钢筋混凝土结构的耐久性退化机理与检测技术

1、钢筋混凝土结构的耐久性退化机理与检测技术    摘要：本文阐述了钢筋混凝土结构耐久性退化机理，比较了半电池电位法、混凝土电阻检测法、线性极化法和交流阻抗法等几种常用的检测方法。结果表明:半电池电位法可准确确定钢筋锈蚀区域，适合现场评定混凝土中钢筋锈蚀程度，线性极化法能相对可靠给出钢筋锈蚀速率，且简便易行，是目前较适合混凝土中钢筋锈蚀速率的检测方法。    关键词：耐久性退化 检测 锈蚀区域 锈蚀速率     钢筋混凝土结构的耐久性是指结构在设计基准期内，在各种力学和非力学因素

2、的长期作用下，不需要进行大量的加固处理而能保证其安全性和适用性的能力。耐久性退化过程就是因材料构成的稳定性和各种性能逐渐衰减和劣化，导致逐渐丧失承载力而结构失效的过程。在进行化工工程厂房设计过程中有很多老厂房、构筑物加固的案例。很多厂房腐蚀严重，梁、柱、板混凝土酥脆，钢筋外露，几乎达到危房的地步。很多的构筑物如管架、水池、塔体、设备基础等钢筋保护层脱落、钢筋外露，钢筋截面减少，不得不进行加固处理。在进行设计调研中发现90%的工矿企业的钢筋混凝土结构存在耐久性严重退化问题，30%的企业中部分厂房需要加固处理。其余行业的钢筋混凝土结构亦存在耐久性退化问题。本文针对土木工程领域较常见的钢筋混凝土结构

3、耐久性退化原因和检测技术进行一定的探讨。1 钢筋混凝土结构耐久性退化机理钢筋混凝土的耐久性性能劣化按其原因可以分为两大类：一类是由于混凝土材料自身的腐蚀、劣化所引起；另一类是由于混凝土内的钢筋的锈蚀所引起。基于混凝土材料自身的破坏按其机理的不同可以分为以下几种类型：浸析腐蚀、溶解性化学腐蚀、结晶膨胀性化学腐蚀、冻融循环、碱骨料反应等。1.1混凝土材料腐蚀1.1.1 浸析性腐蚀在岩土中水的长期作用下，混凝土材料中的氢氧化钙和其他一些可溶性物质可以从混凝土中浸析出来，不断溶出脱离水泥石结晶的格架，从而削弱水泥的胶结能力，使混凝土结构疏松，强度下降。1.1.2 溶解性化学腐蚀当岩土中的酸性物质含量较

4、高时，酸可以和混凝土中的氢氧化钙、水合硅酸钙、水合铝酸钙其反应，生成可溶性的钙盐，钙盐的溶解性越高，水泥石的破坏性就越大。土壤中的二氧化碳也能对混凝土产生腐蚀，因为二氧化碳与碳酸钙反应可以形成的碳酸根离子，反应方程式如下： CaCO3+CO2十H2O=Ca2+2HCO3      （1）                                1.1.3 结晶膨胀性化学腐

5、蚀这种腐蚀主要是硫酸盐侵蚀，硫酸根离子可以和水泥中的水化铝酸钙发生反应，生成钙钒石。反应方程式如下：  3CaO·A12O3·6H2O+3Ca2+3SO42-+26H2O=3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O （2） 4CaO·A12O3·14H2O+2Ca2+3SO42-+19H2O=3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O+2OH- （3） 4CaO·A12O3·19H2O+2Ca2+3SO42-+14H2O=3CaO·Al2O3

6、83;3CaSO4·32H2O+2OH- （4）硫酸盐侵蚀混凝土的另一个方面就是硫酸根离子与水化硅酸钙反应，水化硅酸钙转变为石膏，改变了水泥的成份，引起混凝土结构的破坏。      2CaO·SiO2·1.17H2O+2SO42-+2.83H2O=2(CaSO4·2H2O)+H4SiO4+4OH-   （5）石膏中含有2个结晶水，钙钒石中含有32个结晶水，其体积与反应前相比增加了两倍多。由于体积膨胀，在混凝土内部产生膨胀力，造成混凝土开裂、强度降低。1.1.4 冻融循环混凝土中饱和水结

7、冰造成的冻融循环侵蚀是混凝土性能劣化的普遍形式。在有91.7%的混凝土孔隙充满水时，水结冰时就会产生内膨胀应力。这种内膨胀应力引起混凝土孔壁中的拉应力，造成混凝土内部的开裂，具体现象是混凝土浆体的破裂、放射状裂纹或地图状裂纹和胀崩现象。1.1.5 碱集料反应碱集料反应的最主要方式是混凝土原材料中的碱性物质和集料中的活性二氧化硅之间的碱硅反应。混凝土中的碱离子（Na2O和K2O）主要由水泥引入，在有水的条件下，碱离子和活性二氧化硅反应生成一种含碱金属的硅凝胶，其具有强烈的吸水膨胀能力，在其形成和成长过程中，常常造成体积膨胀，这种膨胀所产生的应力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土内部产生微裂纹，严重时

