淺淡恒溫環(huán)境外加劑混凝土中鋼筋銹蝕的原因分析

　　摘要：分析某工程在竣工后不足5年、恒溫環(huán)境使用、摻加外加劑的混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕的原因，探討混凝土結(jié)構(gòu)的設計據(jù)、混凝土組成材料、氯離子含量的限值、混凝土結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量及使用環(huán)境等對鋼筋銹蝕產(chǎn)生的影響，強調(diào)應實施混凝土的耐久性設計、控制原材料質(zhì)量、施工質(zhì)量、混凝土結(jié)構(gòu)的防護質(zhì)量等全過程質(zhì)量控制。

　　1  工程概況

　　某大型公共建筑，地上4層，地下1層，框架結(jié)構(gòu)，基礎為樁基，抗震設防烈度為7度：混凝土構(gòu)件設計強度等級：-6．5~17m的柱為C40，梁、板為C30。興建于1995年，竣工于1998年，室內(nèi)要求恒溫21℃。5年后，發(fā)現(xiàn)2層部分框架柱外貼石材出現(xiàn)縱向裂縫，敲擊有空鼓聲，觀察發(fā)現(xiàn)裂縫有發(fā)展趨勢。將柱裝飾石材和裝飾用混凝土層局部剔除后，發(fā)現(xiàn)柱混凝土沿鋼筋方向開裂，混凝土保護層疏松、酥裂，敲擊有空鼓聲，局部剝離混凝土保護層，發(fā)現(xiàn)柱內(nèi)一些鋼筋銹蝕嚴重。

　　在對該建筑2層檢測時混凝土構(gòu)件中，發(fā)現(xiàn)柱內(nèi)鋼筋銹蝕程度不同；對2層吊頂內(nèi)混凝土構(gòu)件抽查，發(fā)現(xiàn)個別梁底由于混凝土保護層厚度較薄，亦出現(xiàn)沿縱筋方向的裂縫，但裂縫很??；混凝土板露筋處，鋼筋亦有銹蝕現(xiàn)象。

　　2  檢測結(jié)果與分析

　　經(jīng)取樣按照現(xiàn)行規(guī)范實測混凝土柱中混凝土Cl-含量為0.04%~0.46%，SO42-含量為0.30%~1.00%，柱混凝土實際強度在C25左右；混凝土柱、梁、板保護層大多不符合GB 50010—2002規(guī)范要求，Cl-含量大部分超過限值。

　　Cl-引起混凝土中鋼筋銹蝕，需要同時具備3個條件：一是混凝土中鋼筋周圍的C1-積聚達到一定臨界值，即足以引起鋼筋表面鈍化膜破壞時，鋼筋才有可能產(chǎn)生銹蝕；二是滲入氧氣；三是要有水分存在。具備這些條件時，C1-導致鋼筋銹蝕的電化學過程便可形成。對于2層的混凝土構(gòu)件，由于處于冬季施工，使用現(xiàn)場攪拌、摻有防凍劑的混凝土料澆筑：柱的混凝土強度等級偏低，密實度較差，混凝土保護層不足，之后，為粘貼裝飾石材，在柱四周又澆筑了1層混凝土，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)該部分混凝土的質(zhì)量更差。柱混凝土中防凍劑含有氯鹽，存在一定的氧氣通路，裝飾石材后，在恒溫21℃的室內(nèi)環(huán)境，柱混凝土中水分蒸發(fā)緩慢，其中鋼筋銹蝕、混凝土沿鋼筋方向出現(xiàn)裂縫也必然形成。吊頂內(nèi)的柱端、梁、樓板未加裝飾的鋼筋銹蝕現(xiàn)象較輕，其原因是相對裹有裝飾層的混凝土柱，這些部位的水分蒸發(fā)要快得多。

