一. 钢筋混凝土钢筋锈蚀的现象
综合有关资料报道,日本约有21.4%的钢筋混凝土结构损坏是由钢筋锈蚀引起的;美国的腐蚀损失中与钢筋锈蚀有关的高达40%;英国建造在海洋及有氯化物介质中的混凝土结构,因钢筋锈蚀而需修复的达36%;阿拉伯海湾地区因其气候多变等原因,致使很多混凝土结构在10~15年间即达到惊人的腐蚀程度。由丹麦公路桥梁协会在1988~1990年间对桥梁进行的90多次调查表明,桥梁受侵蚀达50%,而最 重要的是由于腐蚀引起隐性破坏导致的间接损失。钢筋锈蚀现象在我国也较普遍存在,甚至很突出。根据国家基金委组织的调查,目前我国材料腐蚀造成的损失大概是每年5000亿元,混凝土中钢筋腐蚀约占50%。
有统计表明,因钢筋锈蚀,大量海港码头工程大修年限只有10~20年,桥梁的大修年限只有10~15 年。如连云港某码头使用不到3年、湛江某码头使用不到4年、宁波某码头使用不到10年,均出现梁架顺筋开裂,并着手修补的事例;深圳某些民用建筑,因使用海砂,几年内即发生钢筋腐蚀破坏。在腐蚀环境中的工业建筑,钢筋腐蚀现象更为普遍突出,修补、加固的花费巨大。
二. 钢筋锈蚀的危害
混凝土中钢筋的锈蚀会导致结构性能恶化,其危害主要体现在以下三个方面:
一是由于钢筋锈蚀使得钢筋有效截面积减小,钢筋与混凝土间粘结力下降,从而降低了结构 ( 或构件)的承载能力,减小了安全储备;
二是由于锈蚀钢筋体积膨胀 ( 无约束状态下一般为2~6倍),使得混凝土产生顺筋胀裂,从而降低了结构(或构件)的刚度,增大了变形,甚至使混凝土保护层剥落,影响了正常使用;
三是由于钢筋锈蚀在混凝土中产生相当大的拉应力,使混凝土承受双向或三向应力,另外由于钢筋应力腐蚀,从而降低了结构(或构件)的延性,甚至改变其破坏形态。
三. 钢筋混凝土防护5倍定律
混凝土结构耐久性设计有著名的5倍定律,认为结构设计时对新建项目在钢筋防护方面每节省1美元, 就意味着发现钢筋锈蚀时采取措施多追加5美元,顺筋开裂时多追加25美元,严重破坏时多追加125美元。这一5倍定律,让重要工程的业主方、设计师以及施工单位进一步认识到钢筋混凝土的防护及提高其耐久 性问题的重要性和迫切性。
四. 钢筋锈蚀机理
正常情况下,由于初始混凝土的高碱性,钢筋混凝土桥梁结构力筋表面形成一层致密的钝化膜,使其处于钝化状态。但随着环境介质的侵入,钝化膜逐渐遭到破坏,从而导致腐蚀的发生。
钢筋发生锈蚀需要三大基本要素是:钢筋表面钝化膜的破坏;充足氧的供应;适宜的湿度(RH=60%~80%)。三个要素缺一不可,第一要素为诱发条件,而腐蚀速度则取决于氧气及水分的供应。
钢筋的锈蚀发生电化学锈蚀必须具备3个条件:在钢筋表面形成电位差;在阴极部位钢筋表面存在足够的氧气和水;在阳极区,使阳极部位的钢筋表面处于活化状态,即钢筋表面的钝化膜遭到破坏。在氧气和水的共同作用下,钢筋表面不断失去电子发生电化学反应,逐渐被锈蚀,在钢筋表面生成红锈,引起混凝土开裂。
对于钢筋混凝土桥梁,在一般环境条件下,钢筋的锈蚀通常由两种作用引起:一种是混凝土碳化作用;一种是氯离子的侵蚀。二氧化碳和氯离子对混凝土本身都没有严重的破坏作用,但是这两种环境物质都是混凝土中钢筋钝化膜破坏的最重要又最常遇到的环境介质:混凝土碳化使混凝土孔隙溶液中的Ca(OH)2含量逐渐减少,pH值逐渐下降,钝化膜逐渐变得不再稳定以至于完全被破坏,使钢筋处于脱钝 状态;周围环境中的氯离子从混凝土表面逐渐渗入到混凝土内部,当到达钢筋表面的混凝土孔溶液中的
游离氯离子浓度超过一定值(临界浓度)时,即使混凝土碱度再高,pH值大于11.5值,Cl-也能破坏钝
化膜,从而使钢筋发生锈蚀。氯盐引起钢筋锈蚀的发展速度很快,远比碳化锈蚀严重,这种情况常发生在近海或海洋环境以及冬季经常使用除冰盐的环境。
五. 钢筋混凝土阻锈手段
阻锈手段 |
优点 |
不足 |
成本 | 价值工程评价 | |
掺加矿物掺合料增加混凝土密实度 | 最常规手段,易于操作,可以降低有害离子渗透速率 |
