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(shè)計(jì)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(duì)鋼筋銹蝕產(chǎn)生的影響，強(qiáng)調(diào)應(yīng)實(shí)施混凝土的耐久性設(shè)計(jì)、控制原材料質(zhì)量、施工質(zhì)量、混凝土結(jié)構(gòu)的防護(hù)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(chǔ)為樁基，抗震設(shè)防烈度為7度：混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)：-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(shì)。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(hù)層疏松、酥裂，敲擊有空鼓聲，局部剝離混凝土保護(hù)層，發(fā)現(xiàn)柱內(nèi)一些鋼筋銹蝕嚴(yán)重。

　　在對(duì)該建筑2層檢測(cè)時(shí)混凝土構(gòu)件中，發(fā)現(xiàn)柱內(nèi)鋼筋銹蝕程度不同；對(duì)2層吊頂內(nèi)混凝土構(gòu)件抽查，發(fā)現(xiàn)個(gè)別梁底由于混凝土保護(hù)層厚度較薄，亦出現(xiàn)沿縱筋方向的裂縫，但裂縫很?。换炷涟迓督钐帲摻钜嘤袖P蝕現(xiàn)象。

　　2  檢測(cè)結(jié)果與分析

　　經(jīng)取樣按照現(xiàn)行規(guī)范實(shí)測(cè)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(shí)際強(qiáng)度在C25左右；混凝土柱、梁、板保護(hù)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(shí)具備3個(gè)條件：一是混凝土中鋼筋周圍的C1-積聚達(dá)到一定臨界值，即足以引起鋼筋表面鈍化膜破壞時(shí)，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(shí)，C1-導(dǎo)致鋼筋銹蝕的電化學(xué)過程便可形成。對(duì)于2層的混凝土構(gòu)件，由于處于冬季施工，使用現(xiàn)場(chǎng)攪拌、摻有防凍劑的混凝土料澆筑：柱的混凝土強(qiáng)度等級(jí)偏低，密實(shí)度較差，混凝土保護(hù)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(chǎng)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(duì)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(duì)于存在的SO42-，它可以和混凝土中的氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，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(yán)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(zhǎng)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(shè)計(jì)依據(jù)的缺失問題

　　混凝土強(qiáng)度等級(jí)、混凝土保護(hù)層厚度等因素，是混凝土耐久性設(shè)計(jì)的內(nèi)容：混凝土強(qiáng)度與混凝土的密實(shí)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(hù)層的平方正比于氯離子侵蝕的速度。

　　該工程設(shè)計(jì)時(shí)的規(guī)范無明確的耐久性設(shè)計(jì)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(qiáng)度等級(jí)、最高氯離子含量、最大堿含量、混凝土保護(hù)層厚度等方面的限值規(guī)定。由此可見，設(shè)計(jì)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(shí)困難，混凝土強(qiáng)度的發(fā)展會(huì)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(shí)必須進(jìn)行試驗(yàn)，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(fù)雜性，要對(duì)任一組分的氯離子含量提出一個(gè)合理的限量比較困難，為混凝土設(shè)定一個(gè)可以接受的氯化物限量，需要考慮結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(cè)指標(biāo)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(duì)于摻用外加劑的混凝土，在耐久性設(shè)計(jì)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(qiáng)度、混凝土保護(hù)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(dá)不到設(shè)計(jì)限值，但氯離子濃度一旦達(dá)到引起鋼筋銹蝕的最低點(diǎn)，在鋼筋或鋼筋不同部位之間會(huì)形成原電池，產(chǎn)生銹蝕的電化學(xué)反應(yīng)。鋼筋的銹蝕速率取決于混凝土的導(dǎo)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(hù)層具有重要的作用，混凝土保護(hù)層厚度的平方正比于因氯離子侵蝕而導(dǎo)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(dú)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(gè)膨脹的過程，鐵銹體積可以達(dá)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(yīng)力，最終導(dǎo)致鋼筋保護(hù)層剝落?；炷帘Ｗo(hù)層對(duì)鋼筋的保護(hù)作用，主要取決于混凝土的保護(hù)層厚度和密實(shí)度，能阻止外界腐蝕介質(zhì)、氧氣及水分等的滲入；鋼筋保護(hù)層的剝落，使鋼筋的銹蝕加劇。

　　在混凝土耐久性按要求設(shè)計(jì)、材料選配適當(dāng)?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(duì)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(hù)能力(密實(shí)度和保護(hù)層厚度)不合要求或保護(hù)層有裂縫等缺陷時(shí)，會(huì)加劇對(duì)鋼筋銹蝕作用。但本工程的恒溫環(huán)境，事實(shí)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(huì)更快，發(fā)現(xiàn)的時(shí)間會(huì)更早，可能會(huì)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(shí)上基于一定的條件，如混凝土水灰比、混凝土強(qiáng)度、混凝土保護(hù)層等；對(duì)應(yīng)于混凝土耐久性的保證年限，在基準(zhǔn)條件均滿足相關(guān)規(guī)范要求的情況下，該保證年限可達(dá)到規(guī)范要求的設(shè)計(jì)使用年限或更長(zhǎng)。而一旦有部分條件達(dá)不到要求，混凝土耐久性的設(shè)計(jì)年限會(huì)達(dá)不到要求，甚至?xí)容^短，出現(xiàn)這種情況，表明氯離子的設(shè)計(jì)含量限值已在一定程度或完全喪失意義：混凝土澆筑時(shí)的氯離子含量雖未超限，但由于基準(zhǔn)條件的不滿足，鋼筋銹蝕的時(shí)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(shè)計(jì)質(zhì)量，應(yīng)該達(dá)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(cè)參數(shù)應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)外，工程應(yīng)用尚應(yīng)按照混凝土外加劑及應(yīng)用技術(shù)規(guī)范復(fù)核，即混凝土中氯離子的含量檢測(cè)應(yīng)符合要求：第三是混凝土的施工質(zhì)量控制應(yīng)達(dá)到相關(guān)施工規(guī)范要求，它是混凝土耐久性設(shè)計(jì)質(zhì)量、材料選配質(zhì)量的實(shí)現(xiàn)和保證手段；第四是混凝土結(jié)構(gòu)使用的防護(hù)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(hù)措施得當(dāng)，會(huì)減弱或消除這種影響，防護(hù)措施或是提高混凝土自身的防護(hù)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(hù)和鋼筋阻銹劑等，而摻入阻銹劑被認(rèn)為是保護(hù)鋼筋長(zhǎng)期不發(fā)生腐蝕破壞、可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)壽命的最簡(jiǎn)單、最經(jīng)濟(jì)和效果良好的技術(shù)措施。

作者：巴松濤 李建民

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