一般大氣環(huán)境下鋼筋開始銹蝕時間的計(jì)算方法
2006-08-31 00:00
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摘 要：在評估混凝土結(jié)構(gòu)耐久性時，其關(guān)鍵是確定鋼筋開始銹蝕條件。 一般大氣環(huán)境下混凝土中鋼筋開始銹蝕的條件是混凝土碳化及鋼筋脫鈍。 碳化殘量是描述鋼筋開始銹蝕的重要參數(shù)，其大小取決于部分碳化區(qū)長度、碳化速度及脫鈍速度。 以實(shí)際工程檢測數(shù)據(jù)為主要依據(jù)，考慮不同環(huán)境條件，以碳化系數(shù)、保護(hù)層厚度和局部環(huán)境系數(shù)為主要參數(shù)，利用回歸分析方法建立了碳化殘量的計(jì)算公式，并由此計(jì)算鋼筋開始銹蝕的時間。 通過實(shí)際工程數(shù)據(jù)驗(yàn)證，表明本文給出的鋼筋開始銹蝕時間計(jì)算方法，在工程應(yīng)用上是可行的，從而為合理評定混凝土結(jié)構(gòu)耐久性提供依據(jù)。
關(guān)鍵詞：混凝土耐久性；混凝土碳化；鋼筋銹蝕；脫鈍；碳化殘量
混凝土中鋼筋銹蝕是造成混凝土結(jié)構(gòu)耐久性損傷最普遍的因素。 由于混凝土保護(hù)層的碳化或氯離子的滲透導(dǎo)致鋼筋鈍化膜破壞，鋼筋表面在水和氧同時存在的條件下將發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，造成鋼筋銹蝕。 一般大氣環(huán)境下由于混凝土保護(hù)層碳化造成的鋼筋銹蝕廣泛存在于各類混凝土結(jié)構(gòu)中，特別是一些高濕、高溫或干濕交替等不利環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)，鋼筋銹蝕更為嚴(yán)重。
鋼筋銹蝕造成的危害已人所共知。 近十年來，我國在鋼筋銹蝕的發(fā)生、發(fā)展、銹后構(gòu)件性能退化等方面展開了一系列的理論與試驗(yàn)研究，同時也對已有混凝土建（構(gòu)） 筑物進(jìn)行了大量的工程調(diào)查與檢測工作。 在此基礎(chǔ)上，我國又相繼開展了對結(jié)構(gòu)耐久性評估和結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究工作。 然而在耐久性評估方面，確定鋼筋在不同條件下開始銹蝕的時間是首先必須解決的問題。
一般大氣環(huán)境下鋼筋銹蝕的前提條件是鋼筋表面因混凝土保護(hù)層碳化而脫鈍，因此混凝土中鋼筋開始銹蝕時間常常被確定為碳化深度到達(dá)鋼筋表面的時間，依據(jù)碳化方程xc = k · ，鋼筋開始銹蝕時間則為
 式中：c 為混凝土保護(hù)層厚度； k 為混凝土碳化系數(shù)。
然而大量工程調(diào)查和試驗(yàn)結(jié)果表明，上述定義的鋼筋開始銹蝕時間是不準(zhǔn)確的，在有些環(huán)境下用酚酞試劑測定的碳化深度并未達(dá)到鋼筋表面而鋼筋已經(jīng)銹蝕，也有工程調(diào)查資料顯示，碳化到達(dá)甚至超過鋼筋外表面而鋼筋并未銹蝕，這一現(xiàn)象很難用傳統(tǒng)的碳化- 鋼筋銹蝕機(jī)理解釋，因此建立合理的鋼筋開始銹蝕條件是確定鋼筋開始銹蝕時間的關(guān)鍵。
1 鋼筋開始銹蝕條件的分析