不能从化学机理上延缓锈蚀 |
低 | ★★ | |
阴极保护(牺牲阳极) |
阻锈效果可保证, 可实时监控 |
施工复杂性极高,后期维护复杂,不适宜普遍推广使用,对于暴露于大气中的钢筋混凝土结构的阴极保护难度大 |
很高 |
★★★ | |
电化学萃取 |
氯化物萃取 |
在混凝土中钢筋分布较密氯离子穿过第一层钢筋但未渗透很深且以后不会再次被氯离子污染的情况下会取得最好的效果 |
、
其装置与阴极保护相似, 施工及维护较复杂 |
高 |
★★ |
再碱化 | 对由碳化引发钢筋锈蚀的建筑结构的保护效果较好 | ||||
特种钢筋 |
环氧涂层钢筋 |
直接在钢筋表面形成保护膜,涂层厚度可控,生产和施工质量得以保证时阻锈效果较好 |
降低了混凝土与钢筋间的握裹力,加大了施工难度,磕碰产生锈蚀更加严重的“点蚀” |
较高 |
★★ |
镀锌钢筋 | 因锌具有自我耗损性,传导性和污染性,其有效性长期以来受到疑义,在滨海地区其阻锈寿命低于10年 |
★ | |||
不锈钢钢筋 |
从钢筋的根本上解决了锈蚀问题 |
成本太高,不易推广 |
很高 |
★ | |
硅烷浸渍剂/防锈浸渍剂 |
可以从混凝土表面渗透到一定深度,较适宜对已有建筑或工程的修复和保护 |
施工较复杂,用于新建建筑和工程时影响工期,阻锈效果依赖于渗透深度, 对较深处钢筋保护有限 |
较高 |
★★ | |
钢筋阻锈剂(添加型) |
无机类 |
施工简便,有效推迟了钢筋锈蚀开始时间 |
掺量必须精准,混凝土适应性差,随着时间的推移阻锈效果变差,不环保 |
中等 |
★★ |
有机类 |
施工简便,通过螯合作用在钢筋表面形成稳定的保护膜,不仅推迟了锈蚀开始时间,也降低了锈蚀速率 |
对部分混凝土配合比设计适应性较差 |
较高 |
★★★★ |
注:价值工程评价星级越高越优
六.FerroGard 901总结 无毒环保产品,不易燃,不含亚硝酸钙等有毒物质 渗透能力和对钢筋吸附力强,在钢筋表面形成厚达100-1000埃的耐久性保护膜,形成对氧的屏障, 对钢筋的阴、阳极同时保护。 不影响新拌混凝土及硬化混凝土的各种属性,如水化热、凝结时间、塌落度、强度、呼吸性、渗透性、空隙体系等。 施工简便,极高的综合性价比(考虑到人力、设备、时间、工序等综合因素);只需按照6-12千克每方混凝土与水同时加入搅拌机或搅拌车,并适当调整拌合水量。 不会因添加量少而加剧钢筋锈蚀(如亚硝酸钙),不影响混凝土对钢筋的握裹力;不用像钢筋环氧涂层一样担心钢筋的折弯、焊接或碰撞的影响(由此造成的钢筋点锈蚀比普通锈蚀还严重),也不会像现场后作钢筋环氧涂层一样有死角和用时过长的问题。 经过了世界上许多著名研究与试验机构(如Mott MacDonald)的检测,并进行了大量的现场测试和业务长期测试。 符合国内《钢筋阻锈剂》和《混凝土耐久性设计》等相关标准和规范,并得到美国交通部《混凝土结构阻锈规范》的推荐。 七. FerroGard 901应用领域 铁路、公路、桥梁、高层建筑地下室、地下车库、海港、码头、水坝及污水处理池、化工等行业需重防腐的部位、沿海使用海砂、碳化严重的混凝土结构等。可替代环氧涂层钢筋,也可与环氧涂层钢筋等阻锈技术联合使用。 建议在下述环境和条件下的水泥混凝土结构中应使用掺入型阻锈剂: 处于海洋环境:海水浸蚀区、潮汐区、浪溅区及海洋大气区的公路钢筋混凝土桥梁及钢筋混凝土护栏等; 使用海砂或海水的预应力混凝土和钢筋混凝土桥梁; 冬季撒除冰(雪)盐的钢筋混凝土桥(涵)面、钢筋混凝土护栏等; 地下水和土壤中含有氯盐的桥梁下部结构; 采用低碱度水泥或低碱掺合料,处在强氯盐锈蚀环境中的钢筋混凝土桥梁; 氯离子含量大于规范规定的最高限量的预应力混凝土和钢筋混凝土桥梁; 有氯盐腐蚀现象的钢筋混凝土桥梁修复; 预埋件或钢制品在水泥混凝土中需加强锈蚀防护的场合,因条件限制,水泥混凝土构件保护层偏薄者。