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毕业设计(论文)-浅论钢筋锈蚀对建筑结构的危害及对策.doc
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1、2016届建筑工程管理专业毕业生论文(设计)课题名称:浅论钢筋锈蚀对建筑结构的危害及对策学生姓名:指导教师: 江南大学网络教育学院2016年2 月江南大学网络教育学院毕 业 论 文 (设 计) 姓 名校外学习中心无锡崇安职校学 号证 件 号批 次201403层 次业余专升本专 业土木工程指导教师王中华课题名称浅论钢筋锈蚀对建筑结构的危害及对策(终稿)指导教师评 语 终 稿 成 绩 :指导教师签名:年 月 日目 录第一章 钢筋锈蚀对钢筋混凝土的影响3.(一)混凝土中钢筋锈蚀的机理4(二)钢筋腐蚀过程5(三)钢筋锈蚀的影响因素61 混凝土碳化对钢筋锈蚀的影响62. 氯离子的侵蚀对钢筋锈蚀的影响7(
2、四) 钢筋锈蚀的其他影响因素81 混凝土方面82 其他方面9第二章 承载力分析9(一) 钢筋锈蚀会使强度降低和其截面积减小9(二) 钢筋锈蚀会使混凝土出现纵筋裂缝10第三章 钢筋锈蚀的防护10(一)阻锈剂的应用111 化学阻锈剂112 阻锈剂在混凝土中的应用12(二)电化学保护方法131电化学的几个方法132电化学方法的优缺点133 环氧涂层钢筋的应用134 旧城改造中混凝土的使用155 加强原材料的管理和混凝土质量检测16第四章 结论16参考文献17浅论钢筋锈蚀对建筑结构的危害及对策【摘 要】近年来的工程调查表明,钢筋混凝土住房因耐久性问题引起破坏的情况越来越多,其中钢筋锈蚀是混凝土结构耐久
3、性损伤的重要原因,钢筋锈蚀会使混凝土出现纵筋裂缝,严重时还会导致混凝土保护层的剥落,造成混凝土构件有效横截面积的减小,即造成几何损伤,故钢筋锈蚀所引起的横截面几何损伤对构件的承载力有很大的影响,开展对混凝土结构钢筋锈蚀的研究,特别是对钢筋锈蚀进行评估的研究显得尤为重要。【关键词】:混凝土;钢筋锈蚀 维修加固 笔者曾对连云港市墟沟区多个老住宅区的大量建筑物作过详细的调查,发现部分建筑物顶层的梁、柱、板等结构构件的钢筋锈蚀极为严重部分屋面板底筋已经锈断,导致屋顶渗水、混凝土保护层剥落和结构板变形,这些问题给住户带来使用上的不便和心理负担。近年来的工程调查表明,钢筋混凝土住房因耐久性问题引起破坏的情
4、况越来越多,其中钢筋锈蚀是混凝土结构耐久性损伤的重要原因,钢筋锈蚀会使混凝土出现纵筋裂缝,严重时还会导致混凝土保护层的剥落,造成混凝土构件有效横截面积的减小,即造成几何损伤,故钢筋锈蚀所引起的横截面几何损伤对构件的承载力有很大的影响,开展对混凝土结构钢筋锈蚀的研究,特别是对钢筋锈蚀进行评估的研究显得尤为重要。此外,由于钢筋的锈蚀程度比较严重,也给结构构件的维修加固带来不利的影响.一、钢筋锈蚀对钢筋混凝土的影响钢筋的锈蚀过程是一个电化学反应过程,有关的研究和实际情况表明,埋在混凝土中的钢筋锈蚀以后,其产生的体积是响应钢筋体积的2-4倍,因而会向四周过多膨胀;当锈蚀膨胀力达到某一临介数值时,混凝土