一般大氣環(huán)境下鋼筋開始銹蝕時間即為混凝土中鋼筋表面鈍化膜破壞（脫鈍） 的時間，研究表明，對鋼筋的鈍化膜存在兩個p H 臨界值，其一是p H = 9．18 ，低于此值，鋼筋表面鈍化膜不可能生成。 其二是p H = 11． 5 ，大于11．5 才可能生成完整的鈍化膜。 p H 值在9．18 —11． 5 之間時，鋼筋表面的鈍化膜處于不穩(wěn)定狀態(tài)。 由于混凝土碳化過程中在完全碳化區(qū)前沿存在一個不完全碳化區(qū)（部分碳化區(qū)） ，p H 值由低到高在8．5 —12．5 之間變化，這就使處于部分碳化區(qū)內(nèi)的鋼筋鈍化膜有了脫鈍的前提條件，部分碳化區(qū)范圍較大（長度較長） 時，鋼筋可能較早脫鈍，因此部分碳化區(qū)的長短是影響鋼筋鈍化膜破壞的重要因素之一。 決定鈍化膜破壞時間的另一個重要因素是脫鈍速度，由于各種因素的影響，脫鈍速度的差異同樣對鋼筋開始銹蝕時間有十分重要的影響。
1。 1 部分碳化區(qū)長度
國內(nèi)外學(xué)者通過不同途徑研究部分碳化區(qū)長度，如通過x 射線衍射分析Ca （OH） 2 和CaCO3 在混凝土中的濃度分布曲線 （圖1） 或碳化過程中混凝土的p H 分布曲線（圖2） 的變化判定部分碳化區(qū)長度。
  同濟(jì)大學(xué)蔣利學(xué)、張譽(yù)等[4 ] 通過碳化前后的物質(zhì)平衡條件分析了部分碳化區(qū)長度，并給出：
xL = 1． 017 ×104 ×（0．7 - R H） 1。 82 （2）
由（2） 式可以看出，部分碳化區(qū)長度的主要影響因素是水灰比（W/ C） 、水泥含量（ C） 、環(huán)境相對溫度R H（ R H > 0．7 時取為0．7） 。
部分碳化區(qū)是CO2 的擴(kuò)散速度大于反應(yīng)速度產(chǎn)生的碳化反應(yīng)區(qū)段，當(dāng)前雖然還沒有進(jìn)行更多的理論和試驗(yàn)研究工作，但從概念上分析，影響部分碳化區(qū)長度的因素除（2） 式所含因素外，還包括以下因素：
?。?） 環(huán)境CO2 濃度。 當(dāng)環(huán)境CO2 濃度愈高，滲透壓力愈大，部分碳化區(qū)長度愈長；
（2） 影響碳化的諸多因素也都影響部分碳化區(qū)的長度，如澆注面和養(yǎng)護(hù)面碳化系數(shù)的系統(tǒng)差異、水泥品種、摻合料、環(huán)境溫濕度等；
?。?） 部分碳化區(qū)長度與碳化時間有關(guān)，隨著碳化過程的發(fā)展，部分碳化區(qū)長度增加。 碳化區(qū)長度的變化與保護(hù)層厚度無關(guān)，但當(dāng)保護(hù)層厚度增加時，鋼筋脫鈍所需的碳化時間將增長。 因此也可認(rèn)為，部分碳化區(qū)長度隨保護(hù)層厚度的增加而加大，但到某一界限后將不再繼續(xù)增大。
由于混凝土碳化的影響因素對部分碳化區(qū)長度有影響，而這些因素具有隨機(jī)性。 迄今為止，部分碳化區(qū)長度還缺乏一個較準(zhǔn)確、實(shí)用的計(jì)算方法。
1。 2 脫鈍速度
混凝土中鋼筋在高堿度環(huán)境中形成致密穩(wěn)定的厚約20 —60Å的氧化亞鐵鈍化膜，阻隔水和氧滲透到鋼筋表面而使鋼筋免于生銹。 當(dāng)混凝土保護(hù)層碳化后，鋼筋周圍的p H 值降至11． 5 以下時，這種保護(hù)膜將變得不穩(wěn)定而逐步活化，失去對鋼筋的保護(hù)，即所說的脫鈍現(xiàn)象。
迄今為止，人們對脫鈍過程了解和研究的甚少，有研究認(rèn)為脫鈍是氧化亞鐵逐漸氧化的過程，p H值越小脫鈍速度越快，另外，脫鈍速度與鋼筋表面水膜中的溶氧程度有關(guān)，因而影響脫鈍速度的因素與影響鋼筋銹蝕速度的諸因素相近，如干濕交替環(huán)境將加速脫鈍，干燥環(huán)境的脫鈍速度將小于潮濕環(huán)境的脫鈍速度。
