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混凝土中的钢筋锈蚀与防护(梁李概)本科论文.doc
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1、分类号: 密级: UDC: 学号: 东南大学毕业设计(论文)报告题 目 混凝土中的钢筋锈蚀与防护 _院(系)_土木工程 _专业学 号_学生姓名_梁李概_指导教师_起讫日期_2015年1月-2015年6月 _设计地点_东南大学(扬州站点)_ _ 东南大学毕业论文混凝土中的钢筋锈蚀与防护摘要随着钢筋混凝土结构广泛应用,许多混凝土构件由于耐久性的不足而过早的失效。近年来的工程调查表明,在役钢筋混凝土桥梁因耐久性问题引起破坏的情况越来越多,其中钢筋锈蚀是混凝土结构耐久性损伤的重要原因,其造成的负面影响和经济损失是难以估量的。因此,开展对混凝土结构钢筋锈蚀的研究,特别是对钢筋锈蚀进行评估的研究显得尤为重
2、要。本文介绍了混凝土碳化和氯离子侵蚀的机理和其影响因素及各因素对混凝土损坏过程的影响;概述了混凝土结构中钢筋锈蚀的机理和其他影响因素;总结了混凝土结构中钢筋锈蚀的防护方法及原理,并指出了这些方法在实际应用中的缺陷与不足。关键词:混凝土;钢筋锈蚀;防护CORROSION AND PROTECTION OF CONCRETEABSTRACTWith the application of reinforced concrete structures widely,the effectiveness on many concrete structures is lost early due to th
3、e deficiency of the structural durability mostlyAs the recent engineering survey,the situation of destruction,caused by the durability which is resulted in reinforcement corrosion,is raised in service bridges. It is difficult to estimate that economic losses and the negative impaction caused by dura
4、bility destruction Therefore , it is a matter of great importance to carry out the study of the corrosion of reinforced concrete structures,especially for the evaluation of reinforcement corrosionThe mechanism and the influenced factors of the concrete carbonation and the chloride are introduced and
5、 the influence of all kinds of reasons in the process of concrete corrosion are described;the reinforcement corrosion mechanism and the other factors in reinforced concrete structures are presented ; summarized the protection methods and principles of the reinforcement corrosion in concrete structur
