钢筋混凝土结构加速腐蚀研究

钢筋混凝土结构加速腐蚀研究

代新安周洪磊赵阳

中建二局核电分公司十三项目部平湖卓越项目浙江嘉兴314000

摘要：近年来，随着我国经济的快速发展，建筑工程发展的也十分迅速。在钢筋混凝土结构中，钢筋发挥着重要的作用，但其锈蚀问题对结构的安全产生严重影响。目前，我国已有很多钢筋混凝土结构进入老化期，因此必须重视对钢筋锈蚀机理的研究，并采取相应的预防措施。

关键词：钢筋混凝土结构；加速腐蚀

引言

钢筋混凝土结构分为普通钢筋混凝土结构和预应力钢筋混凝土结构。随着科学技术发展，钢筋混凝土桥梁在我国得到广泛的应用，在既有桥梁材料类型中占有着较大的比重，与此同时腐蚀引起的钢筋混凝土桥梁受损情况越来越普遍。就目前国内有关钢筋混凝土桥梁腐蚀和防治的研究来说，很多腐蚀的机理还不明确，对于腐蚀的防治工作也有待研究。

1钢筋混凝土中钢筋腐蚀的具体概况

混凝土在材料分类的过程中，将其划分为一种呈碱性的胶凝材料，所以，与钢筋混合使用时，无形中会在钢筋的外部区域形成一层较为显著的保护膜，并且能够有效地保证其温度、湿度、气体结构都处在一个相对恒定的情况下，则能够有效保障钢筋砼结构的稳定性和安全性。然而，当处在气候环境较为复杂的情况时，由于混凝土自身结构属于多孔类材料，会使一些外部的其他物质，通过混凝土孔隙，与保护膜内的钢筋发生化学作用，从而改变钢筋砼结构的应力性质，经过长时间的作用，钢筋混凝土会出现局部变形，或者是开裂的情况。而从目前出现的情况来看，钢筋出现腐蚀现象主要是由水、氯离子、硫酸根离子等因素而造成。

2钢筋混凝土结构加速腐蚀研究中的应用

2.1腐蚀电流法

通过研究发现，当钢筋混凝土结构的外部混凝土电阻率值低于200Ω•m时，混凝土结构中钢筋表面的钝化膜就有可能脱钝，开始出现锈蚀。钢筋在混凝土结构中的锈蚀阶段的反应主要表现为电化学腐蚀，因此可以采用腐蚀电流法来进行钢筋锈蚀过程的研究。腐蚀电流法是一种根据金属电化学腐蚀规律得到的研究方法，它用试验仪器测得的腐蚀电流强弱来描述腐蚀损伤发展的快慢，用一定时间内累积的腐蚀电量描述材料在对应时间内的腐蚀程度。根据腐蚀损伤等效原则，即不同环境条件下的腐蚀电量相等，可以建立各种环境的当量加速关系。为缩短试验时间，让试验构件快速腐蚀，通常会把腐蚀试验环境条件设置得比自然环境更加“严酷”。即将试验温度和湿度提高或利用高浓度电解液浸泡试验构件，使得构件的腐蚀电流值升高。在指定的试验环境条件下，钢筋腐蚀量的计算式为式（4）。Qt=1Ft2t1乙Icedt（4）式中：Qt为试验环境条件下的腐蚀时间段的腐蚀量；Ice腐蚀电流；t1、t2为腐蚀时间；F为法拉第常数，取96494库仑／克当量。在i种服役环境条件下，金属结构的腐蚀量表示为式（5）。Qwi=1Fti2ti1乙Icidt（5）式中：Qwi为某种结构在服役环境条件下的腐蚀量；Ici为腐蚀电流；ti1、ti2为腐蚀时间。Ice、Ici是环境条件即腐蚀介质及浓度、温度、湿度的函数，当环境条件不变时，Ice、Ici作为常数。按照腐蚀损伤等效原则：Qt＝Qwt，并令t＝t2－t1，ti＝ti2－ti1，由式（5）和式（4）可得式（6）。Ice•t＝Ici.ti（6）为了达到加速试验的目的，一般将试验环境条件的腐蚀性加重，如提高试验环境温度、环境湿度、浸泡电解液浓度等方法以提高腐蚀电流Ici值。由（6）式得式（7）。t=IciIce•t＝α.ti（7）式中：α为腐蚀当量折算系数，即通过腐蚀当量的折算，试验时间比自然腐蚀时间缩短α倍。根据上述腐蚀损伤等效原则，可以把实际工程中结构服役的真实自然环境谱替换成便于试验室模拟实现的加速腐蚀当量环境谱。利用在加速腐蚀试验中测得的试验环境腐蚀量，便可以推算出结构在自然服役环境谱作用下的腐蚀量。与此同时，也可以根据损伤当量的折算，得到试验室环境与结构服役自然环境的等腐蚀损伤加速试验的相关性。

