对钢混结构耐久性因素探究

时间：2015-12-20 23:51:59 所属分类：金属学与金属工艺 浏览量:

摘 要： 钢筋腐蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的首要因素,国内外对受腐蚀钢筋混凝土结构的性能已经做了一些研究。本文简介了钢筋的腐蚀过程、结构性能研究、钢筋混凝土锈蚀破坏及防护措施、如何提高混凝土的耐久性等并对需要重点加强研究的方面提出了建议。

摘　要： 钢筋腐蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的首要因素,国内外对受腐蚀钢筋混凝土结构的性能已经做了一些研究。本文简介了钢筋的腐蚀过程、结构性能研究、钢筋混凝土锈蚀破坏及防护措施、如何提高混凝土的耐久性等并对需要重点加强研究的方面提出了建议。

关键词：混凝土，腐蚀，钢筋，耐久性
前 言
　　钢筋混凝土结构是目前应用较广的结构形式之一。随着建筑物的老化和环境污染的加重，钢筋混凝土结构耐久性问题越来越引起国内外广大研究者的关注。在第二届国际混凝土耐久性会议上，Mehta教授指出：“当今世界混凝土破坏原因，按递减顺序是：钢筋腐蚀、冻害、物理化学作用”。他明确地将“钢筋腐蚀”排在影响混凝土耐久性因素的首位。
一、钢筋的腐蚀过程
　　钢筋的腐蚀机理钢筋的腐蚀过程是一个电化学反应过程。混凝土孔隙中的水分通常以饱和的氢氧化钙溶液形式存在，其中还含有一些氢氧化钠和氢氧化钾，pH值约为12.5。在这样强碱性的环境中，钢筋表面形成钝化膜，它是厚度为20~60的水化氧化物（nFe2O3·mH2O），阻止钢筋进一步腐蚀。因此施工质量良好、没有裂缝的钢筋混凝土结构，即使处在海洋环境中，钢筋基本上也不会发生腐蚀。但是由于各种因素，钢筋表面的钝化膜受到破坏，成为活化态时，钢筋就容易腐蚀。呈活化态的钢筋表面所进行的腐蚀反应的电化学机理是，当钢筋表面有水分存在时，就发生铁电离的阳极反应和溶解态氧还原的阴极反应，相互以等速度进行。其反应式如下阳极反应Fe–2e Fe2+阴极反应O2+2H2O+4e 4OH-腐蚀过程的全反应是阳极反应和阴极反应的组合，在钢筋表面析出氢氧化亚铁，该化合物被溶解氧化后生成氢氧化铁Fe(OH)3，并进一步生成nFe2O3·mH2O（红锈），一部分氧化不完全的变成Fe3O4（黑锈），在钢筋表面形成锈层。红锈体积可大到原来体积的四倍，黑锈体积可大到原来的二倍。铁锈体积膨胀，对周围混凝土产生压力，将使混凝土沿钢筋方向开裂，进而使保护层成片脱落，而裂缝及保护层的剥落又进一步导致更剧烈的腐蚀。
二、结构性能研究
　　对受腐蚀钢筋混凝土结构的研究方法主要是试验分析和有限元分析。试验分析中，腐蚀试件的模拟一是通过试验室试验，包括快速腐蚀试验（电化学腐蚀、加氯盐腐蚀等）和盐雾试验，二是长期自然暴露试验，三是替换构件法。有限元分析中，大多采用钢筋混凝土非线性有限元方法对受腐蚀钢筋混凝土构件进行非线性模拟。
　　钢筋腐蚀通常会改变正常配筋混凝土梁的破坏类型，框架梁一般为弯曲破坏，而受腐蚀梁很多情况下为剪切破坏。不论破坏形态是超筋梁的破坏还是少筋梁的破坏，结构的破坏形态都是从有预兆的塑性破坏变为无预兆的脆性破坏。随着纵筋腐蚀量的增加，钢筋混凝土梁的强度和刚度都在下降。
