建筑结构设计中钢筋混凝土构件的锈蚀及其影响

　　前言

　　近年来，全国各地建筑需求量不断增长，购房用于居住或用于投资，已经成为人们生活中的一大开销。但建筑质量却不容乐观。

　　目前我国常规房屋设计的使用寿命为50年，这种预测是建立在我国混凝土设计规范的基础上的。但我国许多房屋都达不到此标准。由于一些原因，许多钢筋混凝土的寿命不过25年左右，造成这种情况的主要原因，其中之一就是钢筋的锈蚀。

　　一、钢筋锈蚀

　　钢筋混凝土构件是由钢筋和混凝土组成。由于钢筋抗拉强度非常高，一般在200MPa以上，所以在混凝土中加入钢筋以增加混凝土的拉力。由钢筋承担其中的拉力，混凝土承担压应力部分。钢筋与混凝土之间有良好的粘结力。钢筋和混凝土的弹性模量比较接近，还有较好的化学胶合力、机械咬合力和销栓力，这样既发挥了各自的受力性能，又能很好地协调工作，共同承担结构构件所承受的外部荷载。在一栋建筑中，钢筋和混凝土的结合物是支撑起建筑全身重量的骨架。可以说钢筋混凝土是建筑物的主体部分。

　　混凝土中的钢筋锈蚀一般为电化学锈蚀反应。

　　混凝土结构中的钢筋腐蚀是在有水分子参与的条件下发生的,钢筋锈蚀的电极反应式为：

　　阳极： Fe®Fe2++2e

　　阴极： O2+2H2O+4e®4OH-

　　阳极表面二次化学过程：

　　Fe2++2OH-®Fe(OH)2

　　4Fe(OH)2+O2+2H2O®4Fe(OH)3

　　在氧气和水的共同作用下，钢筋表面的铁不断失去电子而溶于水，从而逐渐被腐蚀，在钢筋表面生成红铁锈，引起锈蚀。

　　二、钢筋锈蚀主要原因

　　1.混凝土不密实

　　混凝土密实度不良。当水泥用量偏小,水灰比例不当，振捣不良,或在混凝土浇筑中产生露筋、蜂窝、麻面等情况,会加速钢筋的锈蚀。

　　2.混凝土碳化和侵蚀性气体

　　空气中的二氧化碳气体,在混凝土表层中逐渐被氢氧化钙的碱性溶液所吸收,相互反应生成碳酸钙(CaCO3)。这种现象称为混凝土的碳化。生成的碳酸钙很难溶解,其饱和溶液的PH值为9。因此,混凝土碳化的结果,就是PH值不断下降,并不断向内部深化;当碳化深度达到或超过钢筋保护层时,钢筋表面的钝化膜遭到局部破坏,钢筋锈蚀开始。

　　3.杂质的侵入

　　钢筋材质中的一些“杂质”，使钢筋容易锈蚀。为了在混凝土中避免这种情况的发生，外边要加混凝土保护层。如果保护层厚度不足，里面的钢筋就会提前锈蚀。

　　4.环境条件

　　环境条件是引起钢筋锈蚀的外在因素，如温度、湿度及干燥交替作用，海水飞溅、海盐渗透等都对混凝土结构中的钢筋锈蚀有明显影响。

　　三、对建筑物的影响

　　钢筋锈蚀使其力学性能以及粘结性能发生退化，严重降低了钢筋在混凝土结构中的作用，甚至导致混凝土结构的坍塌破坏。直接影响到混凝土结构的安全性及耐久性。

　　钢筋锈蚀，锈迹扩展使混凝土开裂并使钢筋与混凝土之间的结合力丧失。当水穿透混凝土表面进入内部时，受冻凝结的水分体积膨胀，经过反复的冻融循环作用，在微观上使混凝土产生裂缝并且不断加深，从而使混凝土压碎并对混凝土造成永久性不可逆的损伤。