　　對于存在的SO42-，它可以和混凝土中的氫氧化鈣發(fā)生反應，生成石膏，其在混凝土孔隙中結(jié)晶并產(chǎn)生體積膨脹，使混凝土破壞：另外，石膏與其牛的水化鋁酸鈣起作用，生成含有大量結(jié)晶水的水化硫鋁酸鈣(即鈣礬石)，其體積可增大至原有水化鋁酸鈣體積的2．5倍左右，這種結(jié)晶膨脹具有非常嚴重的破壞作用。硫酸鹽類的侵蝕取決于水中SO42-的濃度，但是也與水中Cl—的含量有關(guān)，C1—可以提高水化硫鋁酸鈣的溶解度，阻止鈣礬石晶體的生成與長大，以至減輕結(jié)晶膨脹破壞作用。

　　上述分析表明，2層柱裂縫主要是由于柱內(nèi)鋼筋銹蝕引起，引起鋼筋銹蝕的主要原因是由于2層柱混凝土中C1-含量過高。[Page]

　　3  引起鋼筋銹蝕的原因分析

　　3．1  混凝土結(jié)構(gòu)設計依據(jù)的缺失問題

　　混凝土強度等級、混凝土保護層厚度等因素，是混凝土耐久性設計的內(nèi)容：混凝土強度與混凝土的密實性密切相關(guān)，決定了混凝土碳化、氯離子侵蝕等劣化混凝土條件的侵入快慢；混凝土保護層的平方正比于氯離子侵蝕的速度。

　　該工程設計時的規(guī)范無明確的耐久性設計規(guī)定，而現(xiàn)行規(guī)范則就混凝土結(jié)構(gòu)作出了在不同環(huán)境類別情況最大水灰比、最小水泥用量、最低混凝土強度等級、最高氯離子含量、最大堿含量、混凝土保護層厚度等方面的限值規(guī)定。由此可見，設計依據(jù)的缺失是該工程鋼筋銹蝕的原因之一。

　　3．2  混凝土組成材料的選配問題

　　由于存在水泥與外加劑、外加劑之間、摻合料與外加劑或水泥之間等的不相容，新拌混凝土可能出現(xiàn)坍落度損失大、引氣量減少、早期硬化異常和影響其它性能，若早期硬化使得混凝土密實困難，混凝土強度的發(fā)展會受到限制。因此，外加劑作為混凝土的重要組成部分，在選用時必須進行試驗，證明其性能以及與水泥的相容性，并確定適宜的摻量、摻加工藝以及用水量等。

　　氯化物可以通過外加劑、集料、膠凝材料和拌和水等不同的組分引入混凝土，恰是混凝土中氯離子來源的復雜性，要對任一組分的氯離子含量提出一個合理的限量比較困難，為混凝土設定一個可以接受的氯化物限量，需要考慮結(jié)構(gòu)的設計類型和使用期間的環(huán)境狀況。

　　關(guān)于混凝土：中氯離子的含量限值，規(guī)范作出了明確規(guī)定。在要求外加劑等單一材料氯離子含量檢測指標滿足相關(guān)規(guī)范要求外，更要求混凝土中氯離子的含量滿足規(guī)范要求。

