海港工程钢筋混凝土结构的腐蚀机理与防腐对策

沿海钢筋砼结构的耐久性已受建筑界严重关注, 它受环境的腐蚀要比内陆严重的多。除海洋本身属于强腐蚀环境因素外相关的砼结构耐久性标准偏低、施工质量不能保证等因素, 致使我国混凝土结构大部分在使用10年左右即出现较严重的腐蚀破坏, 造成巨大的损失。如何采取有效的防腐措施、防止钢筋砼结构过早出现腐蚀破坏、确保建筑物达到预期寿命是学术界和工程界关切热点。

1 钢筋混凝土腐蚀破坏的主要特征

(1) 混凝土顺钢筋开裂。混凝土具有较好地抗压性能, 但其抗折抗裂性差, 尤其混凝土保护层缺乏足够的厚度时, 钢筋锈蚀产物体积发生膨胀, 使钢筋表面发生混凝土顺钢筋开裂。砼一旦发生顺钢筋开裂, 腐蚀介质更容易到达钢筋表面而加速钢筋锈蚀。

(2) “握裹力”下降与丧失。混凝土开裂后, 随着裂缝的不断加宽, 砼与钢筋之间的粘结力也随之下降, 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。

(3) 钢筋断面损失。砼中钢筋锈蚀分为局部腐蚀 (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, 达到极限时, 构件便发生破坏。

(4) 钢筋应力腐蚀断裂。处在应力状态下的钢筋, 在遭受腐蚀时有可能发生突然断裂。

2 混凝土结构腐蚀机理

2.1 混凝土腐蚀

砼的腐蚀破坏是因其直接暴露在使用环境中, 在各种外部物理、化学作用及材料内部因素的作用下, 砼内的某些成分发生反应、溶解和膨胀, 而降低或失去自身工作能力的性能, 引起结构耐久性的失效, 原因如下。

2.1.1 冻融破坏

混凝土材料本身为毛细孔多孔体, 由于外界气温正负变化, 吸水饱和的混凝土孔隙中的水会在内部结冰膨胀, 引起混凝土开裂和剥落。在反复发生冻融循环后砼中的裂缝会互相贯通, 其强度逐渐降低直至完全丧失。砼的冻融破坏与组成砼的主要材料性质、外加剂和施工工艺有关。

2.1.2 碱-集料反应

碱-集料反应一般是指水泥中的碱和集料中的活性成分发生反应, 生成硅胶体吸水产生膨胀压力, 从而引起砼开裂。砼结构一旦发生碱一集料反应出现裂缝后, 会加速空气、水、二氧化碳等介质的侵入, 加速砼的其他破坏, 最终造成砼工程的综合性破坏。

2.1.3 碳化

砼的碳化是指砼暴露环境中的酸性气体 (如二氧化碳或碳酸) 渗透进砼中, 与砼中的碱性物质相互作用的多项物理化学过程。碳化会使砼的脆性增大, 也会使砼中钢筋脱钝而锈蚀。

2.2 钢筋腐蚀

砼中的钢筋处于高碱度的环境中, 使钢筋表面形成一层十分致密的钝化膜 (Fe3O3或Fe2O3) , 对钢筋起到保护作用。当钢筋表面碱性降低时, 钝化膜遭到破坏而开始锈蚀。砼中钢筋腐蚀是一种电化学过程, 产生腐蚀产物Fe (OH) 3, 产生的膨胀力使钢筋周围砼承受的拉应力超过混凝土抗拉强度时就会产生顺筋裂缝, 引起砼保护层剥落, 而保护层剥落和裂缝又加剧钢筋锈蚀, 影响砼构件的使用性能。钢筋钝化膜遭受破坏有砼的碳化、氯离子的侵蚀两种原因。

(1) 混凝土的碳化。

碳化会降低砼的碱度, 使其中性化, 破坏钢筋表面的钝化膜, 使砼失去对钢筋的保护作用。对于海工混凝土结构来说由于砼保护层要求较厚, 碳化往往不是引起钢筋腐蚀的主要原因。

(2) 氯离子的侵蚀。

氯盐广泛存在, 是最危险的腐蚀介质氯盐腐蚀是砼破坏的最主要因素之一, 氯离子引起钢筋锈蚀的机理如下。

(1) 破坏钝化膜。氯离子渗入混凝土并吸附于钢筋表面钝化膜处, 达到一定浓度时, 可使该处p H值迅速降低, 局部钝化膜开始破坏。

(2) 形成腐蚀电池。氯离子破坏钝化膜使钢筋局部表面露出了铁基体, 与尚完好的钝化膜区域之间构成电位差, 混凝土中的水或潮气作为电解质构成了一个腐蚀电池, 钢筋开始发生点蚀。

