钢筋混凝土桥梁的腐蚀研究与防护.pdf
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1、第 3 5卷 , 第 3期 2 0 1 0年 6月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 3 5No 3 J u n, 2 0 1 0 钢筋混凝土桥梁的腐蚀研 究与 防护 曾志 强 ( 湖南金 路工程咨询监理有限公司 , 湖南 长沙4 1 0 0 1 1 ) 摘要 】介绍 了钢筋混凝土桥梁的腐蚀机 理和影响 因素 ; 基于锈蚀钢 筋的拉伸试 验和劣化 混凝土 的轴 心抗 压试验 , 分析 了钢筋混凝土构件的腐蚀对桥 梁力学性能和结构性 能( 包括钢筋 与混 凝土 的粘结 、 承 载力 、 破 坏形式 等 ) 的影 响; 在此研究基础上提 出
2、了桥梁结构 的防腐与 防护措施 , 对钢筋混凝土桥梁的状态 评估 与维护管理具 有重 要意义 。 关键词 桥梁 ; 钢筋混凝土 ;锈蚀 ;劣化 ;防护 中图分类号 】U 4 4 8 3 4 文献标识码B 文章编号 1 6 7 4 一 o 6 1 o ( 2 0 1 0 ) 0 3 0 0 7 0 0 4 Co r r o s i o n o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e b r i d g e s a n d Pr o t e c t i o n CENG Zh i q i ang ( H u n a n K i n g R o a d P r e
3、 c t C o n s u l t i n g Ma n a g e m e n t C o , L t d C h a n g s h a ,H u n a n , 4 1 0 0 1 1 ,C h i n a ) 0 引言 K e y w o r d s B r i d g e ;R e i n f o r c e d ; C o n c r e t e ;C o r r o s i o n ;D e t e r i o r a t i o n ; P r o t e c t i o n 长 期 以来 , 钢 筋混 凝 土结 构被 普 遍认 为 是 耐久 性最好的结构 , 钢筋混凝土桥梁
4、是 目前世界上使用 最广泛的桥梁。在我国已建成通车公路桥梁 中, 混 凝土桥 梁 占总 数 的 9 0 以上 。 由 于混 凝 土 性 能 稳 定并具有高碱性 , 在钢筋表 面形成一层钝化膜从而 使 钢筋 处 于 钝 化 状 态 , 不 易 受 到 环 境 腐 蚀 。但 是 , 若钢筋混凝土构件长期暴露在具有腐蚀介质的 恶劣环境中, 结构的使用寿命将 明显缩短。钢筋锈 蚀及 混凝 土劣化 是影响 钢筋混 凝土桥 梁耐久 性 的主 要 因素 。 国内外学者针对钢筋混凝土构件被腐蚀后 的力 学性能做了许多研究。吴庆 、 袁迎曙等 通过对人 工模拟气候环境和恒电流加速钢筋锈蚀的钢筋混凝 土构件 破碎
5、 后得 到的 5 6根 锈蚀 钢筋进行 拉伸试 验 , 发现混 凝土 内钢筋锈 蚀 的表面特 征对钢 筋力 学性 能 的退化有影响, 且随着钢筋锈蚀程度的增加 , 这种影 响越明显。B a l l i m 研究 了钢筋锈蚀 和混凝土保护 层开裂对粘结应力的影 响, 通过快速锈蚀试验得到 钢筋锈蚀率与粘结强度退化 的关 系。梁咏宁等 考虑硫酸盐侵蚀的阳离子类型、 侵蚀溶液浓度、 侵蚀 溶液的 p H值等环境 因素影响 , 研究 了环境因素对 受硫酸盐腐蚀的混凝土性能退化的影 响; 对在不同 侵蚀环境下受腐蚀混凝土试件的抗压强度 、 抗折强 度进行了测试 , 得出了随腐蚀溶液浓度的增大和 p H
6、值的降低 , 混凝土强度衰减率增大的结论。 这些研究表明 : 钢筋混凝土的腐蚀会对结构的 受 力性能造 成不 利影 响 。本 文在 已有研究 成果 的基 础上, 进一步分析 了混凝土桥梁腐蚀 的机理和影响 因素, 并通过试验探讨了受腐蚀后的钢筋 、 混凝土的 力学性能 , 提出了有效的防护措施 , 为既有钢筋混凝 土桥梁 的等 级评估 和维 护管理 奠定 了基础 。 1 钢筋锈蚀机理 的研究 1 1 氯 离子 引起 的钢筋锈 蚀 通常情况下, 混凝土孔隙中充满着 C a ( O H) 的 过 饱和溶 液 , p H值 一 般 在 1 2以上 。在 如 此强 碱 环 境下 , 起初钢筋一般不会发