5、表面将开裂,而表面开裂又会进一步加剧结构钢筋的锈蚀1。钢筋混凝土结构由于材料层次原因、使用环境条件以及随着时间的递增,结构的受力性能会慢慢下降,从而承载能力也会渐渐下降,更进一步的影响结构的正常安全使用性能,缩短结构的使用寿命,对结构的耐久性造成很大的影响。当外界环境中的二氧化碳气体、氯离子等腐蚀介质侵入到混凝土内部时,很多时候造成了表层混凝土剥落开裂,其内部碱性大大降低,最后破坏钢筋表面的钝化膜,使钢筋发生锈蚀。当局部的钢筋发生锈蚀时,会和还没有开始锈蚀的钢筋形成腐蚀电池,在其他条件都具备的情况下进而扩大到整个结构的所有钢筋。锈蚀开始主要都是分布在钢筋的表层面上,形式一般为斑状锈蚀。(一)
6、混凝土中钢筋锈蚀的机理在自然界中,钢筋里的铁元素的稳定性不是很好,一般情况下都是以铁的氧化物形式存在于铁矿石中。混凝土中的钢筋锈蚀为电化学锈蚀,这种反应需要具备以下几个条件:阴阳两极、离子电荷以及闭合的电流回路,钢筋的锈蚀过程就是发生在这样一个条件都完全具备的腐蚀电池中。二氧化碳和氯离子对混凝土本身都没有破坏作用,但是这两种物质在钢筋钝化膜破坏的过程中起着非常重要的作用。混凝土结构所处的环境在实际工程中可以分为三种类型:1、干燥环境混凝土湿度分布情况大致是外面潮湿而内部干燥,电位最高的部分是顺筋裂缝处的钢筋,阴极是那些尚未受到锈蚀影响的深层次钢筋,其锈蚀速度会加快,这种腐蚀反应能够加速其他部位
7、也同样产生顺筋裂缝。因为混凝土电阻相对较大,作为腐蚀电池中的阴阳极钢筋表层作为孤立电极,面积较大从而导致锈蚀速率慢。2、表面湿润环境该环境的钢筋混凝土结构主要包括长期潮湿环境结构、处于雨季的暴露结构和频繁干湿循环环境等。如果结构构件存在着顺筋裂缝,其锈蚀的电化学特点为外部潮湿内部干燥,顺筋裂缝电位是最低的,尚未发生锈蚀处的钢筋作为阴极会加快此处的锈蚀速度,出现大阴极小阳极的明显特点,钢筋锈蚀速度会在一个很大的数值上继续再加速锈蚀。3、长期浸泡环境处于此环境的电化学锈蚀特点与表面润湿环境的情况基本相同,但是氧气浓度差别不大并且内外湿度相差也不是很大,从而使得不同部位钢筋的电位差也会较小。当顺筋裂
8、缝(二)钢筋腐蚀过程混凝土中钢筋锈蚀过程大致可分为下图几个阶段1.腐蚀孕育期开始浇筑混凝土直至混凝土碳化层已经接触到钢筋表面,或者说氯离子的侵蚀已经深入到混凝土内部钢筋表面,并开始对钢筋发生去钝化作用也就是钢筋锈蚀为止,这段时间以t0表示。2、腐蚀发展期氯离子侵蚀钢筋表面,钢筋开始发生锈蚀到混凝土的保护层表面因为受到钢筋的锈胀力而出现开裂、剥落等破坏,这段时间以t1表示。3、腐蚀破坏期因钢筋锈蚀而使得混凝土表面最后严重开裂、大面积剥落等严重破坏,到不得不经过全面大修为止,这段时间以t2表示。4、腐蚀危害期钢筋锈蚀的范围已经扩大到整个混凝土结构并遭受严重破坏,致使结构不再能够安全使用,这段时间以