3 钢筋混凝土结构防腐措施

钢筋砼防腐是系统工程, 必须在设计、施工、使用等各个阶段进行。

3.1 砼的基本防护措施

砼的基本防护措施即是从设计、施工、制作等方面提高砼自身的防护性能。由于混凝土本身具有高碱性, 正确设计、施工的优质混凝土保护层本身具有长期防止环境介质渗透的功能, 因此, 尽可能提高混凝土本身对钢筋的防护功能是最经济、最有效措施。措施主要如下。

(1) 合理的结构设计。

砼结构形式应有利于防腐, 如构件截面几何形状应简单、平顺、减少棱角、突变和应力集中;混凝土表面应有利于排水;对处于腐蚀较严重部位和构件, 应考虑其易于更换的可能性。适当增加混凝土保护层厚度 (但不宜大于80mm) , 以延长侵蚀性介质渗透到钢筋周围达到破坏钝化膜临界值的时间。

(2) 选择优质原材料和优化砼配合比设计, 提高抗蚀能力。

如尽量减小水灰比提高混凝土的密实度。混凝土密实度高, 有利于提高抗渗性, 对侵蚀性介质的抗蚀能力增强;限制粗骨料的最大粒径, 减少粗骨料与水泥砂浆界面的不利影响;规定混凝土拌合物最低水泥用量, 确保混凝土具有较高的碱度;有抗冻要求时, 加人合适量的引气剂以提高混凝土的抗冻性;不得采用可能发生碱一骨料反应的活性骨料;严格限制砂、石、外加剂、拌合水等原料中的氯离子含量, 使符合规定。

(3) 采用高性能混凝土。

高性能混凝土是具有高耐久性、高稳定性、良好工作性及较高强度。高性能混凝土一般抗氯离子渗透性比普通混凝土提高数倍, 可显著提高砼护筋性能, 从根本上提高砼的耐久性, 从而延长结构物的安全使用寿命。

3.2 混凝土表面涂覆防护措施

采用混凝土表面涂覆防护措施有效地将混凝土与周围侵蚀性介质隔离开来或阻止有害介质的侵人, 也是一种有效的防护措施。

(1) 混凝土表面涂层。

该措施是在混凝土表面涂覆一层涂料, 形成一层隔离层制止氯离子、氧、水等介质渗人混凝土, 以延缓钢筋腐蚀。涂层防腐保护技术成熟、效果显著, 是海工砼防腐最经济有效的措施。

(2) 表面涂覆浸人型涂料。

浸人型涂料是一种粘度很低的有机硅化合物液体, 将它涂于风干的砼表面并吸人深约数毫米表层中, 与孔壁的氢氧化钙反应, 使毛细孔憎水化或者填充部分细孔。浸人型涂料能显著降低砼的吸水性, 使水和氯化物都难以吸进砼中, 从而显著地提高砼的护筋性。

3.3 钢筋防护措施

(1) 镀层钢筋和涂层钢筋。

镀层钢筋主要是镀锌钢筋, 利用锌的电位比铁低, 对钢筋施加阴极保护。涂层钢筋是指在钢筋表面制作涂层, 隔离钢筋与腐蚀介质的接触, 是采用静电喷涂工艺将涂层 (较普遍的是环氧涂层) 喷涂于表面处理过的预热的钢筋上, 形成具有一层坚韧、不渗透、连续的绝缘层的钢筋。它可以将钢筋与其周围的砼隔开, 即使氯离子、氧气等已大量侵入混凝土, 它也能长期保护钢筋使它免遭腐蚀。

(2) 钢筋阻锈剂。

砼拌和物中掺人适量阻锈剂, 可阻止或延缓金属和电解质界面的电化学反应, 从而阻止金属腐蚀, 是预防恶劣环境中钢筋腐蚀的一种有效的补充措施, 但掺加阻锈剂不能降低对砼保护层的基本要求。

(3) 阴极保护。

阴极保护技术是应用电化学原理, 通过给被保护钢筋加一负向电流, 即使钢筋表面氯离子已达到或超过使钢筋脱钝的临界值, 由于电化学腐蚀过程被有效抑制而使钢筋不会发生锈蚀。

随着我国经济建设的腾飞, 海工砼结构的质量和使用寿命要求也将越来越高, 我们可根据砼结构的特定使用环境, 分析可能出现的腐蚀情况, 在砼结构的设计、施工和使用等阶段合理地应用各种防腐措施, 是可以确保砼结构能达到预期使用寿命的。

摘要：介绍海工钢筋砼的腐蚀机理, 提出在结构设计、施工和使用各阶段如何合理的应用各种防腐措施。

关键词：钢筋砼,腐蚀机理,防腐对策