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城市建筑钢材的锈蚀与防护

作者:杨琳 来源:建材发展导向 论文栏目:建筑工程论文     更新时间:2019-03-14   浏览

杨琳

摘 要:随着经济与技术的高速发展,建筑钢材的使用增长迅速,钢筋腐蚀带来的问题也逐渐爆露出来。

关键词:建筑钢材;耐腐蚀;防护;保养

随着我国国民经济和建筑领域技术的不断发展,几乎所有的体育馆都采用钢建造,如鸟巢,并向住宅建筑发展。建筑工程的钢材使用无论数量还是规模都逐年增加,随着各类建筑服役年限的增加,建筑钢材相关的工程事故也引起了人们对结构可靠性与耐久性越来越多的重视。然而,在建筑结构的设计过程中,设计人员往往从钢结构设计理念与方法着手,强调结构在地震作用下的表现,如“小震不坏”与“大震不倒”,而忽略了在服役过程中锈蚀对钢材性能的影响,同时未考虑锈蚀造成的结构抗震性能退化,由此造成服役阶段的抗震性能研究滞后。空气中的大量水分与介质,使得处在其中的服役钢结构建筑必将发生钢材锈蚀现象,而钢材锈蚀除造成钢结构构件截面性能削弱外,亦引起钢材力学性能指标(如屈服强度、极限强度、伸长率等)的衰减,最终造成建筑可靠性的降低。因此研究腐蚀环境下钢材锈蚀的机理与退化规律,对建筑抗震性能评估有重大意义,也可为建筑后期维修加固提供依据。

1 钢筋锈蚀的危害

在使用过程中,混凝土中的钢筋锈蚀问题不断出现。长期暴露于空气或潮湿环境中的钢材,尤其是介质中含有侵蚀性成分时,腐蚀更为严重。钢筋锈蚀后,导致混凝土结构性能的裂化和破坏,主要有如下表现。(1)钢筋锈蚀,导致截面积减少,从而使钢筋的力学性能下降。大量的试验研究表明,对于截面积损失率达5%~10%的钢筋,其屈服强度和抗拉强度及延伸率均开始下降,对于截面积损失率大于10%,但小于60%的严重腐蚀,钢筋各项力学性能指标严重下降。如:钢筋截面积损失率达1.2%、2.4%和5%时,钢筋混凝土板的承载能力分别下降8%、17%、和25%,钢筋截面积损失率达60%时,构件承载能力降低到与未配筋构件相近。(2)钢筋腐蚀导致钢筋与混凝土之间的结合强度下降,从而不能把钢筋所受的拉伸强度有效传递给混凝土。(3)钢筋锈蚀生成腐蚀产物,其体积是基体体积的2~4倍,腐蚀产物在混凝土和钢筋之间积聚,对混凝土的挤压力逐渐增大,混凝土保护层在这种挤压力的作用下拉应力逐渐加大,直到开裂、起鼓、剥落。混凝土保护层破坏后,使钢筋与混凝土界面结合强度迅速下降,甚至完全丧失,不但影响结构物的正常使用,甚至使建筑物遭到完全破坏,给国家经济造成重大损失。

2 钢筋锈蚀的原因

钢筋锈蚀的原因有两个方面:一是钢筋保护层的碳化,其碳化的原因是混凝土不密实,抗渗性能不足。硬化的混凝土,由于水泥水化,生成氢氧化钙,故显碱性,pH值>12,此时钢筋表面生成一层稳定、致密、钝化的保护膜,使钢筋不生锈。当不密实的混凝土置于空气中或含二氧化碳环境中时,由于二氧化碳的侵入,混凝土中的氢氧化钙与二氧化碳反应,生成碳酸钙等物质,其碱性逐渐降低,甚至消失,称其为混凝土的碳化。当混凝土的pH值<12时,钢筋的钝化膜就不稳定,当pH值13),只要有4~6mg/L的氯离子含量,就足可以破坏钢筋的钝化膜,使钢筋失去钝化,在水和氧气的作用下导致钢筋锈蚀。

3 钢筋锈蚀的防护措施

影响钢材锈蚀的主要因素是环境温度、湿度、侵蚀性介质种类和数量、钢材的材质及表面状况等。常见的钢材腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐。因此要防止或减少钢材的腐蚀可以从改变钢材本身的易腐蚀性,隔离环境中的侵蚀性介质或改变钢材表面的电化学过程三方面入手。

3.1 采用耐候钢

耐候钢是在碳素钢和低合金钢中加入少量的铜、铬、镍、钼等合金元素而制成。这种钢在大气作用下,能在表面形成一种致密的防腐保护层,起到耐腐蚀作用,同时保持钢材良好的焊接性能。耐候钢的强度级别与常用碳素钢和低合金钢一致,技术指标也相近,但其耐腐蚀能力却高出数倍。

3.2 涂覆保护膜

涂覆保护膜使金属与周围介质隔离,既不能产生氧化锈蚀反应,也不能腐蚀原电池。如在钢材表面涂刷各种防锈涂料、搪瓷、塑料;或者喷镀锌、铜、铬、铝等防护层。

3.3 电化学防腐

电化学防腐有有阳极保护和阴极保护,一般使用在不容易或不能涂敷保护膜层的钢结构上。如蒸汽锅炉、地下管道、港口工程结构等。

阳极保护是在钢结构附近安放一些废钢铁或其他难熔金属,如高硅铁、铝、银合金等,外加直流电源(可用太阳能电池),将负极接在被保护的钢材上,正极接在难熔的金属上,通电后难熔金属成为阳极而被腐蚀,钢材成为阴极得到保护。

阴板保护是在被保护的钢材上接一块比被保护的钢材更活泼(电极电位更低)的金属,例如锌、镁等,使金属成为腐蚀电池的阳极被腐蚀,钢材为阴板得到保护。

3.4 混凝土中钢筋防腐

钢筋混凝土中大量应用钢筋,由于水泥水化产生大量Ca(OH)2,PH值达12以上,处于这种强碱性环境中的钢筋,形成钝化膜,防止了钢筋的锈蚀。随着混凝土的碳化,PH值下降,钢筋表面钝化膜破坏,如果具备了潮、供氧条件,钢筋将产生电化学腐蚀。

3.5 控制保护层厚度

采用不锈钢、电化学腐蚀和加保护膜的方法固然可以防止钢筋锈蚀,但从经济等角度考虑,实际土建工程是难以实现的。在土建工程工,通常是通过严格控制混凝土的保护层厚度,保证在设计年限内碳化深度达不到钢筋表面,以防止钢筋锈蚀。

3.6 在混凝土中掺入高效减水剂

通过掺入减水剂,降低用水量,提高密实度,有效地阻止钢筋锈蚀。

3.7 在二氧化碳浓度高的工业区采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥

通过此方法限制含氯盐外加剂的掺量并使用混凝土用钢筋阻锈剂。

3.8 明显锈蚀的钢筋不宜使用

按照国家有关规范规定,明显锈蚀的钢筋不宜使用,有浮锈的钢筋在使用前必须进行除锈处理。

4 结语

虽然钢筋锈蚀会给混凝土建筑物带来严重的危害,但在实际施工中,只要加强领导,严格管理,精心施工,并根据环境的特点和材料的性质,采取相应的措施,是完全能够防止和推迟混凝土中钢筋的锈蚀,从而提高建筑的使用性和耐久性。

参考文献

[1] 混凝土质量控制标准(GB50164-2011)[S].

[2] 混凝土结构工程施工质量验收规范(GB50204-2002)[S].

[3] 高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2010)[S].

[4] 建筑抗震设计规范(GB50011-2010)[S].

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