9、t3表示。一般情况下,t0t1t2t3。(三)钢筋锈蚀的影响因素1混凝土碳化对钢筋锈蚀的影响钢筋锈蚀是造成混凝土结构耐久性损伤的主要因素,而一般情况下,混凝土碳化是钢筋锈蚀的前提条件。因此,研究混凝土碳化对混凝土结构耐久性评估具有重要的理论意义,混凝土碳化是影响钢筋混凝土结构耐久性的一个很重要的因素。一般情况下早期混凝土碱性很高,pH 值一般都会大于 12.5,在如此高碱环境中,钢筋会很容易发生钝化,在其表面形成了一层钝化膜,从而能保护钢筋不受锈蚀。然而当空气中的CO2和H2O从混凝土表面的细缝中深入进来时,与混凝土中的碱性物质发生中和反应,直接降低了混凝土的 pH 值。最终,钢筋表面的钝化膜
10、被直接氧化破坏,钢筋直接与其他物质接触,在条件都具备的情况下很容易发生锈蚀。钢筋的锈蚀又会导致混凝土保护层开裂,结构耐久性降低等不良后果。更甚,随着全球温室效应的影响加重,空气中二氧化碳的浓度也越来越高,大量处在暴露环境下的钢筋混凝土结构面临的碳化问题越来越严重。从上世纪六十年代开始,国际上一些发达国家就着手重视混凝土结构的耐久性问题,对混凝土碳化进行了大量的试验研究及理论分析。我国在此方面的研究起步比较晚,从八十年代开始才注重对混凝土碳化造成钢筋锈蚀问题的研究,通过多次调查实际混凝土工程、碳化模型试验来研究影响混凝土碳化的因素。经过近五十年的研究,国内外学者对混凝土碳化机理与影响因素已经有了
11、相当深刻的了解与认识,并在此基础上提出了很多关于碳化深度的计算数学模型,为更深入的研究混凝土中的钢筋锈蚀提供了理论基础。2. 氯离子的侵蚀对钢筋锈蚀的影响我国沿海边上的混凝土结构工程会长期受到海洋环境中氯离子侵蚀,结构中的钢筋锈蚀现象日益严重,很多海港码头完全达不到设计寿命的要求就不得不重新翻建。钢筋混凝土结构在使用寿命期间会遇到的各种暴露条件中,氯化物是其中最危险的侵蚀介质,它的危害非常之大且普遍存在。氯离子分布十分广泛,主要存在于除冰盐、工业环境、海洋环境、混凝土中的原材料、盐湖和盐碱池以及结构遭受火灾时的一些化学反应。一般情况下氯离子进入混凝土的途径主要有两种:其一是毛细吸附作用;其二是
12、自由氯离子的扩散作用。通常,氯离子是以几种方式侵入到混凝土中的。大部分情况下,氯离子的主要传输方式还是扩散作用。使用含氯离子的添加剂、搅拌混凝土是在含盐环境中、大气环境氯离子通过混凝土的表观缺陷侵蚀进入到混凝土,各种现象普遍存在。(四)钢筋锈蚀的其他影响因素1 混凝土方面不同品种的水泥对强度的形成、化学结合能力、抗冻性、抗渗性有相当大的差别。一般大气环境下,会优先考虑选用含碱量低和水化热较低的水泥,而不会选用早强的水泥。掺有添加剂的水泥制成的混凝土能够提高抵抗各种化学侵蚀的能力,防止钢筋快速锈蚀。国内外研究表明,混凝土中掺有粉煤灰等掺合料时,虽然使混凝土的碱性降低了,但同时又能提高混凝土的密实
13、度,使混凝土内部孔隙结构发生改变,有效地阻止外界环境中腐蚀介质等的渗入,这对防止钢筋锈蚀是非常有利的。综合考虑,可以认为在混凝土结构中掺入符合标准的粉煤灰不会影响混凝土结构耐久性,有时反而会提高。混凝土密实度决定了混凝土的抗渗能力,在环境较差的情况下可以提高混凝土的密实度。混凝土保护层厚度是混凝土结构抗腐蚀的关键因素,要适当的加大混凝土的保护层厚度利于构件的长时间使用。保护层对外界腐蚀介质、氧气和水分等渗入的阻止起着重要的保护作用。钢筋锈蚀速度与混凝土液相pH值也会有很大关系。当pH值大于10时,钢筋锈蚀速度很小,当pH值低于4的时候,钢筋锈蚀速度会快速增加。影响钢筋锈蚀很大的一个因素就是混凝