　　钢筋混凝土构件实际上都是处于工作状态，而构件在应力状态下的腐蚀与没有加载时有很大不同，其各方面的性能亦有很大改变。荷载对受腐蚀钢筋混凝土构件的影响是多方面的，加载历史和加载级别对腐蚀的发生和发展有明显影响，并影响混凝土中钢筋的腐蚀量，而腐蚀量反过来通过强度或刚度损失影响钢筋混凝土构件的适用性。
　　由于腐蚀使钢筋的截面尺寸、表面状况以及钢筋和混凝土之间的粘结等均发生了变化，腐蚀对钢筋混凝土结构动力性能的不利影响将更为严重。已有的试验表明，随着钢筋腐蚀量增加，钢筋混凝土构件的滞回曲线丰满程度和滞回环面积逐渐减小，表明构件耗能能力和延性降低。同时由于钢筋腐蚀程度的不均匀性，滞回曲线具有明显的不对称性．从骨架曲线看，腐蚀严重的构件承载力和刚度均降低较多，且达到极限荷载后平直段变短，延性降低。因此钢筋腐蚀对钢筋混凝土构件反复水平荷载作用下的恢复力性能有较大影响，在抗震设计中应予以考虑，以保证结构在地震作用下的安全。
三、钢筋混凝土锈蚀破坏及防护措施
　　1.钢筋混凝土锈蚀破坏
　　钢筋锈蚀是引起混凝土结构耐久性下降的最主要和最直接因素，目前对影响钢筋锈蚀的因素、锈蚀钢筋材料性能的变化、钢筋锈蚀的防护和检测等各方面均有较多的研究。
　　混凝土中钢筋的锈蚀破坏过程可分为三个阶段：阶段Ⅰ，从结构建成到钢筋表面钝化膜破坏；阶段Ⅱ，钢筋开始锈蚀，直到混凝土保护层出现顺筋开裂；阶段Ⅲ，钢筋加速锈蚀直到构件丧失承载能力。锈蚀的形式一般为斑状锈蚀，即锈蚀分布在较广的表面面积上。
　　2.防止钢筋锈蚀的主要措施
　　防止钢筋锈蚀的根本途径是减缓二氧化碳、氧、水等腐蚀因子通过混凝土保护层向钢筋表面渗透扩散的速度，以及防止氯离子在钢筋表面的积聚。
办法有两类：
　　第一类是采用防护材料或外部措施，如采用喷塑钢筋、钢筋表面涂锌、混凝土中掺加缓蚀剂、混凝土表面涂刷防护层、采用聚合物浸渍混凝土表层以及设置阴极保护设施等；
　　第二类是利用和加强混凝土保护层自身的保护功能，其措施主要有：确保保护层厚度，提高混凝土的密实性，控制混凝土拌和物中的氯盐含量。
　　总的来说，钢筋混凝土的锈蚀破坏是一个重要问题。探讨钢筋混凝土的耐久性的机理和失效概率，找出有效的防护措施，提高结构使用寿命，改进其维修办法等已成为当前钢筋混凝土学科中的一个重大研究课题。
四、提高混凝土的耐久性
　　1.掺入高性能减水剂
　　在保证混凝土强度等级、拌和物和易性的同时，尽可能减少用水量，降低水灰比，使混凝土的总孔隙，特别是毛细管孔隙率大幅度降低。
　　水泥在加水搅拌后，会产生一种絮凝状结构。在这些絮凝装结构中，包裹着许多拌和水，从而降低了新拌混凝土的黏聚性。施工中为了确保混凝土拌和物的和易性，就必须在拌和时相应地增加用水量，促使水泥石结构中形成过多的孔隙。当加入减水剂后，减水剂的定向排列，使水泥质点表面均带有相同电荷。在电性斥力的作用下，不但使水泥体系处于相对稳定的悬浮状态，还在水泥颗粒表面形成一层溶剂化水膜，同时使水泥絮凝状的絮凝体内的游离水释放出来，因而达到减少用水量的目的。研究表明，当掺入高效减水剂时，完全可以将水灰比降低到0.38以下从而消除毛细管孔隙。
　　2.掺入活性矿物掺料
　　混凝土的水泥石中水化物稳定性的不足，是影响混凝土耐久性的另一因素。在混凝土中掺入活性矿物的目的，在于改善混凝土中水泥石的胶凝物质的组成。活性矿物掺料（

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