混凝土碳化引起鋼筋銹蝕的試驗研究

趙文娟

1 概述

1.1 混凝土結構的耐久性

混凝土結構應滿足安全性、適用性和耐久性這三方面的要求。混凝土結構的耐久性是指在設計和使用年限內，在正常維護下，結構必須保持適合于使用，而不需要維修加固。混凝土結構廣泛用于各類工程結構中，如果因耐久性不足而失效，或為了繼續正常使用而進行相當規模的維修、加固和改造，則要付出高昂的代價。保證混凝土結構能在自然和人為環境的化學和物理作用下，滿足耐久性的要求，是一個十分迫切和重要的問題。

1.2 影響混凝土結構耐久性能的主要因素

影響混凝土結構耐久性的因素，主要有內部原因和外部原因兩個方面。內部因素主要有混凝土的強度、密實性、水泥用量、水灰比、氯離子及堿含量、外加劑用量、保護層厚度等;外部因素則主要是環境條件，包括溫度、濕度、二氧化碳含量、侵蝕性介質等。出現耐久性能下降的問題，往往是內外部因素綜合作用的結果。

2 混凝土的碳化與鋼筋的銹蝕

2.1 混凝土的碳化

理論分析和試驗分析表明，在大氣環境下，混凝土的碳化深度與時間的關系為:

其中，X為碳化深度;Dk為CO2的擴散系數;C為混凝土表面的濃度;b為單位體積混凝土碳化所需的CO2含量;K為混凝土碳化系數，與結構所處的自然環境和使用環境、水泥品種、結構混凝土質量及混凝土早期養護條件有關;t為混凝土暴露時間，年。

2.2 鋼筋的銹蝕

混凝土碳化至鋼筋表面使氧化膜破壞是鋼筋銹蝕的必要條件，含氧水分侵入是鋼筋銹蝕的充分條件。建筑中通常用的鋼材為碳素結構鋼和結構低合金鋼，其化學組成除Fe外，還含有少量其他金屬(Mn，V ，Ti)和非金屬(Si，C，S，P，O)元素并形成固熔體 、化合物或機械混合物的形態共存于鋼材結構中;此外還有許多晶界面和缺陷。鋼筋表面氧化膜破壞后，當鋼材表面從空氣中吸收溶有二氧化碳的水分，形成一種電解質的水膜時，就會在鋼材表面層的不同成分或晶界面之間構成無數微電池。陽極和陰極反應構成整個腐蝕過程，這即為電化學腐蝕。最初的混凝土孔隙中充滿了飽和Ca(OH)2溶液，它使鋼筋表層發生初始的電化學腐蝕，該腐蝕物在鋼筋表面形成一層致密的覆蓋物，即 Fe2O3和Fe3O4，這層覆蓋物稱為鈍化膜，在高堿性環境中，即pH≥11.5時，它可以阻止鋼筋被進一步腐蝕。當混凝土碳化深度超過保護層達到鋼筋表面時，鋼筋周圍孔隙液的pH值降低到8.5～9.0，鈍化膜被破壞，鋼筋將完成電化學腐蝕，導致鋼筋銹蝕。

3 工程實例

3.1 混凝土碳化的檢測步驟

采用化學測試法，在混凝土表面鑿個小洞，深1 cm左右，用洗耳球或小皮老虎吹掉灰塵碎屑，然后滴入或涂抹酚酞劑，看混凝土是否變色(碳化)，若發現有碳化情況，則可迅速的測試出其碳化程度。1)酚酞劑的配制。根據實踐試驗結果得出，用99%的酒精加1%的酚酞液，所配制的酚酞劑呈淺色;96%的酒精加4%的酚酞液，所配制的酚酞劑呈深色。2)混凝土碳化判定。當酚酞劑涂抹或滴入混凝土體內1 min～2 min后，便有反應。若混凝土變紅色，則混凝土未碳化;若混凝土不變色，則混凝土已碳化。3)混凝土碳化深度測驗。用碳化深度測定儀測定沒有變色的混凝土的深度。4)測試混凝土碳化鑿開面的處理。在混凝土碳化測試工作完成后，對檢測混凝土碳化的鑿開面應用環氧樹脂或環氧混凝土作填補封閉處理。

表1 混凝土碳化深度檢測結果 mm

3.2 試驗數據

我們對某工程的幾個構件進行編號，并對其進行混凝土碳化檢測，測試結果如表1所示。從表1中可以看出，有些鋼筋表面的鈍化膜遭到破壞，鋼筋開始腐蝕，由于鋼筋銹蝕，其截面面積減少，延性降低，強度受損，使結構或構件安全性受到不同程度的影響。混凝土中鋼筋銹蝕會使構件的承載力下降，使結構的性能劣化。因此我們必須采取一些有效措施，處理鋼筋銹蝕。

3.3 鋼筋銹蝕后的處理方法

1)對碳化深度過大，鋼筋銹蝕明顯、危及結構安全的構件應拆除重建;2)對碳化深度較小并小于鋼筋保護層厚度，碳化層比較堅硬的，可用優質涂料封閉;3)對碳化深度大于鋼筋保護層厚度或碳化深度雖然較小但碳化層疏松剝落的，均應鑿除碳化層，粉刷高強砂漿或澆筑高強混凝土;4)對鋼筋銹蝕嚴重的，應在修補前除銹，并應根據銹蝕情況和結構需要加補鋼筋。

4 結語

1)混凝土本身要降低水灰比，保證密實度，具有足夠的保護層厚度，嚴格控制氯含量。2)采用覆蓋層，防止二氧化碳等的滲入。3)在海工結構、強腐蝕介質中的鋼筋混凝土結構中，可采用鋼筋阻銹劑、防腐蝕鋼筋、環氧涂層鋼筋、不銹鋼鋼筋等。4)若建筑物地處環境惡劣的地區，宜采取環氧基液涂層保護效果較好，對建筑物地下部分在其周圍設置保護層。5)合理設計混凝土配合比。6)規定鋼筋保護層的最小厚度。

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