7、生锈蚀 , 但一段时间后, 在 混凝 土碳化 、 氯离 子侵蚀 等作用 下 , 混 凝土 的碱性 降低或混凝土保护层开裂 , 都将全部或局部破坏钢 筋表面的钝化状态。混凝土 中氯离子扩散一般是基 于 F i c k第二扩散定律计算, t a时 , 距混凝 土表 面 x 的内部一点氯离子浓度为 : r , 、 。 i 卜 l 泰 j i 收稿 日期 2 0 1 0 0 3 1 0 作者简介】曾志强( 1 9 7 7 一) , 男 , 江西丰城人 , 工程师 , 主要从 事公路和桥梁工程施工 、 监理、 招投标工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 曾志
8、强 : 钢筋混凝土桥梁的腐蚀研究与防护 7 1 式中:c 。 为混凝土表面氯离子的平衡浓度( 占混凝 土质 量 的百分 比) ; D 为 氯 离 子 扩散 系数 ( c m a ) ; e r f ( ) 为误差 函数 。 呈活化状态的钢筋表面有水分存在时, 钢筋表 面 的不 同部 位会 出现 较 大 的 电位 差 , 形 成 阳极 和 阴 极 , 在一 定 的环境 条 件 下钢 筋 就会 开始 锈 蚀 。反 应 式如 下 : 阳极 反应 : F e 一 2 e F e “ ( 2 ) 1 阴极反应: o 2 + H : 0+ 2 e - - 2 0 H一 ( 3 ) 二 当 c l 一 达到
9、一定浓度时 , 便与 H 争夺腐蚀产生 的 F e “ , 形 成 F e C 1 4 H 0, 然后从 钢筋 阳极 向含氧 量较高的混凝土孔隙迁移 , 会集中在钢筋表面产生 F e ( O H) : ( 褐锈 ) , 具体 反应 如式 ( 4 ) 和 ( 5 ) 所 示 : F e +2 C1 一+4 H2 O F e C l 2 4 H2 0 ( 4) F e C 1 2 4 H2 O _ + F e ( O H) 2 + 2 C 1 + 2 H+ 2 H 2 0 ( 5 ) 从 以上 可 以看 出 , F e ( O H) , 沉 积 于 阳极 周 围 , 同时放 出 H 和 C 1 一
10、 , 然后 又 回到 阳极 , 使 阳极 区 附 近的孔 隙液局部 酸化 , 之后 c l 一 再 带 出更多 的 F e “ , 反复如此。这样 , 氯离子虽然不构成腐蚀产物 , 在腐 蚀中也不消耗 , 但却 为腐 蚀起 到 了 良好 的催 化作 用 , 如 图 1所示 。如 果在 大 面 积 的钢 筋 表 面上 有 高浓度的氯离子 , 则氯离子引起 的腐蚀为均匀腐蚀 , 但是在混凝土中常见的是局部腐蚀。 空气中 的 c l 图 1 氯离子腐蚀钢筋示意图 1 2混凝土碳化 引起的钢筋锈蚀 水 泥 遇水 以后 , 发 生 化学 反 应形 成 水 化硅 酸钙 C S H凝胶和 C a ( O H
11、) : , 其 中一部分与其它碱性化合 物会溶于孔溶液中, 但大部分仍 以固状形态结合在 硬化水泥浆体中。当空气中二氧化碳扩散到混凝土 孔溶液 中时 , 与溶解 的 C a ( O H) 起 中和 反应 , 此 时 该孔溶液 中的 p H值降低 , 即混凝土发生了碳化。 混凝 土 的碳化 过程可 以分 为 3个 阶段 : 第阶段是二氧化碳扩散到混凝土当中; 第阶段是二氧化碳溶解到孔溶液并与氢氧化 钙发 生反 应 , 形成 少量 的碳 酸 : C a( O H) 2 + C O 2 _C a C O 3 + H2 O ( 6 ) C O 2 +H 2 O _ + H2 C O 3 ( 7 ) 第
12、 阶段 是 碳 酸 与 溶 解 到 孔 溶 液 中 的 c a ( O H) 发生化学反应生成碳酸钙和水 , 具体反应如 下 : C a ( O H) 2 +H 2 C O 3 一 C a C O 3 +H 2 0 ( 8 ) 混 凝 土碳 化受 许 多 因素 的影 响 , 比如混 凝 土 的 材 料 、 配合 比、 当地 的环境 条件 ( 温度 、 湿 度 、 C O 、 浓 度等) 对其都有影响。有试验研究表 明, 混凝土的 碳化深度与碳化龄期呈幂函数的关系 : D=x t ( 9) 式 中 : J D为碳 化深 度 ; 为 碳 化速 度 系数 ( 包 括 水 泥 品 种 , 混 凝 土
