正反两个方面的经验教训所得出的可贵结论。美国正在强行实施基建工程管理中的“全寿命经济分析法”(LCCA)，其基本思想是，在设计施工阶段，不论是事先采取防护措施还是以后“坏了再修”，都要做出经济预算和比较，承建者要对工程的“全寿命”负责到底，这样可避免“短期行为”给后人带来的麻烦与巨大经济损失。“全寿命经济分析法”中曾有以下例举：工程处在氯盐腐蚀环境中，钢筋混凝土结构物设计寿命为40年，前期实施措施(采用钢筋阻锈剂)，附加费用为0.85美元/m2(混凝土面板)；若前期无措施，则1520年开始修复，40年内累积费用为4.8美元/m2(5倍于前者)。可见，推行“全寿命经济分析法”和倡导工程前期(设计、施工阶段)采取防钢筋腐蚀的措施，已经不是单纯的技术问题，其重大意义和长远经济效益是不可低估的。2、钢筋腐蚀破坏的主要表征混凝土中的钢筋一旦具备了腐蚀条件，锈蚀便会发生和发展。钢筋锈蚀是一个电化学过程，由铁变成氧化铁，其体积发生膨胀，根据最终产物的不同，可膨胀27倍。钢筋锈蚀破坏的主要破坏特征可归纳为：(1)混凝土顺钢筋开裂混凝土具有较好的抗压性能，但其抗折、抗裂性差，尤其钢筋表面混凝土缺乏足够的厚度时，钢筋锈蚀产物体积发生膨胀，足以使钢筋表面发生混凝土顺钢筋开裂。大量试验研究和工程实践表明，钢筋表面锈层厚度很薄时(如2040m)，便可导致混凝土顺钢筋开裂。换言之，钢筋锈蚀导致混凝土开裂是容易发生的。设计、施工、使用、管理及维护人员，认识到这一点十分重要。欲使混凝土不发生顺钢筋开裂，提高结构物的耐久性，其着眼点就是要最大限度地阻止钢筋生锈，而不应立足于锈蚀发生后再采取补救措施。混凝土一旦发生顺钢筋开裂，腐蚀介质更容易到达钢筋表面，钢筋锈蚀的速度将会大大加快。研究和工程实践表明，这时钢筋锈蚀的速度，有可能快于裸露于大气中的钢筋。这是由于裂缝处更易促成电化学腐蚀的发生和发展。由此引出两个重要观念：一是要阻止钢筋生锈，二是钢筋锈蚀一旦发生或初见混凝土顺钢筋开裂时，就立即采取防护措施。这是被提高了的新认识，对于防钢筋锈蚀破坏、提高结构物的耐久性具有重要指导意义，更具有巨大经济价值。(2)“握裹力”下降与丧失初见混凝土发生顺钢筋开裂时，结构物物理力学性能、承载能力等，可能还没有发生明显变化(这是人们不重视初始顺钢筋开裂的重要原因之一)。然而，随着裂缝的不断加宽，混凝土与钢筋之间的粘结力(握裹力)也随之下降(下降速度取决于钢筋锈蚀速度)，滑移增大，构件变形。当“握裹力”丧失到一定限度时，局部或整体失效便会发生。这时的钢筋锈蚀程度也并不一定十分严重。那些对“握裹力”敏感的构件，更具重要性。(3)钢筋断面损失混凝土中钢筋锈蚀，一般分为局部腐蚀(如坑蚀)和全面腐蚀(均匀腐蚀)，常常是局部腐蚀为主而造成钢筋断面损失，其损失率达到极限时，构件便会发生破坏。应该说明的是，从钢筋锈蚀、混凝土顺钢筋开裂到构件破坏，是一个复杂的演变过程，不仅取决于钢筋锈蚀的发展速度，也取决于构件的承载能力及钢筋的受力状态等。故有时钢筋锈蚀并不十分严重，构件就破坏了，而有时钢筋出现明显的断面损失，构件却还在支撑着(有些人认为“钢筋锈蚀无大妨害”就是依此为证)。对于钢筋断面损失与构件承载能力之间的关系，尚待进一步研究。(4)钢筋应力腐蚀断裂处在应力状态下的钢筋(包括预应力)，在遭受腐蚀时有可能发生突然断裂。世界上曾发生过此类事故，如钢筋混凝土桥梁突然倒塌，建筑物突然断裂等。