1。 3 碳化殘量
碳化殘量最早由日本學(xué)者岸谷孝一提出，其定義為在鋼筋開始銹蝕時碳化前沿到鋼筋外表面的距離，此時碳化深度采用酚酞試劑測試。 實(shí)際上我們最為關(guān)注的是碳化殘量的大小，碳化殘量一旦確定，鋼筋開始銹蝕的時間即可確定。 碳化殘量有別于部分碳化區(qū)長度，后者僅與碳化過程有關(guān)，恒為正值。 而碳化殘量不僅與混凝土碳化過程有關(guān)，還與鋼筋的脫鈍過程有關(guān)，其數(shù)值可為正值，也可能為零和負(fù)值。由于在脫鈍過程中，混凝土碳化同時在進(jìn)行，因此碳化殘量取決于混凝土部分碳化區(qū)長度、鋼筋脫鈍速度及混凝土碳化速度。
2 碳化殘量的確定與鋼筋開始銹蝕時間的計(jì)算
2。 1 試驗(yàn)研究與工程調(diào)查結(jié)果
國內(nèi)外對碳化殘量進(jìn)行過一些試驗(yàn)和工程調(diào)查，如文獻(xiàn)[ 6 ]提出，對室外環(huán)境，當(dāng)碳化深度達(dá)到鋼筋表面時，鋼筋明顯銹蝕，對室內(nèi)環(huán)境，當(dāng)碳化深度超過鋼筋表面20 —30 mm 時，鋼筋銹蝕明顯。 文獻(xiàn)根據(jù)試驗(yàn)及實(shí)際工程檢測，對水灰比W/ C = 0．7 的不含氯離子混凝土，發(fā)生均勻銹蝕時，碳化殘量為10mm ，發(fā)生坑蝕時，碳化殘量為8 mm ，文獻(xiàn)通過試驗(yàn)研究提出碳化殘量約為0．3c（ c 為保護(hù)層厚度） 。
我們在文獻(xiàn)中，通過快速碳化及不同環(huán)境下長期暴露試驗(yàn)研究了碳化殘量，結(jié)果見表1。分析文獻(xiàn)的試驗(yàn)結(jié)果，在同一環(huán)境條件下，鋼筋銹蝕深度極小（0 —0．001 5 mm） 時得到的碳化殘量見表2。
   西安建筑科技大學(xué)通過工程檢測得到的碳化殘量數(shù)據(jù)如表3 所示。
從上述試驗(yàn)和工程調(diào)查結(jié)果可以看出：
?。?） 同種環(huán)境條件下，碳化殘量隨保護(hù)層厚度增大而增加。
?。?） 碳化殘量隨相對濕度變大而增加。 相對濕度增加時，部分碳化區(qū)長度相對減小，碳化速度減小，而鋼筋脫鈍速度加快，在鋼筋脫鈍過程中最終導(dǎo)致碳化殘量x0 變大，這符合潮濕環(huán)境中鋼筋容易銹蝕的實(shí)際情況。
?。?） 碳化殘量隨水灰比（W/ C） 增大而減少。 水灰比增加時，混凝土強(qiáng)度降低，部分碳化區(qū)長度減小，鋼筋脫鈍速度加快，而碳化系數(shù)增長更快。 在鋼筋脫鈍過程中，碳化深度顯著增加，導(dǎo)致碳化殘量變小。
?。?） 室外淋雨環(huán)境脫鈍速度快，碳化殘量大，一般室內(nèi)環(huán)境脫鈍速度慢，碳化殘量小，鋼筋不易發(fā)生銹蝕。
?。?） 碳化系數(shù)與碳化殘量有明顯的相關(guān)關(guān)系，碳化系數(shù)增大，碳化殘量減小。
?。?） 由于在快速碳化銹蝕試驗(yàn)中，CO2 濃度過大，滲透壓增加，鋼筋過早脫鈍，使碳化殘量在某些情況下偏大，而不能真實(shí)反映自然環(huán)境下的碳化殘量。
2。 2 碳化殘量的計(jì)算公式