13、水 灰 比 , 施 工 质 量 等 的综 合 影 响 系 数) ; t 为碳化龄期 ( 年 ) ; b为时间指数常数 ( 一般为 0 40 6) 。 当发生 上述反 应时 , 孔溶液 中的 C a ( O H) : 被 消 耗掉 , 反应的产物将堵塞周 围的毛细孔 , 不再有更多 的 C a ( O H) 参 与 到 中 和 反 应 中 去 , 此 时孔 溶 液 的 p H值便 由原来 的 l 2降到 8 5左右。在此种情况 下 , 混凝土中钢筋的钝化膜保护层受到破坏, 即去钝 化 , 从 而导 致 了钢筋 的锈蚀 。 2混凝土劣化 的研 究 2 1 生物 腐蚀 引起 的 混凝 土劣化 生物
14、对 混凝 土 的腐 蚀 问题 尚未引起 国 内重视 , 但 国际上在 2 0世纪 7 0年代初已经提出抗生物 、 防 霉 、 杀虫剂。据估计 , 现独联体国家由于混凝土遭受 生物腐蚀所造成的经济损失 , 到 2 O世纪 9 0年代初 已达 5 l 5亿美元 a , 而且还有继续增大趋势。生物 对混凝土的腐蚀有 2种形式 : 生物力学作用 , 草、 树根 以及贝类等进入混凝土的缺陷, 破坏其密实度; 类似于混凝土的化学腐蚀 , 如硫化细菌将 s转变 成 H s O , 从而引起混凝土 的硫酸和硫酸盐腐蚀。 加入矿物粉细填料改善混凝土的孔结构或加入对人 畜无害、 具有长效性能的杀生物剂 , 均可有
15、效地增强 混凝土的抗生物侵蚀性能 。 2 2碱 引起 的混凝 土 劣化 当混凝土有蒸发表面时, 碱对混凝土的腐蚀主 要表现在混凝土表 面或孔 隙中与空气 中的 C O ,产 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 2 公路工程 3 5卷 生强烈的碳化作用 , 具体反应如下 : C O 2 + 2 N a O H - - - N a 2 C O 3 +H 2 0 ( 1 0 ) 水 分蒸发后 碳酸 盐结 晶 : N a 2 C O 3 +I O H 2 0 _ + N a 2 C O 3 g l 0 H 2 O ( 1 1 ) 当混凝 土没 有 蒸发 表 面 时 ,
16、主 要表 现 为碱 骨 料 反应 。根 据反应 机理 , 碱 骨 料 反应 又 可分 为 2种 类 型: 碱硅酸反应 , 碱与骨料中的活性 S i O , 反应 , 生成 碱硅凝胶 , 其水膨 胀后 产生 内应力 , 导致混 凝土 开裂 , 碱硅酸 反应 发 生最 为 普遍 , 危 害 也 最 为严 重 ; 碱硅酸盐反应, 从机理上说仍属于碱硅酸反应 , 但膨胀进 程缓 慢 。碱 骨料 反 应发 生 需 要 两个 条 件 : 首先混凝土原材料中含碱量高, 现在大多数国家规 定骨料中的含碱量不超过 0 6 或混凝土含碱量不 超过 3 0 k g m ; 第二要有水分和空气的供应 , 越是 潮湿的
17、环境碱骨料反应越容易发生, 粉煤灰和高炉 矿渣 均可缓 解 、 抑 制碱 骨料反应 的发生 。 碱骨料反应将使混凝土桥梁产生裂缝、 剥落、 钢 筋锈蚀等不 良现象 , 且一旦发生很难补救 , 因此被称 为混凝 土 的 “ 癌 症 ” 。一 些 国家 在水 泥生 产 过 程 中 通过掺 入 0 5 0 7 的硅 灰 ( 美 、 英 、 德则 推 荐掺 加 5 0 以上 的粉煤 灰 ) 来 预 防碱 骨料反 应 的发生 。 2 3硫 酸盐 引起 的混凝 土劣化 硫 酸 盐 也 是 破 坏混 凝 土 耐 久 性 的一 个 重 要 因 素。近年来在甘肃、 青海等地的桥梁 、 铁路等混凝土 工程都不同程
18、度地遭受硫酸盐腐蚀的破坏。其与氯 盐腐蚀相似, 硫酸盐进入混凝土内部后与水泥石的 一 些 成分发 生反应 , 生成 物吸水 后膨胀 , 当膨胀 应力 达到 一定程 度时就会 造成 混凝 土结构 的破坏 。这种 腐蚀作用在不同条件下 又有 E盐破坏和 G盐破坏 两种表 现形式 。 E盐 破坏- E t t r i g i t e e x p a n s i o n , 即钙 钒 石 膨胀 破 坏, 或称高硫铝酸钙膨胀破坏 。反应式如下: 4 C a O A 1 2 0 3 1 2 H 2 0+ 3 N a 2 S O 4 + 2 C a ( O H) 2 + 2 0 H 2 O - - + 3
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