一般大氣環(huán)境下鋼筋開始銹蝕時(shí)間的計(jì)算方法

摘 要:在評(píng)估混凝土結(jié)構(gòu)耐久性時(shí),其關(guān)鍵是確定鋼筋開始銹蝕條件。 一般大氣環(huán)境下混凝土中鋼筋開始銹蝕的條件是混凝土碳化及鋼筋脫鈍。 碳化殘量是描述鋼筋開始銹蝕的重要參數(shù),其大小取決于部分碳化區(qū)長(zhǎng)度、碳化速度及脫鈍速度。 以實(shí)際工程檢測(cè)數(shù)據(jù)為主要依據(jù),考慮不同環(huán)境條件,以碳化系數(shù)、保護(hù)層厚度和局部環(huán)境系數(shù)為主要參數(shù),利用回歸分析方法建立了碳化殘量的計(jì)算公式,并由此計(jì)算鋼筋開始銹蝕的時(shí)間。 通過(guò)實(shí)際工程數(shù)據(jù)驗(yàn)證,表明本文給出的鋼筋開始銹蝕時(shí)間計(jì)算方法,在工程應(yīng)用上是可行的,從而為合理評(píng)定混凝土結(jié)構(gòu)耐久性提供依據(jù)。
 
關(guān)鍵詞:混凝土耐久性;混凝土碳化;鋼筋銹蝕;脫鈍;碳化殘量
 
  混凝土中鋼筋銹蝕是造成混凝土結(jié)構(gòu)耐久性損傷最普遍的因素。 由于混凝土保護(hù)層的碳化或氯離子的滲透導(dǎo)致鋼筋鈍化膜破壞,鋼筋表面在水和氧同時(shí)存在的條件下將發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),造成鋼筋銹蝕。 一般大氣環(huán)境下由于混凝土保護(hù)層碳化造成的鋼筋銹蝕廣泛存在于各類混凝土結(jié)構(gòu)中,特別是一些高濕、高溫或干濕交替等不利環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu),鋼筋銹蝕更為嚴(yán)重。
 
  鋼筋銹蝕造成的危害已人所共知。 近十年來(lái),我國(guó)在鋼筋銹蝕的發(fā)生、發(fā)展、銹后構(gòu)件性能退化等方面展開了一系列的理論與試驗(yàn)研究,同時(shí)也對(duì)已有混凝土建(構(gòu)) 筑物進(jìn)行了大量的工程調(diào)查與檢測(cè)工作。 在此基礎(chǔ)上,我國(guó)又相繼開展了對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估和結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究工作。 然而在耐久性評(píng)估方面,確定鋼筋在不同條件下開始銹蝕的時(shí)間是首先必須解決的問(wèn)題。
 
  一般大氣環(huán)境下鋼筋銹蝕的前提條件是鋼筋表面因混凝土保護(hù)層碳化而脫鈍因此混凝土中鋼筋開始銹蝕時(shí)間常常被確定為碳化深度到達(dá)鋼筋表面的時(shí)間,依據(jù)碳化方程xc = k · ,鋼筋開始銹蝕時(shí)間則為
 
  
 
  式中:c 為混凝土保護(hù)層厚度; k 為混凝土碳化系數(shù)。
  然而大量工程調(diào)查和試驗(yàn)結(jié)果表明,上述定義的鋼筋開始銹蝕時(shí)間是不準(zhǔn)確的,在有些環(huán)境下用酚酞試劑測(cè)定的碳化深度并未達(dá)到鋼筋表面而鋼筋已經(jīng)銹蝕,也有工程調(diào)查資料顯示,碳化到達(dá)甚至超過(guò)鋼筋外表面而鋼筋并未銹蝕,這一現(xiàn)象很難用傳統(tǒng)的碳化- 鋼筋銹蝕機(jī)理解釋,因此建立合理的鋼筋開始銹蝕條件是確定鋼筋開始銹蝕時(shí)間的關(guān)鍵。
 