柏林议会大厦屋顶突然塌落，即与钢筋应力腐蚀断裂有关。应力腐蚀断裂可在钢筋未见明显锈蚀的情况下发生，断裂时钢筋属于脆断。这是“腐蚀”与“应力”相互促进的结果：应力可使钢筋表面产生微裂纹、腐蚀沿裂纹深入、应力再促裂纹开展。如此周而复始，直到突然断裂。这是一种危险的形式，应引起重视。此外，应力腐蚀断裂与环境介质有关。3、混凝土质量与钢筋锈蚀应该指出，钢筋混凝土过早破坏(或称耐久性不足)多半是综合因素造成的，在任何情况下工程质量都是首要的。而工程质量又取决于正确设计、良好施工、精心管理与维护等。在腐蚀环境中，不采取防护措施或措施不当，更是导致钢筋腐蚀破坏过早出现的原因。而混凝土工程质量不佳，则防护措施也难以奏效。钢筋首先是受混凝土保护的，因此，混凝土质量对防止钢筋腐蚀是至关重要的。3.1设计与规范我国相关设计规范，多以混凝土“抗压强度”为主要甚至唯一标准，而混凝土对钢筋的保护能力，主要取决于“密实性”和钢筋表面混凝土层的厚度。实践中“抗压强度”与“密实性”并不是同步关系，在一定条件下，甚至“超强设计”也未必能实现对钢筋的良好保护。新近修订的相关设计规范中，已引入“耐久性设计”的观念(与国际接轨)，这是提高混凝土对钢筋保护能力的重要方面。设计者除了强化“耐久性设计”的观念外，还要根据结构所处的腐蚀环境的严酷程度，采取相应的防钢筋锈蚀的技术措施，才可实现结构耐久的目的。以往，人们对于钢筋锈蚀危害及混凝土耐久性认识不足、相关规范的欠完善和“修标”滞后，在一定条件下没有采取相应的防钢筋锈蚀的技术措施等，是造成已有结构物过早出现钢筋锈蚀的原因之一。3.2施工质量钢筋混凝土工程施工质量的重要性是不言而喻的，已有工程的实践表明，钢筋过早的出现腐蚀破坏，大多与混凝土质量欠佳有关。工程施工质量与众多人为因素密不可分(这里暂不讨论)也有一些技术问题没有得到很好的解决。如微裂纹与宏观缺陷，似在施工过程中是很难完全避免，这就对钢筋保护不利；又如，目前特别强调建设速度，设法使混凝土“早强”，其结果使“密实性”得不到保证，长期强度与耐久性受到不良影响。总之，施工质量对于保护钢筋、保证结构物的耐久性，在任何情况下都起着关键作用。3.3原材料3.3.1水泥水泥水化的高碱度，使钢筋表面形成钝化膜，这是混凝土之所以能保护钢筋的主要依据与基本条件。任何削弱或丧失这个条件的因素，都将促进钢筋锈蚀、影响混凝土的耐久性。混凝土的高碱度，主要来源于水泥水化产物中的氢氧化钙和少量氢氧化钠、氢氧化钾(pH12.6)。钾、钠离子含量高时，能刺激“碱集料反应”，因此，限制其含量十分必要。然而，认为“水泥碱度越低越好”的看法，也是十分有害的。在为避免“碱集料反应”而寻求“低碱度水泥”的同时，切莫忘记，长期保持混凝土的高碱度(至少pH11.5)，是钢筋得到保护的起码条件，也是保证混凝土耐久性的关键问题之一。碱度过低的水泥，对于钢筋混凝土应限制使用，或使用时同时采取防腐蚀技术措施(如用耐腐蚀钢筋、涂层钢筋、掺钢筋阻锈剂等)。3.3.2海砂由于海砂含有不等量的氯离子，能够刺激钢筋锈蚀，我国相关规范不推荐或严格限制使用海砂。这是完全必要的，国内外滥用海砂造成的危害不乏实例。从另一个角度讲，海砂也是可利用资源，日本即是成功开发利用海砂的国家之一，主要是同时采取防氯离子腐蚀的技术措施(如掺加钢筋阻锈剂等)。在我国，如日本那样严格而合理地开发利用海砂资源已提到日程上来(据悉宁波地区已经发布文件，采取加钢筋阻锈剂等措施后开放使用海砂)。