6、es and indicated the defections and the insufficient of these methods in practical applicationsKeywords:Concrete; corrosion; protectionII东南大学毕业论文目 录第一章 绪论1第二章 混凝土中的钢筋锈蚀22.1混凝土中钢筋锈蚀的机理22.2钢筋腐蚀过程22.3钢筋锈蚀的影响因素32.3.1 混凝土碳化对钢筋锈蚀的影响32.3.2 氯离子的侵蚀对钢筋锈蚀的影响52.4 钢筋锈蚀的其他影响因素62.4.1 混凝土方面62.4.2 其他方面7第三章 钢筋锈蚀的防护83
7、.1 阻锈剂的应用83.1.1 化学阻锈剂83.1.2 阻锈剂在混凝土中的应用93.2电化学保护方法103.2.1电化学的几个方法103.2.2电化学方法的优缺点113. 3 环氧涂层钢筋的应用12第四章 结论14致 谢15参考文献1617第一章 绪论之前一直认为,钢筋混凝土结构很好地结合了钢筋与混凝土材料的优点,可模性好、可塑性强、整体性好、耐久性好、后期维护费用较低以及易于就地取材等诸多优点使得当今世界上的桥梁建造大多选择采用钢筋混凝土结构。但随着时间的推后和累积,钢筋混凝土结构远远没有人们当初想象的那样耐久,其良好性能会在使用期内由于诸多因素的影响而逐渐退化从而引起世界上对耐久性问题的关
8、注。混凝土中的钢筋锈蚀的造成混凝土耐久性损伤的最重要原因,研究混凝土中的钢筋锈蚀是分析现有结构性能退化及耐久性评估的关键工作,对于预测混凝土结构的使用寿命和剩余寿命具有非常重要的现实意义。我国最早对钢筋锈蚀的研究开始于南京水利科学研究院,从上世纪八十年代开始日益引起重视。目前,我国基础建设处于一个较大的发展阶段,每年都会投资上万亿元来修建高速公路、桥梁等。有专家估计,我国大力修建基础建设的高潮时间还将延续数十年,但是由于忽视耐久性的重要性,我国在不久的将来还会出现维修加固的高潮段。针对钢筋锈蚀的普遍存在性,对钢筋锈蚀的防护刻不容缓。关于钢筋锈蚀防护的主要策略是提高混凝土自身的防护能力,还有就是
9、其他之外的辅助措施,两者结合起来使用。主要的防护措施有以下几种:使用环氧涂层钢筋;使用高性能混凝土,添加矿物掺合料和外加剂;适当加大混凝土保护层厚度;电化学保护主要用于工程修复;尽量减少混凝土表观质量缺陷等等。第二章 混凝土中的钢筋锈蚀钢筋混凝土结构由于材料层次原因、使用环境条件以及随着时间的递增,结构的受力性能会慢慢下降,从而承载能力也会渐渐下降,更进一步的影响结构的正常安全使用性能,缩短结构的使用寿命,对结构的耐久性造成很大的影响。当外界环境中的二氧化碳气体、氯离子等腐蚀介质侵入到混凝土内部时,很多时候造成了表层混凝土剥落开裂,其内部碱性大大降低,最后破坏钢筋表面的钝化膜,使钢筋发生锈蚀。
10、当局部的钢筋发生锈蚀时,会和还没有开始锈蚀的钢筋形成腐蚀电池,在其他条件都具备的情况下进而扩大到整个结构的所有钢筋。锈蚀开始主要都是分布在钢筋的表层面上,形式一般为斑状锈蚀。2.1混凝土中钢筋锈蚀的机理在自然界中,钢筋里的铁元素的稳定性不是很好,一般情况下都是以铁的氧化物形式存在于铁矿石中。混凝土中的钢筋锈蚀为电化学锈蚀,这种反应需要具备以下几个条件:阴阳两极、离子电荷以及闭合的电流回路,钢筋的锈蚀过程就是发生在这样一个条件都完全具备的腐蚀电池中。二氧化碳和氯离子对混凝土本身都没有破坏作用,但是这两种物质在钢筋钝化膜破坏的过程中起着非常重要的作用。混凝土结构所处的环境在实际工程中可以分为三种类
11、型:1、干燥环境混凝土湿度分布情况大致是外面潮湿而内部干燥,电位最高的部分是顺筋裂缝处的钢筋,阴极是那些尚未受到锈蚀影响的深层次钢筋,其锈蚀速度会加快,这种腐蚀反应能够加速其他部位也同样产生顺筋裂缝。因为混凝土电阻相对较大,作为腐蚀电池中的阴阳极钢筋表层作为孤立电极,面积较大从而导致锈蚀速率慢。2、表面湿润环境该环境的钢筋混凝土结构主要包括长期潮湿环境结构、处于雨季的暴露结构和频繁干湿循环环境等。如果结构构件存在着顺筋裂缝,其锈蚀的电化学特点为外部潮湿内部干燥,顺筋裂缝电位是最低的,尚未发生锈蚀处的钢筋作为阴极会加快此处的锈蚀速度,出现大阴极小阳极的明显特点,钢筋锈蚀速度会在一个很大的数值上继