1  鋼筋開始銹蝕條件的分析
 
  一般大氣環(huán)境下鋼筋開始銹蝕時(shí)間即為混凝土中鋼筋表面鈍化膜破壞(脫鈍) 的時(shí)間,研究表明,對(duì)鋼筋的鈍化膜存在兩個(gè)p H 臨界值,其一是p H = 9.18 ,低于此值,鋼筋表面鈍化膜不可能生成。 其二是p H = 11. 5 ,大于11.5 才可能生成完整的鈍化膜。 p H 值在9.18 —11. 5 之間時(shí),鋼筋表面的鈍化膜處于不穩(wěn)定狀態(tài)。 由于混凝土碳化過(guò)程中在完全碳化區(qū)前沿存在一個(gè)不完全碳化區(qū)(部分碳化區(qū)) ,p H 值由低到高在8.5 —12.5 之間變化,這就使處于部分碳化區(qū)內(nèi)的鋼筋鈍化膜有了脫鈍的前提條件,部分碳化區(qū)范圍較大(長(zhǎng)度較長(zhǎng)) 時(shí),鋼筋可能較早脫鈍,因此部分碳化區(qū)的長(zhǎng)短是影響鋼筋鈍化膜破壞的重要因素之一。 決定鈍化膜破壞時(shí)間的另一個(gè)重要因素是脫鈍速度,由于各種因素的影響,脫鈍速度的差異同樣對(duì)鋼筋開始銹蝕時(shí)間有十分重要的影響。
 
1。 1  部分碳化區(qū)長(zhǎng)度
 
  國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)不同途徑研究部分碳化區(qū)長(zhǎng)度,如通過(guò)x 射線衍射分析Ca (OH) 2 和CaCO3 在混凝土中的濃度分布曲線 (圖1) 或碳化過(guò)程中混凝土的p H 分布曲線(圖2) 的變化判定部分碳化區(qū)長(zhǎng)度。
 
    
 
    
 
  同濟(jì)大學(xué)蔣利學(xué)、張譽(yù)等[4 ] 通過(guò)碳化前后的物質(zhì)平衡條件分析了部分碳化區(qū)長(zhǎng)度,并給出:
    xL = 1. 017 ×104 ×(0.7 - R H1。 82                          (2)
 
  由(2) 式可以看出,部分碳化區(qū)長(zhǎng)度的主要影響因素是水灰比(W/ C) 、水泥含量( C) 、環(huán)境相對(duì)溫度R H( R H > 0.7 時(shí)取為0.7) 。
 
  部分碳化區(qū)是CO2 的擴(kuò)散速度大于反應(yīng)速度產(chǎn)生的碳化反應(yīng)區(qū)段,當(dāng)前雖然還沒(méi)有進(jìn)行更多的理論和試驗(yàn)研究工作,但從概念上分析,影響部分碳化區(qū)長(zhǎng)度的因素除(2) 式所含因素外,還包括以下因素:
 
 ?。?) 環(huán)境CO2 濃度。 當(dāng)環(huán)境CO2 濃度愈高,滲透壓力愈大,部分碳化區(qū)長(zhǎng)度愈長(zhǎng);
 ?。?) 影響碳化的諸多因素也都影響部分碳化區(qū)的長(zhǎng)度,如澆注面和養(yǎng)護(hù)面碳化系數(shù)的系統(tǒng)差異、水泥品種、摻合料、環(huán)境溫濕度等;
 
 ?。?) 部分碳化區(qū)長(zhǎng)度與碳化時(shí)間有關(guān),隨著碳化過(guò)程的發(fā)展,部分碳化區(qū)長(zhǎng)度增加。 碳化區(qū)長(zhǎng)度的變化與保護(hù)層厚度無(wú)關(guān),但當(dāng)保護(hù)層厚度增加時(shí),鋼筋脫鈍所需的碳化時(shí)間將增長(zhǎng)。 因此也可認(rèn)為,部分碳化區(qū)長(zhǎng)度隨保護(hù)層厚度的增加而加大,但到某一界限后將不再繼續(xù)增大。
 