8、造成混凝土大面积出现网状裂纹。1.2 钢筋腐蚀的电化学机理钢筋的腐蚀机理是因为在钢筋表面不同区域形成电位差，铁元素的电位较低（负值）且较活泼，碳元素的电位较高（正值）且较安定，在原始条件下，因没有电解液存在其间，所以它们是基本稳定的。当有电解液侵入其间后，每一个晶体都变成了一个原电池，其中铁是负极、碳是正极。铁原子外层的两个电子通过电解质向碳原子运动，使两者的电位最终达到基本相当，其结果是铁原子变成更为活泼的铁离子。这种方式引起的化学变化就叫做电化学反应，它是混凝土中钢筋腐蚀的根本原因。钢筋电化学反应中生成的物质就是铁锈，造成结构钢筋断面面积的减损。在阳极的反应为：  &#

9、160; 一旦钢筋表面有氢氧化铁生成，它下面的铁就成为阴极，促进腐蚀进一步发展。随着时间的推移，腐蚀生成的Fe(OH)3会进一步变化，一部分失水后生成FeOOH (氢氧氧化铁)，一部分因氧化不充分而生成Fe3O4H2O。在钢筋表面形成更为疏松的腐蚀层。腐蚀物质的体积为铁的26倍，由于腐蚀层膨胀导致混凝土保护层开裂、剥落，使水分更容易进入，促使腐蚀加快发展。2 钢筋混凝土结构耐久性退化的检测技术2.1腐蚀混凝土性能检测技术2.1.1外观检测外观检测主要检测混凝土外表面的外观状态，包括构件的外观尺寸、表面有无腐蚀状的斑点或蚀坑、构件表面是否已出现裂缝以及裂缝的宽度等方面，根据混凝土外观检测可初步判

10、断混凝土受腐蚀的严重程度。2.1.2 强度检测  对普通混凝土的强度测定方法有钻芯法、拔出法、压痕法、回弹法、超声法、超声脉冲法、超声回弹综合法、声速衰减综合法、射线法等许多方法。但是通过研究发现，对于腐蚀钢筋混凝土结构，钢筋腐蚀产物渗透到混凝土中，在钢筋外围混凝土胀裂之前，由于混凝土内部孔隙率降低，混凝土致密性增强，可以使混凝土强度一定程度上提高。只有当混凝土由于腐蚀锈裂损伤内部出现较大的裂缝时，混凝土中致密的水泥石结构受到破坏后，混凝土强度才会降低。2.1.3 锈蚀混凝土损伤位置与损伤区域的动力测量没有出现明显顺筋开裂的锈蚀混凝土结构，要确定其锈蚀损伤位置和锈蚀损伤区域，一般采用

11、共振法测定其锈蚀状态阻尼系数和自振频率，通过已经掌握的频率测量值和钢筋混凝土梁的     原始技术资料，对钢筋的锈蚀位置、锈蚀程度等参数进行识别。2.2钢筋腐蚀速度的无损检测    对钢筋腐蚀的正确检测与评价可以对构件的剩余使用寿命和可能的维修提供十分重要的数据和建议，是工程加固设计的前提。常用的非破损检测方法有分析法、物理法和电化学方法。分析法根据现场实测的钢筋直径、保护层厚度、混凝土强度、有害离子的浸入深度及其含量、纵向裂缝宽度等数据，综合考虑构件所处的环境情况推断钢筋腐蚀程度；物理方法主要通过测定钢筋引起电阻、电磁、热传导、声波

12、传播等物理特性的变化来反映钢筋腐蚀情况，主要方法有电阻棒法、涡流探测法、射线法、红外线热像法及声发射探测法等；电化学法是反映其本质过程的有力手段，与分析法或物理法相比，电化学方法还有测试速度快、灵敏度高、可连续跟踪和原位测量等优点。混凝土中钢筋腐蚀的电化学检测方法主要有半电池电位、交流阻抗谱技术和极化测量技术、混凝土电阻法等。2.2.1半电池电位法混凝土中钢筋上的钝化和腐蚀区域会形成一个小型宏电池，这个宏电池的开路电位大约600mV，它们之间的腐蚀电流由钢筋中的电子和混凝土中的离子产生。电场中的电流随阳极到阴极之间电位的改变而不断形成（见图1）。处于不同电化学状态的钢筋，其腐蚀电位是不同的。钢筋在钝化时，其腐蚀电位升高，而由钝态转入活化态时，其腐蚀电位降低，据此，可以判断钢筋的腐蚀状态。半电池电位法是通过测定钢筋电极