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钢筋混凝土结构耐久性问题研讨

钢筋混凝土结构耐久性问题研讨:钢筋商品混凝土结构在自然环境和人为环境的长期作用下。发生极其复杂的物理化学反应而造成损伤,随着时间的延续,损伤的积累使结构的性能逐渐恶化,以至不能满足其功能要求。商品混凝土结构耐久性是复杂的综合问题。

摘要:介绍了钢筋在商品混凝土中损坏的原理,商品混凝土对钢筋的保护作用及如何保证商品混凝土的耐久性。

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关键词:商品混凝土;耐久性;措施 

钢筋商品混凝土结构在自然环境和人为环境的长期作用下。发生极其复杂的物理化学反应而造成损伤,随着时间的延续,损伤的积累使结构的性能逐渐恶化,以至不能满足其功能要求。商品混凝土结构耐久性是复杂的综合问题。现简述如下: 

1、钢簏在商品混凝土中损坏的原理 

1.1 商品混凝土的一般特性

从组成材料看商品混凝土实质是脆性材料,它从浇筑凝结、受荷直至破坏这一整个过程,实际上是组成骨料界面处某部分的微裂缝存在发展的过程。这些裂缝的形成和分布与商品混凝土的级配、密实度以及养护使用条件有关。影响耐久性除了骨料的强度之外,尚与内部存在的微缺陷和微裂缝数量及分布部位有关。随着应力和使用时间的延长,内部裂缝不断发展以形成宏观裂缝,内外贯穿加快表面的碳化和破坏。

1.2 保护层对钢筋的作用

碱性材料组成的商品混凝土是防止钢筋绣浊的绝好材料。许多资料表明:处于高碱性(pH>12.5)环境中的钢筋,表面生成难溶的Fe2O3和Fe3O4钝化膜,能有效防止钢筋产生绣浊,使其具有较好的化学稳定性。由于商品混凝土本身组成材料具有碱性,因而在未受到化学介质腐蚀作用下对钢筋具有较好的保护作用。

1.3 商品混凝土保护层的破坏

含量较高的碱性对钢筋有较好的保护,但是当处于大气环境中的构件不断遭受空气中的二氧化碳气体的碳化和其他介质的侵蚀,以及冬季的冻胀作用,都使原有的保护逐渐消耗失效。当钢筋表面保护层pH<9或者氯离子含量达到一定限度时,碱性条件下生成的钝化层遭受破坏,保护层对钢筋的保护失败,此时在潮湿和渗透作用环境中钢筋开始从表面锈蚀进而坑蚀加重。

1.4 钢筋的锈蚀

商品混凝土内部的水分是很重要的因素,钢筋只有在含有水和氧气存在的条件下才能产生锈蚀,钢筋开始锈蚀时,电子从阳极区域的铁分子中脱离,向阴极移动;氧与水反应形成的氢氧离子(OH-)与铁离子(Fe2)生成氢氧化亚铁,进而生成氢氧化铁,最后生成铁锈。

阳极反应:Fe→Fe2+2e-

阴极反应:O2+2H2O+2e-→4(OH-)

锈蚀产物最初是Fe(OH)2,在空气中继续氧化可生成铁锈Fe(OH)3因铁锈是两种产物的混合物,不能在钢筋表面形成完整的覆盖膜,而是疏散物,由此可见氧的不断渗入是锈蚀发展的能源,而水的存在是反应的必要条件。结构中钢筋锈蚀的三个主要因素是:pH值的降低或氯离子的存在及商品混凝土的水分和氧的侵入。

 

2、商品混凝土对钢筋的保护作用

 

2.1 商品混凝土的碳化过程:商品混凝土的碳化是指商品混凝土内水泥石中ca(OH)2与空气中的CO2时发生化学反应,生成CaCO3和H2O。商品混凝土是多孔性松散材料,施工中的多种因素形成的众多毛孔体,在两个相对的表面,存在着压力浓度或电位差时,将出现从高处向低的方向迁析的过程,大气中的二氧化碳湿气不断的溶解于裂缝毛细孔内并向里逐渐渗透,和水泥水化产物氢氧化钙反应生成碳酸钙,这会使商品混凝土的pH值的降低导致钢筋生锈。中和商品混凝土保护层内碱性其过程表现为:Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O商品混凝土中的Ca(OH)2是保护其碱性的主要成分,由于碳化作用不断的损耗商品混凝土中存在的Ca(OH)2,使碱性含量不会降低,这会使商品混凝土的pH值的降低导致钢筋生锈,这样促使钢筋的钝化层逐渐破坏,商品混凝土保护层失去作用,使钢筋同暴露在大气环境中一样。