  由于混凝土碳化的影響因素對(duì)部分碳化區(qū)長(zhǎng)度有影響,而這些因素具有隨機(jī)性。 迄今為止,部分碳化區(qū)長(zhǎng)度還缺乏一個(gè)較準(zhǔn)確、實(shí)用的計(jì)算方法。
 
1。 2  脫鈍速度
 
  混凝土中鋼筋在高堿度環(huán)境中形成致密穩(wěn)定的厚約20 —60Å的氧化亞鐵鈍化膜,阻隔水和氧滲透到鋼筋表面而使鋼筋免于生銹。 當(dāng)混凝土保護(hù)層碳化后,鋼筋周圍的p H 值降至11. 5 以下時(shí),這種保護(hù)膜將變得不穩(wěn)定而逐步活化,失去對(duì)鋼筋的保護(hù),即所說(shuō)的脫鈍現(xiàn)象。
 
  迄今為止,人們對(duì)脫鈍過(guò)程了解和研究的甚少,有研究認(rèn)為脫鈍是氧化亞鐵逐漸氧化的過(guò)程,p H值越小脫鈍速度越快,另外,脫鈍速度與鋼筋表面水膜中的溶氧程度有關(guān),因而影響脫鈍速度的因素與影響鋼筋銹蝕速度的諸因素相近,如干濕交替環(huán)境將加速脫鈍,干燥環(huán)境的脫鈍速度將小于潮濕環(huán)境的脫鈍速度。
 
1。 3  碳化殘量
 
  碳化殘量最早由日本學(xué)者岸谷孝一提出,其定義為在鋼筋開始銹蝕時(shí)碳化前沿到鋼筋外表面的距離,此時(shí)碳化深度采用酚酞試劑測(cè)試。 實(shí)際上我們最為關(guān)注的是碳化殘量的大小,碳化殘量一旦確定,鋼筋開始銹蝕的時(shí)間即可確定。 碳化殘量有別于部分碳化區(qū)長(zhǎng)度,后者僅與碳化過(guò)程有關(guān),恒為正值。 而碳化殘量不僅與混凝土碳化過(guò)程有關(guān),還與鋼筋的脫鈍過(guò)程有關(guān),其數(shù)值可為正值,也可能為零和負(fù)值。由于在脫鈍過(guò)程中,混凝土碳化同時(shí)在進(jìn)行,因此碳化殘量取決于混凝土部分碳化區(qū)長(zhǎng)度、鋼筋脫鈍速度及混凝土碳化速度。
 
2  碳化殘量的確定與鋼筋開始銹蝕時(shí)間的計(jì)算
2。 1  試驗(yàn)研究與工程調(diào)查結(jié)果
 
  國(guó)內(nèi)外對(duì)碳化殘量進(jìn)行過(guò)一些試驗(yàn)和工程調(diào)查,如文獻(xiàn)[ 6 ]提出,對(duì)室外環(huán)境,當(dāng)碳化深度達(dá)到鋼筋表面時(shí),鋼筋明顯銹蝕,對(duì)室內(nèi)環(huán)境,當(dāng)碳化深度超過(guò)鋼筋表面20 —30 mm 時(shí),鋼筋銹蝕明顯。 文獻(xiàn)根據(jù)試驗(yàn)及實(shí)際工程檢測(cè),對(duì)水灰比W/ C = 0.7 的不含氯離子混凝土,發(fā)生均勻銹蝕時(shí),碳化殘量為10mm ,發(fā)生坑蝕時(shí),碳化殘量為8 mm ,文獻(xiàn)通過(guò)試驗(yàn)研究提出碳化殘量約為0.3c( c 為保護(hù)層厚度) 。
 
  我們?cè)谖墨I(xiàn)中,通過(guò)快速碳化及不同環(huán)境下長(zhǎng)期暴露試驗(yàn)研究了碳化殘量,結(jié)果見表1。分析文獻(xiàn)的試驗(yàn)結(jié)果,在同一環(huán)境條件下,鋼筋銹蝕深度極?。? —0.001 5 mm) 時(shí)得到的碳化殘量見表2。
 