14、土中氯离子的含量。氯离子会在混凝土浇筑的时候随着外加剂的添入而进入到混凝土内部,进而破坏钢筋的保护膜,造成钢筋局部锈蚀。一般情况下,钢筋混凝土结构中的氯盐掺量尽量不大于水泥重量的1%,而且浇筑混凝土结构必须完全振捣密实。对其不宜采用蒸汽养护,不然会加重钢筋的锈蚀程度与速度。2 其他方面钢筋材质好的金相组织比较均匀,钢筋本身的防锈蚀能力就会比较强。另一方面,混凝土结构的实际承载能力由钢筋的型号大小所决定,它也会制约着在混凝土结构中的布置情况,从而影响结构耐久性。选取合适的钢筋型号对承载能力和耐久性都有着大的影响。钢筋的应力状态也对锈蚀起着很大影响,因为应力腐蚀破坏性会显得更大,它与钢筋的蚀坑或者
15、钢筋均匀锈蚀又会有本质上的不同,而且是以裂缝的形式出现,最后不断受到腐蚀直至被完全破坏,最重要的是这种破坏是脆性破坏,在破坏之前是没有任何征兆出现的。很多实际调查结果表明,在环境干燥且不存在大量腐蚀介质情况中,混凝土结构的使用寿命要比在潮湿环境及腐蚀介质中使用要长两倍以上。二、承载力分析相当多的建筑案例表明,锈蚀构件的承载力降低较大,其主要影响因素可归纳如下:(一)钢筋锈蚀会使强度降低和其截面积减小钢筋锈蚀不仅使其横截面积减小,而且会使钢筋的屈服强度和极限强度有不同程度的降低,这是导致构件承载力降低的原因之一2。(二)钢筋锈蚀会使混凝土出现纵筋裂缝 钢筋锈蚀会使混凝土出现纵筋裂缝,严重时还会导
16、致混凝土保护层的剥落,造成混凝土构件有效横截面积的减小,即造成几何损伤,故钢筋锈蚀所引起的横截面几何损伤对构件的承载力有很大的影响。 钢筋锈蚀会使粘结强度降低,因而在承载力计算时应充分考虑粘结力的影响3,粘结力丧失后,可能会使受拉钢筋不能充分发挥作用,使受压钢筋过早压屈,降低构件的承载力。 目前的钢筋混凝土耐久性研究中,钢筋锈蚀通常多指纵向钢筋,而实际上箍筋首先锈蚀,尤其是纵筋与箍筋锈蚀更为严重,当纵筋锈蚀截面积损失率在5%-10%范围内时,已有很多箍筋锈断。箍筋锈蚀不仅直接影响到构件的抗剪承载力,而且对受压构件的承载力也有间接的影响4,因为锈蚀的箍筋不仅不能有效地约束混凝土使其强度提高,反而
17、会因锈蚀膨胀力引起保护层的疏松剥落。三、 钢筋锈蚀的防护在所有对混凝土耐久性影响的因素中,钢筋锈蚀对混凝土结构造成的危害是最大的。钢筋锈蚀对全世界混凝土工程造成的直接经济损失超过上千亿美元。我国从前几十年到后几十年都一直在注重交通的高速发展,兴修土木,随着时间的推移,每年的钢筋锈蚀情况也是越来越严重。如今急切的需要投入大量科研力量、资金来研发钢筋锈蚀该如何预防。实际工程中应该高度重视,在经过多方面的努力后,提出了相应的一些措施来减小危害。在钢筋材质方面可采取环氧涂层钢筋、镀锌钢筋和耐蚀合金钢筋等;在混凝土外加剂方面可以使用钢筋阻锈剂、硅灰等;在设计方面,可通过选材、结构设计、水灰比、混凝土保护