12、续再加速锈蚀。3、长期浸泡环境处于此环境的电化学锈蚀特点与表面润湿环境的情况基本相同,但是氧气浓度差别不大并且内外湿度相差也不是很大,从而使得不同部位钢筋的电位差也会较小。当顺筋裂缝宽度较大时,一方面混凝土湿度较大,另一方面其电阻率较小,这样有可能产生比较高的宏电流,如此将增大顺筋裂缝附近钢筋锈蚀速度。2.2钢筋腐蚀过程混凝土中钢筋锈蚀过程大致可分为下图几个阶段1、腐蚀孕育期开始浇筑混凝土直至混凝土碳化层已经接触到钢筋表面,或者说氯离子的侵蚀已经深入到混凝土内部钢筋表面,并开始对钢筋发生去钝化作用也就是钢筋锈蚀为止,这段时间以t0表示。2、腐蚀发展期氯离子侵蚀钢筋表面,钢筋开始发生锈蚀到混凝土
13、的保护层表面因为受到钢筋的锈胀力而出现开裂、剥落等破坏,这段时间以t1表示。3、腐蚀破坏期因钢筋锈蚀而使得混凝土表面最后严重开裂、大面积剥落等严重破坏,到不得不经过全面大修为止,这段时间以t2表示。4、腐蚀危害期钢筋锈蚀的范围已经扩大到整个混凝土结构并遭受严重破坏,致使结构不再能够安全使用,这段时间以t3表示。一般情况下,t0t1t2t3。2.3钢筋锈蚀的影响因素2.3.1 混凝土碳化对钢筋锈蚀的影响钢筋锈蚀是造成混凝土结构耐久性损伤的主要因素,而一般情况下,混凝土碳化是钢筋锈蚀的前提条件。因此,研究混凝土碳化对混凝土结构耐久性评估具有重要的理论意义,混凝土碳化是影响钢筋混凝土结构耐久性的一个
14、很重要的因素。一般情况下早期混凝土碱性很高,pH 值一般都会大于 12.5,在如此高碱环境中,钢筋会很容易发生钝化,在其表面形成了一层钝化膜,从而能保护钢筋不受锈蚀。然而当空气中的CO2和H2O从混凝土表面的细缝中深入进来时,与混凝土中的碱性物质发生中和反应,直接降低了混凝土的 pH 值。最终,钢筋表面的钝化膜被直接氧化破坏,钢筋直接与其他物质接触,在条件都具备的情况下很容易发生锈蚀。钢筋的锈蚀又会导致混凝土保护层开裂,结构耐久性降低等不良后果。更甚,随着全球温室效应的影响加重,空气中二氧化碳的浓度也越来越高,大量处在暴露环境下的钢筋混凝土结构面临的碳化问题越来越严重。从上世纪六十年代开始,国
15、际上一些发达国家就着手重视混凝土结构的耐久性问题,对混凝土碳化进行了大量的试验研究及理论分析。我国在此方面的研究起步比较晚,从八十年代开始才注重对混凝土碳化造成钢筋锈蚀问题的研究,通过多次调查实际混凝土工程、碳化模型试验来研究影响混凝土碳化的因素。经过近五十年的研究,国内外学者对混凝土碳化机理与影响因素已经有了相当深刻的了解与认识,并在此基础上提出了很多关于碳化深度的计算数学模型,为更深入的研究混凝土中的钢筋锈蚀提供了理论基础。1、混凝土碳化对结构力学性能的影响国内外多项研究结果表明,混凝土在碳化后的抗压强度是有所提升的,但是它的延展性却大大下降,具有非常明显的脆性性质,对整个混凝土结构会有很
16、大的影响。很大程度上说因为碳化之后的混凝土孔隙率降低,相对而言密实度就会有较大提高,从而就使混凝土的抗压强度增加。另一方面,混凝土在碳化过程中,碳化反应会释放出大部分水分,碳化层混凝土收缩,对内部有明显的压力产生,而对外层来说就自然产生了拉应力,最后可能致使表层出现细小的裂缝。关于混凝土碳化现象的研究如果只是停留在对材料层次上的深入探讨没有很大的实际应用工程意义,不止要在这个层次上研究对结构构件的性能影响,更应深入研究结构层次上的影响。就目前国内外研究现状而言,针对混凝土结构的碳化研究主要是混凝土碳化后对钢筋锈蚀产生的深远影响的耐久性问题,还有就是使混凝土结构的承载能力降低的影响。不仅如此,还
17、应加大力度研究混凝土碳化之后本身对结构力学性能有哪些方面的影响这些重大方向。由于混凝土碳化之后,其结构关系也会随之发生了一定的变化,但是之前计算结构力学性能时对它进行了假定不变,这就直接导致计算结果不准确,继而引起其他系列影响,关于这个方面的研究也是比较少的。有相关文献认为:混凝土碳化之后提高的混凝土强度紧紧局限于表面碳化层,对整个结构影响意义不是很大。但是这种概述只看到了混凝土碳化对强度有所提高的层面上,而完全没有注意到碳化之后的混凝土在变形以及延展性性能方面都有了非常显著的变化。2、混凝土碳化对结构耐久性的影响混凝土结构发生碳化后,碳化内部pH值下降幅度比较大,由强碱性变为弱碱性,使得钢筋