总之，严格界定海砂的使用，是我国建设中面临的新问题，意义重大。3.3.3掺合料、外加剂各种掺合料(粉煤灰、矿渣等，用于改善水泥性能，降低成本)，正在大力发展中。凡是能提高混凝土密实性、增强对钢筋保护能力者，均有利于结构物的耐久性；然而，一些掺合料能降低混凝土的碱度和碱储量，这是不利于对钢筋的保护的，甚至可引起钢筋腐蚀(与掺合料的性质、掺加量等有关)。这一点应该引起重视，在掺合料的研究和应用中，考虑其对混凝土作用的同时，必须考虑到对钢筋的影响。我国混凝土外加剂种类繁多，特别是含氯盐的早强、防冻剂，已经给我国一批建筑物带来严重的钢筋腐蚀危害(包括国家级重要建筑物)。尽管已经有使用限制规定，但此类工程事故仍时有发生。含硫酸盐的外加剂种类更多，硫酸盐也刺激钢筋腐蚀(不及氯盐明显)。国外研究表明，许多外加剂在短期内能改善和提高混凝土的某些性能，但对其长期耐久性并无改善，甚至明显降低其耐久性。在我国，通过不适当使用外加剂引发的问题，是影响钢筋腐蚀和混凝土耐久性的一个重要方面。二、混凝土对钢筋的保护及钢筋腐蚀的电化学性质1、混凝土对钢筋的物理化学保护作用1.1混凝土对钢筋的物理保护作用混凝土将钢筋完全覆盖，在一定时期内，将钢筋与外界环境隔离。这样，钢筋在相对干燥(如相对湿度低于65%)和缺乏腐蚀性离子的条件下，钢筋可保持不锈状态。应该说，这种单纯的物理隔离作用是很难长期保持的，因此其保护作用也是有限的。1.2混凝土对钢筋的化学保护作用水泥水化过程中，可产生一定量的氢氧化钙(对于普通硅酸盐水泥可达8%15%)。氢氧化钙的溶解度很小，通常以固体形式存在。然而，它能使混凝土保持高碱度(液相pH12.5)在有钠、钾离子存在时，其碱度还要高些(如pH12.5)。钢铁(包括钢筋)在高碱度环境中是不会腐蚀的，这是由钢铁的本性决定的。为说明此问题，现引用世界著名腐蚀学家布拜(M.Pourbaix)教授提出的电位-pH图(图1)来进一步解释。该图以铁的电位为纵坐标，以pH为横坐标，绘制了Fe-H2O体系的二元平衡图。在铁的腐蚀过程中，电位是控制铁的离子化过程的因素，而水溶液的酸碱度(pH)则是控制腐蚀产物稳定性的因素。图中对应于一定电位与一定pH的交叉点，即表示铁、铁离子或氧化物所处的热力学最稳定的形态。如在a点(酸性)，Fe+是热力学最稳定的形态，即铁在酸性介质中是热力学不稳定的，它有转变为Fe+的原动力。腐蚀过程就是铁变成铁离子的过程，因此，通常钢铁是不耐酸的；若处在b点(高碱性)，Fe2O3是热力学最稳定的形态，即Fe+是会转化成Fe2O3的，当这层铁的氧化物完全覆盖在铁表面时，将铁与水介质隔离，铁的腐蚀便停止了。这就是在高碱性环境中耐腐蚀的原因。国内外研究与实践均表明，混凝土的高碱度对于保护钢筋和保持结构物的耐久性，都是极端重要的。研究表明，当pH9.88时，钢筋表面的氧化物是不稳定的，即对钢筋没有保护作用；当pH处在9.8811.5之间时，钢筋表面的氧化膜不完整，即不能完全保护钢筋免受腐蚀；只有当pH11.5时，钢筋才能完全处于钝化状态。因此，混凝土对钢筋的保护作用，与其说是物理保护作用不如说是化学保护作用，也就是说，混凝土的高碱度，是保护钢筋不锈蚀的最重要的条件，通常将pH11.5称作保护钢筋的“临界值”。应该说明，上述“临界值”并不是一成不变的，如当有氯离子存在时，图2中的“腐蚀区”，甚至在更高的碱度下钢筋也会腐蚀。