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钢筋混凝土结构的腐蚀机理

点击: 日期:2014-1-3 字体大小:14px 12px
  钢筋混凝土结构的腐蚀钢筋混凝土结构材料是混凝土与钢筋的复合体,它的腐蚀形态可分为两种:一是由混凝土的耐久性不足,在有害介质的直接作用下其本身被破坏,同时也由于钢筋的裸露、锈蚀而导致整个结构的破坏;二是混凝土本身并未腐蚀,但由于外部介质的作用,导致混凝土本身保护层的改变或引人了激 发钢筋锈蚀的离子,从而使钢筋表面的钝化作用丧失,引起钢筋的锈蚀。从化学成分来看,钢筋的锈蚀物一般为Fe(OH)3, Fe(OH)2. Fe3Oa·H2 0, Fezq等, 其体积比原金属体积增大2---4倍。由于锈蚀产物的膨胀,对混凝土保护层产生巨 大的内聚应力,其数值高达30MPa(大于混凝土的抗拉极限强度)使混凝土保护层沿着锈蚀的钢筋形成裂缝(俗称顺筋裂缝).这些裂缝进一步成为腐蚀性介质渗人混凝土达到钢筋表面的通道,加速了钢筋的锈蚀。钢筋在顺筋裂缝中的锈蚀速度往往要比裸露情况下还快,等到混凝土表面的裂缝开展到一定程度,混凝土保护层 则开始剥落,最终使结构件丧失承载能力。

  在通常情况下,混凝土空隙中充满了由于水泥水解时产生的氢氧化钙饱和溶液,其碱度很高,PH值在12以上。钢筋在高碱度的环境中,表面沉积一层致密的氢氧化铁薄膜,而转人钝化状态,即使有空气和水分进人,也不可能导致钢筋的锈蚀。当混凝土受到外部因素作用而使混凝土的液相碱度降低时,钢筋由钝化状态转化为活性状态,此时若有空气和水分进人,钢筋便开始生锈.一般说来由于酸性气体与混凝土中氢氧化钙作用,造成混凝土液相碱度降低,酸性气体沿着混凝土中的空隙或裂缝,从外部逐渐向内部渗透,与混凝土空隙中的氢氧化钙溶液产生中和反应,大大降低了混凝土空隙中氢氧化钙的浓度.空气中的二氧化碳属于酸性气体,它与混凝土中氢氧化钙作用(俗称碳化作用),其反应式如下:Ca(OH)2 +C02一CaCO3+H20

  生成的碳酸钙为微溶的化合物,其饱和溶液PH值为9,远低于钢筋保持钝化状态所要求大于11.5的数值.其他酸性气体如SO2, H2S, HCI, NO二也可以与混凝土中氢氧化钙作用(称为混凝土的中性化作用),但它们对钢筋的腐蚀,除了使钢筋成活化状态外,还与它们中性化后生成的盐类的性质、种类相关。

  某些离子(如CI- , I- , SO-)对钢筋钝化膜有特殊的破坏作用。它们在钢筋保护层不被碳化或中性化的情况下也可以破坏钢筋钝化膜,使腐蚀过程得以进行。抓离子是这一类离子中最常遇到的。氯离子半径很小,穿透力强,很容易吸附在钢筋阳极区的钝化膜上,取代钝化膜中氧离子,使钢筋起保护作用的氢氧化铁变为无保护作用的氯化铁。氯化铁的溶解度比氢氧化铁的溶解度大得多。由于抓离子到达钢筋表面的不均匀性,特别是抓离子作用在钢筋局部区域时,则局部区域为阳极,形成了大阴极小阳极的腐蚀。这种坑蚀或局部腐蚀对结构的危害很大。

  影响混凝土中性化(包括碳化)速度的因素很多,但主要的因素是混凝土的密实度,即抗渗性能。混凝土愈密实,即抗渗性能愈高,则外界的气体只能作用于混凝土表面,向内部渗透比较困难。影响混凝土密实度的主要因素是混凝土的水灰比和单位水泥用量。水泥品种对混凝土的中性化速度有一定的影响;不同品种的水泥,因其掺合料的品种及含量不同,水解时生成的碱性物质数量不同,使混凝土的中性化速度也就不同了。

  预应力钢筋混凝土结构预应力钢筋混凝土结构的腐蚀除了具有普通混凝土结构的腐蚀类型外,由于采用高强度钢筋和钢筋在高应力条件下工作,所以可能发生应力腐蚀和钢材的氢脆。
钢筋应力腐蚀应力腐蚀是钢筋在拉应力和腐蚀性介质共同作用下形成的脆性断裂。这种破坏与单纯的机械应力破坏不同.它可以在较低的拉应力作用下破坏;这种破坏又与单纯的电化学腐蚀破坏不同,它可以在腐蚀性介质很弱的情况下而产生破坏。

  由于缺陷的存在,形成了拉应力三轴不相等状态,阻碍了钢筋塑性变形的展开,使塑性变形性能在钢筋断裂前不能够充分发挥出来,延伸率、冷弯等塑性指标均有明显下降。腐蚀性介质与钢筋作用,在钢筋表面形成一些大小不等、弥散分布的腐蚀坑后,每个腐蚀坑相当于一个缺陷,钢筋在受拉应力的作用下,形成应力的不均匀分布和部分应力集中,在缺陷的边缘,当钢筋平均应力不高时.其集中的应力即可达到断裂应力的水平,而引起钢筋的突然断裂。预应力钢筋的腐蚀是拉应力与腐蚀性介质共同作用的结果,腐蚀因素对钢筋断裂的最初形成起主要作用,而拉应力则有效地促进了腐蚀的发展。

  钢筋的氢脆钢筋在腐蚀过程中,表面可能有少量氢气产生,在通常情况下,生成的原子氢会迅速结成分子氢,在常温下是无害的,但当这一过程受到阻碍时,氢原子就会向钢筋内部扩散而被吸收到金属内部的晶格中去,如果钢筋内部有缺陷存在,氢原子很可能重新结合成为氢分子.氢分子的生成产生巨大的压力,出现“鼓泡”现象,使钢筋变脆。氢脆是预应力钢筋在酸性与微碱性的介质中容易发生脆性断裂的另一种类型。氢脆是由于钢筋吸收了原子氢,而使其变脆,所以称为氢脆。氢脆与应力腐蚀的机理完全不同。应力腐蚀发生在钢筋的阳极,而氢脆应该发生在钢筋的阴极区域。产生氢脆的钢筋在受到超过临界值的拉力作用时,便会发生断裂.硫化氮也是引起预应力钢筋氢脆的介质之一。

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