2.2 商品混凝土的碱一骨料反应是指水泥中的碱(Na2O、K2O)与骨料中的活性二氧化硅发生反应,在骨料表面生成复杂的碱一硅酸凝胶,吸水,体积膨胀(可增加3倍以上),从而导致商品混凝土产生膨胀开裂而破坏,这种现象称为碱一骨料反应。碱-骨料反应必须具备三个条件:a.水泥中碱含量高,(Na2O+0.658K2O)%大于0.6%;b.骨料中含有活性二氧化硅成分,此类岩石有流纹岩、玉髓等;c.有水的存在。碱.骨料反应速度极慢,但造成的危害极大,而且无法弥补,其危害需几年或几十年才表现出来。通常用长度法,如六个月试块的膨胀率超过0.05%或一年中超过0 1%,这种骨料认为具有活性。

2.3 恶劣环境商品混凝土的腐蚀作用

商品混凝土结构不仅遭受大气的侵蚀,而且受废气和液体的长期侵蚀。一般情况下钢筋商品混凝土的腐蚀可分为酸碱两种主要介质的腐蚀。酸类介质对构件的主要破坏作用表现为:同商品混凝土的有机组成发生化学反应,分解中和商品混凝土中胶结体和水化产物,使商品混凝土疏松,pH值大量降低;盐类介质的腐蚀影响表面为:介质从表面裂缝毛孔渗入内部,与商品混凝土组成发生化学反应结合形成具有膨胀性能的结晶产物,使商品混凝土内部由于内胀应力大于拉力而裂开,加速介质不断侵入;当盐类介质浓度较小时,能使处于碱性商品混凝土中的钢筋钝化膜损坏,这是由于CI-具有的吸附性,将吸附的氧排出,从而使钢筋发生锈蚀。

2.4 冻胀和碳化作用

北方广大地区冻融破坏是最为严重的形式之一。由于商品混凝土内部存在众多孔隙,处于在饱水状态与负温时,水分冻结体积膨胀9%,各孔壁上产生相当大内压力,引起孔壁胀大并产生拉应力;在正温时冰虽融化但孔位不能复位。如此反复使孔隙不断扩大冻结加深。作用于孔隙拉应力超过实际抗拉强度时,出现小裂缝,随气温不断降低和循环次数增加,裂缝扩展和连通使构件开裂破坏;而商品混凝土的碳化包括三个过程:即化学反应、二氧化碳扩散和氢氧化钙扩散速度,都受商品混凝土使用水泥品种、用量、水化程度、水灰比影响、并与湿度和温度有关。当温度较低时水变成冰,化学反应停止碳化实际上无法进行。随温度的升高碳化加快进行,ca(OH)2的扩散速度、CO2扩散速度和化学反应速度也加快。 

3、提高商品混凝土耐久性的措施 

耐久性是商品混凝土抵抗各种破坏因素、保持强度和外观完整的能力。耐久性内容广泛但必须在以下几方面措施进行控制:

3.1 钢筋保护层厚度

3.2 合理选择水泥品种:主要取决于水泥中熟料的含量,试验证明普通硅酸盐水泥的抗腐蚀能力优于矿渣和火山灰水泥,高强度水泥优于低强度水泥。普通425“硅酸盐水泥抗碳化系数为1.90,而矿渣325#水泥抗碳化系数达1.50。

3.3 适当控制的水灰比和水泥用量:在水泥用量不变情况下,水灰比越大、用水量多、碳化速度快,当水灰比为0.4时,碳化影响系数为0.70,水灰比为0.7时,碳化影响系数达1.90;水泥用量对商品混凝土耐久性影响明显,水泥用量越大商品混凝土碳化速度越小。例如水泥用量250kg/m3,碳化影响系数为1.4,当用量达500 kg/m3时,影响系数只有0.70.

3.4 集料影响、用坚固、密实的集料配制商品混凝土抗腐蚀冻胀性好,粗径、大扁平颗粒比例大集料差,多孔轻集料抗腐蚀碳化更差。

3.5 掺外加剂

3.6 砂率、砂浆的抗冻性比商品混凝土好,提高砂率、改善易性、充分振捣对冻融碳化性好。

3.7 养护方法,养护方法对商品混凝土微观结构影响较大,热养护将加速表面碳化。

3.8 龄期随着浇筑后养护龄期的延长、水泥不断水化,冻水减少和水中溶解盐浓度增加,冰点也随之降低,强度增加。

3.9 施工控制从原材料到结构施工完成,中间工序质量控制内容项目很多,按施工质量标准和检验、检查、抽检监督进行,项项合格达标,使各构件及整体结构耐久性大致相等。

3.10 保证砼的施工质量。表商品混凝土结构的耐久性基本要求环境类别最大水灰比最小水泥用量最底商品混凝土强度等级最大氯离子含量占水泥用量最大碱含量①0.65 225 C20 l不限制②a.0.60 250C25 0.3 3.0 b.0.55 275C30 0.2 3.0③0.50 300C300.13.0。

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