　　1.钢筋锈蚀对结构受力的影响

　　(1)削弱钢筋的受力,尤其是预应力混凝土结构内的高强度钢丝,表面积大、截面小、应力高,一旦发生腐蚀,危险性更大,严重者会导致构件断裂的危险。

　　(2)钢筋腐蚀体积膨胀大约增大了2.2倍,使混凝土保护层破裂甚至脱落,从而降低结构的受力性能和耐久性能。

　　2.锈蚀钢筋混凝土构件的力学性能

　　锈蚀作用造成钢筋的局部坑蚀将严重影响钢筋的力学性能,实际工程中钢筋的锈蚀是由最初的点蚀坑逐渐扩大发展的,锈蚀坑产生的缺口效应力集中将引起锈蚀钢筋屈服强度、极限强度、延伸率和粘结强度等力学性能指标的变化,蚀坑处应力集中现象对构件的受力性能有着严重的影响。

　　钢筋锈蚀影响结构耐久性主要体现在两个方面:

　　(1)导致钢筋有效截面面积的减少;

　　(2)锈蚀后体积膨胀(约为锈蚀前的2-4倍)引起顺筋裂缝、保护层脱落以及粘结力下降等,最终导致构件承载力下降、服役寿命缩短。

　　3.锈蚀钢筋混凝土构件的粘结性能退化

　　钢筋混凝土结构是一种钢筋和混凝土的复合材料结构,结构的各项性能不仅取决于钢筋与混凝土的物理力学性能,而且与钢筋与混凝土之间的协调工作能力有关。在承载能力和使用极限状态下,钢筋强度能否得到利用取决于粘结的有效长度。钢筋与混凝土之间粘结性能的退化往往造成构件刚度降低,丧失强度。

　　四、改善措施

　　1.混凝土保护层

　　增加混凝土保护层厚度可以显著地推迟腐蚀因子渗透到钢筋表面的时间，也可提高对钢筋锈蚀膨胀的抵抗力。混凝土碳化达到钢筋表面的时间与保护层厚度的平方成正比。增大保护层厚度能有效地推迟碳化时间。

　　2.控制混凝土拌和物中的氯盐含量

　　某些化学离子(如C1-、I-、Br-)对钝化膜有特殊的破坏作用。它们在钢筋保护层不被碳化或中性化的情况下也可以破坏钢筋钝化膜，发生锈蚀现象。氯离子是这一类离子中最常遇到的。氯离子半径很小，穿透力强，很容易吸附在钢筋阳极区的钝化膜上，取代钝化膜中氧离子，使钢筋起保护作用的氢氧化铁变为无保护作用的氯化铁。由于氯离子到达钢筋表面的不均匀性，特别是氯离子作用在钢筋局部区域时，则局部区域为阳极，形成了大阴极小阳极的腐蚀。

　　因此必须严格控制氯离子的总量，即应对混凝土拌和物中的氯盐含量加以控制。 拌合混凝土时只允许使用清水。禁止使用盐来为混凝土路面除冰。

　　3.提高混凝土密实性

　　提高混凝土的密实性，减少内部微细孔函隙和毛细管通首是加强钢筋防腐蚀能力的最根本途径。首先要严格控制水灰比。施工时就要均匀振捣，严格控制振捣时间“防止偏振和漏振”还要认真加以养护。这样才能保证保护层的密实，并使水泥浆完全覆盖住钢筋以形成一层有效的隔离层。

　　4.采用防护材料或外部措施，

　　如采用喷塑钢筋、钢筋表面涂锌、混凝土中掺加缓蚀剂、混凝土表面涂刷防护层、采用聚合物浸渍混凝土表层以及设置阴极保护设施等。

　　参考文献:

　　[1]陈丽华、李爱群、赵玲, 钢筋混凝土梁柱节点的研究现状[J]. 工业建筑出版社, 2005.35

　　[2]牛狄涛 混凝土结构耐久性与寿命预测 [J]. 科学出版社 .2006.03

　　[3]陈云敏 建设工程检测技术与应用 [J]. 浙江大学出版社 . 2006.05

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文章名称： 建筑结构设计中钢筋混凝土构件的锈蚀及其影响

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