钢筋混凝土井架中钢筋锈蚀机理分析.pdf
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1、 煤 炭 科 技 COAL S CI ENCE & TECHN0L 0GY MAGAZI NE 2 0 1 2年第 2期 No 2 2 01 2 文章编号 : 1 0 0 8 3 7 3 1 ( 2 0 1 2 ) 0 2 0 0 2 8 0 3 钢筋混凝土井架中钢筋锈蚀机理分析 徐敏州, 郝圣杰 ( 徐州华美房地产开发有限公司, 江苏 徐州2 2 1 2 ) 摘要 : 介绍 了某煤矿钢筋 混凝土 井架钢筋锈蚀 的现状及锈蚀 的主要原 因, 分析 了钢筋锈 蚀的机理。 结合工程实际条件, 确定了阻止钢筋进一步锈蚀的方法及井架的加固方案, 对类 似工程 的加 固改造有借 鉴作用 。 关键字 :
2、钢 筋混凝土 ; 井架工程 ; 钢筋锈蚀 中图分类号: T U 3 7 5 文献标志码 : B 钢筋 混凝土结构是 土木工程建筑 中的首选形 式,而混凝土中钢筋锈蚀破坏是影响建筑物质量和 使用期的重要因素。据不完全统计, 每年用于桥梁、 公路 、房屋等基础设施工程 因混凝土结构的钢筋锈 蚀而投入的修复费用高达数千亿美元;有的建筑物 使用不到 l 0 年,就出现大面积因钢筋锈蚀引起的混 凝土开裂 、 剥蚀 。因此, 分析钢筋混凝土结构 中钢筋 锈蚀原因和机理 ,对建筑物加固和安全使用具有现 实意义。现以某煤矿钢筋混凝土提升井架钢筋锈蚀 加固为例进行说明。 1 井架钢筋锈蚀现状及危害 1 1 井架
3、钢筋锈蚀情况 某煤矿井架原建于 2 0世纪 6 0年代 ,为 5层钢 筋混凝土框架结构, 总高度为 1 8 8 m 。由于该井架 使用年数较长, 并且大部分构件都处于露天环境 , 经 风雨冻融等自然条件侵蚀, 目 前已停用, 准备将井架 改造为纪念原煤矿为地方经济所做 出的贡献的景观 建筑 , 以资纪念。 该井架混凝土梁柱等构件均 出现较大范围的保 护层裂缝 、 脱落 、 露筋及钢筋锈蚀现象 ( 见 图 1 ) 。钢 筋锈蚀后导致混凝土结构性能的劣化和破坏 ,主要 表现在 3个方面: 钢筋锈蚀导致钢筋截面积减 少,使得钢筋的力学性能下降; 钢筋锈蚀导致钢 筋和混凝土之间的粘结力减小,使得钢筋与
4、混凝土 不能很好地协同工作,造成钢筋混凝土构件承载能 力下降; 由于铁锈蚀产物体积是原铁体积的2 4 倍, 锈蚀产物在混凝土和钢筋之间堆积, 最终会导致 混凝土保护层破坏 ,使得钢筋与混凝土的粘结力迅 速下降甚至完全丧失。 图 1 因钢筋锈蚀井架混凝土保护层脱落 1 2 井架裂缝情况 井架梁柱表 面裂缝 较多 ,部分 裂缝宽度达 到 1 5 mm左 右 ( 见 图 2 ) , 有 的部位 出现构件混凝 土 掉角或成片保护层脱落。从裂缝的走向看, 裂缝主 要分为两大类 : 一类是和钢筋方 向一致的顺筋裂缝 , 一 类是垂直构件截面的横向裂缝。顺筋裂缝产生 的 原因主要是由于钢筋锈蚀后锈蚀产物体积
5、比原来铁 的体积大 2 4 倍,锈蚀产物体积膨胀而使混凝土保 护层产生沿钢筋方 向的胀裂 ,锈胀严重处钢筋混凝 土保护层会出现整体脱落 。垂直于构件截面的横 向 裂缝多出现在框架柱间的斜向支撑上,其产生的原 因主要是由于长年受提升绞车的运转所产生的往复 振动和变形 , 在构件截面上出现拉力 , 超过混凝土的 抗拉强度而引起 的。 图2 构件裂缝情况 2 0 1 2年第 2期 徐敏州等: 钢筋混 凝土井架中钢筋锈蚀机理分析 2 9 2 钢筋锈蚀机理与锈蚀原因分析 普通混凝土是一种强碱性物质,其 p H值一般 为 1 2 5左右 , 混凝土中的钢筋在强碱性环境 中表面 生成致密的钝化膜 ,在正常情
6、况下钢筋不会发生锈 蚀。但在外界因素的作用下,钢筋钝化膜会遭到破 坏 ,在环境 、水和氧气 的作用下钢筋发生 电化学锈 蚀。混凝土钝化膜破坏的主要原因有混凝土碳化和 氯离子侵蚀两种。 混凝土碳化主要是 由于空气中的二氧化碳从混 凝 土的表面渗透到毛细管 、 空隙 、 气泡 中, 与混凝土 中的水泥水化产生的氢氧化钙 、 硅酸二钙 、 硅酸三钙 等水化物发生化学反应,化学反应使混凝土中高碱 性的氢氧化钙变成了碳酸盐与其他的化学物质 , 从 而降低了混凝土的 p H值 ,钢筋维持钝化膜完好的 条件就会被打破, 钢筋就开始锈蚀。 氯离子是一种活 性较强的离子,混凝土中的氯离子会吸附在钢筋局 部钝化膜
7、处, 使得该处的p H值降低。当混凝土中的 氯离子达到一定浓度时 ( 此浓度称为钢筋锈蚀 临界 浓度 ) , 钢筋钝化膜破坏 , 钢筋开始锈蚀 。 钢筋锈蚀包括4个基本过程: 阳极反应过程: 钢筋 阳极 区的铁原子进行释放 电子的氧化反应 , 即 : F e F e 2 + + 2 e 一 ; 电子传输过程: 阳极区释放的电子 通过钢筋向阴极区传送; 阴极反应过程: 钢筋表 面附近的电解质溶液中溶解的氧气与阳极区传来的 电子发生还原反应: 0 2 +2 H 2 0+4 e - - - * 4 0 H 一 ; 锈蚀 产物生成过程: 阴极 区生成 的 O H一 与阳极附近的 F e 反应 生成 F
8、 e( O H) , F e( O H) : 会被 进一 步氧化 成 F e O , ( 红锈 ) 或 F e , O ( 黑锈 ) 。钢筋锈蚀 电化学反应 如图 3 所示 。 、 O O02 F e ( O H)F e ( O H) I l : I 砼 I :n 丰 l Q 旦 兰 I l 钢筋 e - F e 一e l l 砼 阴极 阳极 阴极l 根据现场情况和混凝土试样的测试分析 ,该井 架混凝土构件钢筋锈蚀的主要机理是混凝土的碳 化 ,引起井架混凝土中钢筋锈蚀的主要原 因是建筑 物的年限较长并缺乏有效的维护。钢筋锈蚀过程在 外界影响因素的影响下, 才能逐渐显示出来。 井架建 造时间已经
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