2.2应力腐蚀

在化学概念中，钢筋的电化学腐蚀和应力复合作用的结构被统称为应力腐蚀。在研究中发现，钢筋应力腐蚀的大小是由钢筋的应力水平、腐蚀介质和钢筋的材料情况等影响因素构成的。另外，因为钢筋极易受到化学腐蚀作用的影响，出现钢筋表面不规则、腐蚀坑随处可见，同时，这些腐蚀坑会在一定程度上，在拉力的作用下，由于受力不均匀，钢筋应力结构被破坏，不仅缩短了钢筋的使用寿命，而且还会对钢筋混凝土的质量造成严重的影响，严重的甚至会威胁到人民的生命安全和财产安全。

2.3损伤变量法

损伤变量法一般是用来反映材料腐蚀后的力学性能变化情况。罗来正等在进行铝合金材料研究时，建立了基于损伤等效准则的当量腐蚀加速关系。在研究中，他们将试验室加速腐蚀环境作用谱与真实环境腐蚀作用谱对材料造成的腐蚀损伤进行等效，从而得出不同环境条件下的材料损伤发展速率关系。在钢筋混凝土结构耐久性研究中，可以把这种损伤变量法用于对不同锈蚀阶段的锈蚀钢筋进行力学性能检测，得到不同阶段的相关数据，从而找到不同腐蚀环境的加速锈蚀当量关系。

3钢筋锈蚀的预防措施

通过研究钢筋锈蚀的基本原理及影响因素，发现钢筋锈蚀主要受混凝土内部环境的影响，只要改善混凝土内部环境，就可以有效地避免或延缓钢筋的锈蚀。钢筋在混凝土内部，无法直接对其采取措施，因此，只能在设计和施工时采取适当的预防措施，加强对钢筋的保护。主要措施有以下几点：1）提高混凝土的抗渗性来改善其内部环境，其中最重要的就是提高混凝土的密实度，改善其内部孔隙的分布。具体措施有：降低水胶比，采用减水剂，掺加引气剂，选用致密、干净、级配良好的骨料及加强养护等；同时，施工时严控混凝土制作工序，严格按照施工规范要求进行施工。2）混凝土及钢筋表面涂层保护。混凝土涂层可以阻止外界物质渗入混凝土中，降低发生钢筋腐蚀的概率，再加上钢筋表面涂层保护，双管齐下，可以有效地阻止钢筋表面电化学腐蚀的发生，延长钢筋混凝土结构的寿命。3）采取阴极防护措施这种防护措施主要是应用在沿海地区或者北方，因为这里的气候条件等因素，会对混凝土桥梁的钢筋造成损害。阴极防护可以阻碍海水中或者空气中的离子对钢筋所造成的腐蚀，在国外有很多国家已经尝试了使用阴极防护来对桥梁进行保护，这种防护措施虽有一定的局限性，但也是一种很合理的方法。

结语

利用钢筋混凝土结构某种特定的自然环境作用谱，根据其腐蚀参数（例如：混凝土保护层电阻率、内部钢筋腐蚀电流等）相等的准则，可以建立试验室加速腐蚀的当量环境谱，找到与实际工程结构服役环境谱的时间折算关系。当量环境谱法为钢筋混凝土结构寿命退化研究的加速腐蚀试验提供了重要的研究方法。传统的钢筋混凝土结构加速腐蚀试验方法应用比较广泛，取得了大量的试验数据，学者们也根据试验数据进行了大量的理论分析，但是还没有将钢筋混凝土结构耐久性在复杂环境中的时变性解释得很清楚。当量环境谱法在传统试验方法的基础上，利用当量损伤关系，较好地解决加速腐蚀试验条件与自然腐蚀条件的时间相关性，只是这一方法，还有待于更多的试验数据和工程实际损伤构件的数据进行支撑。

参考文献：

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