 
 
  西安建筑科技大學(xué)通過(guò)工程檢測(cè)得到的碳化殘量數(shù)據(jù)如表3 所示。
  從上述試驗(yàn)和工程調(diào)查結(jié)果可以看出:
 
 ?。?) 同種環(huán)境條件下,碳化殘量隨保護(hù)層厚度增大而增加。
 ?。?) 碳化殘量隨相對(duì)濕度變大而增加。 相對(duì)濕度增加時(shí),部分碳化區(qū)長(zhǎng)度相對(duì)減小,碳化速度減小,而鋼筋脫鈍速度加快,在鋼筋脫鈍過(guò)程中最終導(dǎo)致碳化殘量x0 變大,這符合潮濕環(huán)境中鋼筋容易銹蝕的實(shí)際情況。
 
 ?。?) 碳化殘量隨水灰比(W/ C) 增大而減少。 水灰比增加時(shí),混凝土強(qiáng)度降低,部分碳化區(qū)長(zhǎng)度減小,鋼筋脫鈍速度加快,而碳化系數(shù)增長(zhǎng)更快。 在鋼筋脫鈍過(guò)程中,碳化深度顯著增加,導(dǎo)致碳化殘量變小。
 
 ?。?) 室外淋雨環(huán)境脫鈍速度快,碳化殘量大,一般室內(nèi)環(huán)境脫鈍速度慢,碳化殘量小,鋼筋不易發(fā)生銹蝕。
 
 ?。?) 碳化系數(shù)與碳化殘量有明顯的相關(guān)關(guān)系,碳化系數(shù)增大,碳化殘量減小。
 ?。?) 由于在快速碳化銹蝕試驗(yàn)中,CO2 濃度過(guò)大,滲透壓增加,鋼筋過(guò)早脫鈍,使碳化殘量在某些情況下偏大,而不能真實(shí)反映自然環(huán)境下的碳化殘量。
 
2。 2  碳化殘量的計(jì)算公式
 
  如前所述,影響碳化殘量的有部分碳化區(qū)長(zhǎng)度、脫鈍速度和碳化速度三個(gè)要素,當(dāng)前除對(duì)碳化速度及其影響因素有較深入的認(rèn)識(shí)外,對(duì)部分碳化區(qū)長(zhǎng)度和鋼筋脫鈍速度還缺乏了解,更無(wú)法進(jìn)行定量描述,因此對(duì)于碳化殘量的計(jì)算可借助試驗(yàn)和工程檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,并利用實(shí)際工程資料進(jìn)行必要的修正。
 
  根據(jù)文獻(xiàn) ,水灰比(W/ C) 和水泥用量( C) 對(duì)碳化系數(shù)( k) 和部分碳化區(qū)長(zhǎng)度的影響趨勢(shì)完全相同,其它因素對(duì)二者的影響也有很好的相關(guān)性,影響碳化速度的諸因素都對(duì)碳化殘量有影響。 并且除濕度外,碳化系數(shù)和脫鈍速度也有正相關(guān)性。 因此,以碳化系數(shù)和保護(hù)層厚度作為基本參數(shù),建立碳化殘量公式應(yīng)該是合理的。
 
  對(duì)表3 中三鋼棧橋柱實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,并通過(guò)西北、華東、西南、中南、華北、東北18 個(gè)城市和地區(qū)120 余個(gè)構(gòu)件的工程檢測(cè)資料的驗(yàn)證,本文提出以下經(jīng)驗(yàn)公式:
 
    
 