众所周知，混凝土的“中性化”是引起钢筋锈蚀的原因之一，也是影响钢筋混凝土结构物耐久性的因素之一。所谓“中性化”，即是环境中的CO2、SO2、酸雨、工业酸性介质等，渗入混凝土中并与其含物质碱发生化学反应，这样“中和”的结果，降低了混凝土的碱度和含碱的数量。若使混凝土的pH低于“临界值”时，钢筋便会发生腐蚀。CO2的“中和”作用通常称作混凝土的“碳化”。国外已出现使混凝土重新恢复高碱度的新技术，对于“低碱度水泥”，若不能长期保持其pH高于“临界值”时，需采取掺钢筋阻锈剂等附加措施，目的都是为了使钢筋得到充分保护。混凝土保持适当的高碱度，不仅对于保护钢筋有意义，而且对于保持水泥水化产物的稳定性也是非常重要的。表1给出了水泥水化产物保持稳定最低碱度值，低于该“临界值”时产物便会分解。可以看出，当混凝土由高碱性逐渐向中性转移过程中，大部分水泥水化产物都有分解的可能，导致混凝土强度的降低和丧失。目前，我国正在努力降低水泥中的碱含量(K+、Na+)和研制、推荐使用“低碱度水泥”，同时大力倡导采用各种类型的掺合料，这是很有意义和十分必要的。但同时应该充分认识到，使水泥(混凝土)保持必须的碱度和碱储量Ca(OH)2，对于防止钢筋锈蚀、保证结构物的耐久性，其意义也是重大而深远的。表1水泥水化产物保持稳定所需要的最低碱度值(临界pH值)水泥水化产物临界pH值2CaO.SiO2.1.7H2O11.26CaO.6SiO2.H2O10.675CaO.6SiO2.5.5H2O10.02CaO.3SiO2.2.5H2O9.784CaO.Al2O3.19H2O8.153CaO.Al2O3.CaSO4.12H2O7.951.3混凝土保护钢筋之不足1.3.1物理保护性能之不足混凝土是水泥为胶结材、含砂子和石子的混合物。其中，水泥水化所形成的水泥石本身就是多孔结构，也就是说它具有可渗透的特征。水泥水化不完全、多余水的蒸发，也不可避免会在水泥石中形成孔隙、毛细管；水泥石和砂子、石子的界面上也会有孔隙生成。因此，水泥石、混凝土就其物理本质来说，即是一种多孔材料。混凝土制作、养护过程中，难免产生微观、宏观裂纹，如由温度、干缩、膨胀引起的裂纹；使用中在内力、外力作用下，也会有裂纹产生。因此，目前大量用于建筑中的混凝土，不可能做到完全密实，环境介质(水、气等)还是可以渗入其内的。只不过存在难、易和时间长短问题。高质量、高密实的混凝土，对于其内钢筋可能提供较好的物理保护(隔离环境)，但此作用是有限的，这是混凝土的多孔性本质所决定的。当然，最大限度地提高混凝土的密实性，在任何情况下都是重要的。1.3.2混凝土碱度的易失性(化学活性)混凝土的高碱性是保护钢筋的必要条件，而水泥水化产物中，最具活性、最不稳定的就是以氢氧化钙为主的“碱”(氢氧化钠、氢氧化钾含量少)。在与空气、水接触时会起化学反应，也可随水而流失。混凝土“碱”的损失速度，取决于混凝土内的碱储量、混凝土的密实性、环境介质条件等。对于孔隙率高、微观宏观裂纹多、质量差的混凝土，其碱度更易损失。因此，密实的混凝土，不仅对钢筋提供好的物理保护作用，而且由于碱度不易损失，从而能对钢筋提供更好的化学(电化学)保护作用。混凝土中氢氧化钙Ca(OH)2的溶解度不高，通常以固体形式存在，在水泥石中起着一定的骨架作用。然而它毕竟有一定溶解度，在无离子水中一般为1.2g/L，当有Cl-、SO2-4、K+、Na+等离子存在时，其溶解度会大大提高。