18、脱钝,很容易导致钢筋的锈蚀。铁锈的主要成分为Fe2O3Fe3O4H2O,相对锈蚀之前的体积可能会要增长24倍,这对混凝土结构来说非常不利,主要体现在:锈蚀的发生使得钢筋与混凝土隔离开来,粘结受到严重破坏,失去了钢筋混凝土一起承受结构外力的性能,严重的会造成结构构件失效破坏;碳化后钢筋锈蚀会造成混凝土膨胀开裂,保护层会逐渐剥落;减小了钢筋受力的有效截面面积,承载能力随之下降。由以上内容可知:混凝土碳化后易发生的钢筋锈蚀问题严重影响着结构的耐久性能及使用寿命。通过研究快速碳化试验,研究出混凝土开始碳化直至碳化层达到钢筋层表面所需时间来确保结构所需要的保护层厚度以及提高结构的耐久性。3、混凝土碳化对
19、混凝土结构鉴定的影响前面已经提到混凝土结构完全发生碳化之后,强度会有所提高,但是另一方面关于结构的延展性会下降,其本身性能发生改变,对结构所能承载的抗力也会降低,尤其是在结构抗震方面。现行的各种混凝土技术规范标准都不曾考虑这个问题,也就是碳化后自身的性能变化。这样,整个混凝土结构就处在一个安全到不安全的过渡期间。可以确立一个新的课题研究,主要从事于研究混凝土碳化后的结构抗震性能,随时勘测跟踪混凝土碳化对结构抗震造成影响却是相当有必要存在的。2.3.2 氯离子的侵蚀对钢筋锈蚀的影响我国沿海边上的混凝土结构工程会长期受到海洋环境中氯离子侵蚀,结构中的钢筋锈蚀现象日益严重,很多海港码头完全达不到设计
20、寿命的要求就不得不重新翻建。钢筋混凝土结构在使用寿命期间会遇到的各种暴露条件中,氯化物是其中最危险的侵蚀介质,它的危害非常之大且普遍存在。氯离子分布十分广泛,主要存在于除冰盐、工业环境、海洋环境、混凝土中的原材料、盐湖和盐碱池以及结构遭受火灾时的一些化学反应。一般情况下氯离子进入混凝土的途径主要有两种:其一是毛细吸附作用;其二是自由氯离子的扩散作用。通常,氯离子是以几种方式侵入到混凝土中的。大部分情况下,氯离子的主要传输方式还是扩散作用。使用含氯离子的添加剂、搅拌混凝土是在含盐环境中、大气环境氯离子通过混凝土的表观缺陷侵蚀进入到混凝土,各种现象普遍存在。1、破坏钝化膜在混凝土施工后初期,水泥水
21、化后结构处在一个高碱性的环境下,钢筋表面会逐渐形成一层致密的钝化膜。最开始的研究都认为该膜的主要成分是铁的某些氧化物组成,不过最近研究表明,钝化膜中含有能够强有力保护钢筋不被破坏的Si-O键。但是,它的稳定存在是有一定条件的,那就是混凝土必须始终处在碱性很高的环境中。如果环境中的pH值由于碳化等一些原因导致下降时,Si-O键的稳定性也将会慢慢降低,当pH值降低到10以下时,该钝化膜也将会由于环境的改变渐渐被破坏并不会再生成。而侵入混凝土中的氯离子就是去钝化很强的物质,氯离子进入到混凝土内部后会吸附在钢筋表面的钝化膜上,通过一系列的化学反应会很快的降低pH值,当达到一定的程度时,钢筋表面的钝化膜
22、就会完全被破坏。2、形成腐蚀电池当大量的外界氯离子侵蚀到混凝土内部时,钢筋表面会聚集浓度很高的氯化物,在时间的推移以及各方面条件都齐全的情况下,氯化物对钢筋的腐蚀作用将凸显出来。如果混凝土结构中氯化物的存在出现不均质的情况,就会发生局部腐蚀。腐蚀发生后,钢筋失去钝化膜的保护,裸露在氯化物的环境下,此时会和还没有发生腐蚀的钢筋钝化膜部分形成一个电势差,失去钝化膜的钢筋作为阳极,完好的钝化膜部分作为阴极,形成了一个腐蚀电池。在腐蚀电池作用的影响下,钢筋表面渐渐产生蚀坑,由于电势差的存在以及各方面条件都成熟,蚀坑发展将变得非常迅速直至最后钢筋完全被锈蚀。3、去极化作用氯离子的侵蚀使得混凝土内部钢筋表
23、面形成腐蚀电池,而且还增强了腐蚀电池的作用。钝化膜被破坏处的钢筋聚集着 Fe2+,氯离子会结合反应生成 FeCl2,在电池的作用下又会将反应后的产物及时运走,这样不仅使的阳极反应过程十分顺利进行甚至还加快了整个反应的进行。阳极极化作用是指脱钝钢筋反应过程受阻情形,去极化作用就是加速阳极极化作用,整个过程中氯离子在阳极去极化作用扮演了很重要的角色。在混凝土中,由于氯离子侵蚀造成钢筋锈蚀的产物中一般是找不到FeCl2的,因为它是一种可溶性物质,在扩散运输的过程中遇到氢氧根离子就生成了Fe(OH)2沉淀,再进一步被氧化成铁锈。我们从中可知氯离子的危害一个很重要的特点就是它在整个过程中都不会被消耗,只
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