  式中: k 為碳化系數(shù)可采用實(shí)測(cè)值,在沒(méi)有實(shí)測(cè)值時(shí)可用4式計(jì)算; kCO2 為CO2 濃度系數(shù); kkl 為碳化部位系數(shù),角區(qū)取1。 4 其他情況取1。 0 ; kkt 為養(yǎng)護(hù)澆注面影響系數(shù),取1。 2 ; kks為應(yīng)力狀態(tài)影響系數(shù),拉應(yīng)力區(qū)取11 ,受壓區(qū)取1 ; R H 為環(huán)境濕度; T 為溫度; kce為局部環(huán)境影響系數(shù),室外淋雨環(huán)境取3。5 —4 潮濕地區(qū)取4 ,干燥地區(qū)取35) ,一般室內(nèi)環(huán)境取1 —1。 5 干燥地區(qū)取1 ,潮濕地區(qū)取1。 5) ; f cu為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度MPa) 。
 
  值得說(shuō)明的是,混凝土碳化和鋼筋銹蝕取決于混凝土的滲透性,與混凝土強(qiáng)度無(wú)直接關(guān)系,但為簡(jiǎn)化計(jì)算,可把混凝土強(qiáng)度作為衡量混凝土滲透性參數(shù)。 雖然強(qiáng)度在一定程度上能反映混凝土滲透性的大小,但混凝土滲透性的變異很大,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)混凝土強(qiáng)度的變異因此當(dāng)有實(shí)測(cè)碳化系數(shù)時(shí),建議用實(shí)測(cè)值通過(guò)4式推算f cu ,以期能更好地反映實(shí)際情況
 
2。 3  鋼筋開始銹蝕時(shí)間計(jì)算
 
  將碳化殘量代入式1) ,則鋼筋開始銹蝕的時(shí)間可表示為
    
 
  式中,碳化殘量按式3計(jì)算, k 均按實(shí)測(cè)值取用,推算混凝土強(qiáng)度時(shí)取1。 3。 其他系數(shù)按實(shí)測(cè)碳化部位取用為了對(duì)比起見,將用式5計(jì)算各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的理論值也列入表3
 
  由計(jì)算結(jié)果可看出,碳化殘量的計(jì)算與實(shí)測(cè)差值( x0 - x0 j在- 5。 59 —6。 4 范圍內(nèi)變化, 均值為- 0148 ,開始銹蝕時(shí)間的計(jì)算與實(shí)測(cè)比值( tj / ti在0。 53 —1。 65 范圍內(nèi)變化,比值的均值1。 003 5 ,標(biāo)準(zhǔn)差0.260 9混凝土材料性質(zhì)包括孔隙率、密實(shí)度等的不均勻性是引起計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)差值離散性較大的主要因素另外,計(jì)算模式的偏差和檢測(cè)數(shù)據(jù)誤差也是造成離散性大的因素。 然而從統(tǒng)計(jì)角度開始銹蝕時(shí)間的驗(yàn)算平均比值為1 ,表明式3至式5的計(jì)算公式在宏觀上控制鋼筋開始銹蝕時(shí)間是合理可行的。
 
3  小 結(jié)
 
  合理計(jì)算碳化殘量是準(zhǔn)確判斷鋼筋開始銹蝕時(shí)間的關(guān)鍵,碳化殘量由混凝土部分碳化區(qū)長(zhǎng)度、鋼筋脫鈍速度以及混凝土碳化速度控制。 當(dāng)前除了對(duì)碳化速度已有比較深入的研究外,對(duì)部分碳化區(qū)長(zhǎng)度、鋼筋脫鈍速度了解甚少,應(yīng)用系統(tǒng)的試驗(yàn)和理論研究成果建立碳化殘量計(jì)算公式還沒(méi)有充分的條件但一些試驗(yàn)和工程檢測(cè)結(jié)果已經(jīng)揭示了碳化殘量的基本變化規(guī)律。 本文以檢測(cè)數(shù)據(jù)為主要依據(jù)用碳化系數(shù)、保護(hù)層厚度和局部環(huán)境系數(shù)為主要參數(shù)建立的碳化殘量計(jì)算公式與實(shí)際檢測(cè)結(jié)果基本吻合,能夠合理地計(jì)算鋼筋開始銹蝕時(shí)間,繼而更合理地評(píng)定混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。
 
原作者: 董振平 牛荻濤 劉西芳 王慶霖  

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