18、层厚度和排水系统来进行防护;在施工方面,可严格按照施工规范来进行施工、进行温度与裂缝的控制等;在电化学方法方面,可采取阴极保护和电化学除盐等,应尽一切可行性方法来防护钢筋的锈蚀。(一)阻锈剂的应用面对钢筋锈蚀的严重问题,多年来,人们一直在研究能否找到一种阻止钢筋锈蚀或者至少能将腐蚀速率降低到一定程度来使得钢筋混凝土结构达到设计所需使用年限要求的物质。人们从事了大量研究实践,想采取一切可能采用的方法来延长混凝土结构的使用寿命,包括施工选材、钢筋涂层保护、替换钢筋材质、对混凝土表面作憎水处理、混凝土中加入火山灰等掺合料和在混凝土中添加阻锈剂等。上述诸多措施中,阻锈剂的使用能在很长一段时间里非常有效
19、的防止内部钢筋混凝土发生锈蚀。阻锈剂是能够阻止或者减缓内部钢筋锈蚀的一种化学物质,通常是掺入混凝土中来起到保护作用。近几十年来,很多工程领域都开始使用阻锈剂并获得了很大成功。另一方面,腐蚀反应过程中也会允许阻锈剂的参加,提高混凝土的抗渗性能够有效的阻止腐蚀介质进入到混凝土从而造成钢筋发生锈蚀,但是阻锈剂的使用与这种方式有本质上的差别,不管混凝土内的钢筋是否开始发生锈蚀,阻锈剂都可以在任何时刻发挥它阻止钢筋锈蚀的作用。也就是说,钢筋即便开始腐蚀,阻锈剂的作用可以相当于是在对混凝土结构进行补救。1 化学阻锈剂混凝土阻锈剂一般定义为一种通过降低钢筋腐蚀速率来实现对钢筋腐蚀过程进行干预的物质。阻锈剂被
20、成功的应用到很多工程方面,使用阻锈剂能有效解决混凝土内部钢筋的锈蚀问题。在很多使用阻锈剂的钢筋混凝土结构中,有很多的使用寿命都得到了显著提升。钢筋在中性和酸性条件下会发生腐蚀,其原因都是因钢筋表面缺少一层保护膜所致。钢筋表面被均匀地腐蚀,将导致钢筋所有表面都会产生腐蚀损耗。很多情况下阻锈剂的作用机理还不是很确定,所以对阻锈剂进行分类都是比较困难的。可将阻锈剂粗略的分成几类:吸附型阻锈剂;钝化剂;钝化促进阻锈剂;罩面层形成型阻锈剂。混凝土中掺加了阻锈剂后,如果能在钢筋表面生成沉淀物,则可以显著地影响到钢筋表面所发生的电化学反应。这种阻锈剂可以阻止氧化物到达钢筋表面,或是能减小钢筋的溶解速率。罩面
21、层形成型阻锈剂有很多种,它们都可以在钢筋的表面甚至是钢筋腐蚀产物的表面形成一层保护膜,从而降低腐蚀反应速率。2 阻锈剂在混凝土中的应用在混凝土拌合物中掺加或在混凝土表面涂阻锈剂可采取不同的方法。具体使用阻锈剂时不仅要考虑所能预测到的腐蚀危害程度,还要考虑阻锈剂的化学性质。如果要保证阻锈剂在混凝土中分散的均匀性,则应该在混凝土拌合物制备时将阻锈剂加入拌合水后一起搅拌,但这样会影响到水泥混凝土的性能。因此,在考虑选择阻锈剂的时候,应该同时考虑到所设计的混凝土性能、所预测到的腐蚀危害程度以及所选择的阻锈剂的基本性能。将阻锈剂加入至拌合水搅拌制备混凝土,保证了阻锈剂在混凝土结构中分散的均匀性,解决了在
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