　　3．3  混凝土結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量控制問題

　　對于摻用外加劑的混凝土，在耐久性設計條件滿足的情況下，混凝土施工質(zhì)量必須得到保證，其內(nèi)容涉及混凝土配合比、水灰比、混凝土強度、混凝土保護層等，還有混凝土表觀的蜂窩、麻面等；若這些內(nèi)容不能得到質(zhì)量保證，氯離子含量即使達不到設計限值，但氯離子濃度一旦達到引起鋼筋銹蝕的最低點，在鋼筋或鋼筋不同部位之間會形成原電池，產(chǎn)生銹蝕的電化學反應。鋼筋的銹蝕速率取決于混凝土的導電率、水分含量和氧從混凝土內(nèi)滲透到鋼筋的速率，[Page] 其中，混凝土保護層具有重要的作用，混凝土保護層厚度的平方正比于因氯離子侵蝕而導致鋼筋銹蝕的速率。超過鋼筋銹蝕臨界值的氯離子能夠單獨透過鋼筋的鈍化膜，與鐵離子結(jié)合形成可溶解的氯化物，把鐵溶解到混凝土中，最終形成氧化物(鐵銹)。生成鐵銹的過程是個膨脹的過程，鐵銹體積可以達到原始體積的4倍，從而在鋼筋和混凝土之間產(chǎn)生內(nèi)應力，最終導致鋼筋保護層剝落?；炷帘Ｗo層對鋼筋的保護作用，主要取決于混凝土的保護層厚度和密實度，能阻止外界腐蝕介質(zhì)、氧氣及水分等的滲入；鋼筋保護層的剝落，使鋼筋的銹蝕加劇。

　　在混凝土耐久性按要求設計、材料選配適當?shù)那闆r下，混凝土的施工質(zhì)量是重要的保證手段。

　　3．4  使用環(huán)境的影響問題

　　使用環(huán)境對鋼筋銹蝕有重要的影響作用，如溫度、濕度及干濕交替作用、海水飛濺、海鹽滲透等。特別在混凝土的自身保護能力(密實度和保護層厚度)不合要求或保護層有裂縫等缺陷時，會加劇對鋼筋銹蝕作用。但本工程的恒溫環(huán)境，事實上減緩了混凝土耐久性的損失，若非此種環(huán)境，鋼筋銹蝕的速度會更快，發(fā)現(xiàn)的時間會更早，可能會在1年或2年內(nèi)。

　　3．5  混凝土中氯離子含量的限值問題

　　氯離子的含量限值事實上基于一定的條件，如混凝土水灰比、混凝土強度、混凝土保護層等；對應于混凝土耐久性的保證年限，在基準條件均滿足相關(guān)規(guī)范要求的情況下，該保證年限可達到規(guī)范要求的設計使用年限或更長。而一旦有部分條件達不到要求，混凝土耐久性的設計年限會達不到要求，甚至會比較短，出現(xiàn)這種情況，表明氯離子的設計含量限值已在一定程度或完全喪失意義：混凝土澆筑時的氯離子含量雖未超限，但由于基準條件的不滿足，鋼筋銹蝕的時間提前、速度加劇，如本工程使用年限不足5年，鋼筋銹蝕已到如此程度，也說明受氯離子侵蝕，鋼筋銹蝕的臨界值大大減低，因此，影響到混凝土的耐久性能。

　　4  結(jié)  語

　　混凝土耐久性的質(zhì)量控制，首先是混凝土耐久性的設計質(zhì)量，應該達到相關(guān)規(guī)范的要求：第二是摻外加劑的混凝土，其材料選配，除各種單一材料質(zhì)量的檢測參數(shù)應符合相關(guān)標準外，工程應用尚應按照混凝土外加劑及應用技術(shù)規(guī)范復核，即混凝土中氯離子的含量檢測應符合要求：第三是混凝土的施工質(zhì)量控制應達到相關(guān)施工規(guī)范要求，它是混凝土耐久性設計質(zhì)量、材料選配質(zhì)量的實現(xiàn)和保證手段；第四是混凝土結(jié)構(gòu)使用的防護質(zhì)量，使用環(huán)境影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，但若防護措施得當，會減弱或消除這種影響，防護措施或是提高混凝土自身的防護能力，或是采用混凝土外涂層、特種鋼筋(如環(huán)氧涂層鋼筋、不銹鋼鋼筋等)、陰極保護和鋼筋阻銹劑等，而摻入阻銹劑被認為是保護鋼筋長期不發(fā)生腐蝕破壞、可以實現(xiàn)設計壽命的最簡單、最經(jīng)濟和效果良好的技術(shù)措施。

作者：巴松濤 李建民

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