经常受到水浸(特别是盐水)而有干湿交替部位的混凝土，常见表面有“泛白”现象，其中就有Ca(OH)2的析出物(被碳化成碳酸钙)。北京一些立交桥(如西直门立交桥)，桥面板下方和接缝附近，可以见到大量这样的“泛白”物质，并可见明显的钢筋锈蚀破坏和混凝土表层粉化现象，这是由于常年撒盐或盐水(化冰雪)所引起的。另外，大气中的CO2与水泥石中的Ca(OH)2起化学反应，生成中性盐，即发生碳化反应：CO2+H2O=H2CO3H2CO3+Ca(OH)2=CaCO3+2H2O实际上，工业大气对混凝土的中性化作用，远大于碳化作用，尤其是污染严重的工业区。目前我国存在大面积“酸雨区”，主要是工业、汽车排放出的大量SO2、NO2、NO等酸性气体造成的：SO2+H2O+Ca(OH)2=CaSO3+2H2ONO2+H2O+Ca(OH)2=CaNO3+2H2O此外，工业污水、跑冒滴漏中的酸液、酸气，可直接中和混凝土中的碱，并同时破坏水泥石的其他组分，破坏更为迅速和严重。2、混凝土中钢筋腐蚀的电化学性质众所周知，构成腐蚀电池必须具备以下基本条件：(1)要有阴极、阳极和电位差；(2)要有离子通路(电解质)；(3)要有电子通路。钢筋混凝土在多数情况下满足钢筋腐蚀的电化学条件，同时具备腐蚀电池发展的条件。2.1混凝土中的腐蚀电池(1)宏电池：混凝土中形成宏观腐蚀电池的情况是经常存在的。不同金属连接时可构成“电池偶”。图3是不锈钢埋件与钢筋接触时的示意图。钢与不锈钢由于材质不同，在混凝土(介质)中具有不同的电极电位，二者之间存在电位差；混凝土中含有水分、潮气和各种离子(离子导电通路)；二者直接相连，构成电子通路。这样就具备了构成腐蚀电池的必要条件，因为钢的电位较低，故作为阳极而遭受腐蚀。同一钢筋混凝土构件处在不同环境中，也能构成宏电池。如半浸在海水中的钢筋混凝土柱子，水下与水上部分，由于氧的浓度差别很大，构成“浓差电池”。这正是大量海工结构物，水线部位腐蚀严重的原因之一。图3钢筋与不锈钢构成“宏电池”(2)微电池：大多数情况下，混凝土中钢筋腐蚀是微电池作用的结果。所谓“微电池”，就是在钢筋表面形成许许多多的微小电池(阴极与阳极)。首先，钢筋不是单一的金属铁，同时含有碳、硅、锰等合金元素和杂质，如前所述，不同元素处在相同或不同介质中，其电极电位也不同，即其间存在着电位差；混凝土中的介质(水等)构成离子通路；钢筋自身就是电子通路。完全具备了腐蚀电池的必要条件，更何况混凝土中不同部位其含介质的成分、浓度也各有不同，钢筋表面钝化膜的完整性不同，碱度不同或随时间而变化(如混凝土碳化)等，都是形成微电池腐蚀的条件。综上所述，混凝土中钢筋锈蚀，是腐蚀电池作用的结果。通常情况下是以大量微电池形式存在的，有时也发生宏电池腐蚀。一般的电化学反应表达式为：阳极反应：Fe-2e=Fe+阴极反应：O2+2H2O+4e4OH-综合反应：2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2(伴有电流)通常钢筋腐蚀产物是铁的氧化物，是Fe(OH)2继续氧化的结果。可生成2价或3价铁的氧化物与水化物(取决于氧的供给)。铁锈较元素铁体积胀大2.56倍(视锈的组成而定)，这是通常混凝土发生顺钢筋开裂的主要原因。2.2混凝土中钢筋腐蚀的动力学与速度混凝土中钢筋在许多情况下可具备“腐蚀电池”的条件，然而“腐蚀电池”的运作和发展，尚