如前所述，影響碳化殘量的有部分碳化區(qū)長度、脫鈍速度和碳化速度三個要素，當(dāng)前除對碳化速度及其影響因素有較深入的認(rèn)識外，對部分碳化區(qū)長度和鋼筋脫鈍速度還缺乏了解，更無法進(jìn)行定量描述，因此對于碳化殘量的計(jì)算可借助試驗(yàn)和工程檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，并利用實(shí)際工程資料進(jìn)行必要的修正。
根據(jù)文獻(xiàn) ，水灰比（W/ C） 和水泥用量（ C） 對碳化系數(shù)（ k） 和部分碳化區(qū)長度的影響趨勢完全相同，其它因素對二者的影響也有很好的相關(guān)性，影響碳化速度的諸因素都對碳化殘量有影響。 并且除濕度外，碳化系數(shù)和脫鈍速度也有正相關(guān)性。 因此，以碳化系數(shù)和保護(hù)層厚度作為基本參數(shù)，建立碳化殘量公式應(yīng)該是合理的。
對表3 中三鋼棧橋柱實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，并通過西北、華東、西南、中南、華北、東北18 個城市和地區(qū)120 余個構(gòu)件的工程檢測資料的驗(yàn)證，本文提出以下經(jīng)驗(yàn)公式：
 式中： k 為碳化系數(shù)，可采用實(shí)測值，在沒有實(shí)測值時可用（4） 式計(jì)算； kCO2 為CO2 濃度系數(shù)； kkl 為碳化部位系數(shù)，角區(qū)取1。 4 ，其他情況取1。 0 ； kkt 為養(yǎng)護(hù)澆注面影響系數(shù)，取1。 2 ； kks為應(yīng)力狀態(tài)影響系數(shù)，拉應(yīng)力區(qū)取1。 1 ，受壓區(qū)取1 ； R H 為環(huán)境濕度； T 為溫度； kce為局部環(huán)境影響系數(shù)，室外淋雨環(huán)境取3。5 —4 （潮濕地區(qū)取4 ，干燥地區(qū)取3。 5） ，一般室內(nèi)環(huán)境取1 —1。 5 （干燥地區(qū)取1 ，潮濕地區(qū)取1。 5） ； f cu為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度（MPa） 。
值得說明的是，混凝土碳化和鋼筋銹蝕取決于混凝土的滲透性，與混凝土強(qiáng)度無直接關(guān)系，但為簡化計(jì)算，可把混凝土強(qiáng)度作為衡量混凝土滲透性參數(shù)。 雖然強(qiáng)度在一定程度上能反映混凝土滲透性的大小，但混凝土滲透性的變異很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過混凝土強(qiáng)度的變異，因此當(dāng)有實(shí)測碳化系數(shù)時，建議用實(shí)測值通過（4） 式推算f cu ，以期能更好地反映實(shí)際情況。
2。 3 鋼筋開始銹蝕時間計(jì)算
將碳化殘量代入式（1） ，則鋼筋開始銹蝕的時間可表示為：
 式中，碳化殘量按式（3） 計(jì)算， k 均按實(shí)測值取用，推算混凝土強(qiáng)度時，取1。 3。 其他系數(shù)按實(shí)測碳化部位取用。 為了對比起見，將用式（5） 計(jì)算各個檢測點(diǎn)的理論值也列入表3。
由計(jì)算結(jié)果可看出，碳化殘量的計(jì)算與實(shí)測差值（ x0 - x0 j ） 在- 5。 59 —6。 4 范圍內(nèi)變化， 均值為- 0148 ，開始銹蝕時間的計(jì)算與實(shí)測比值（ tj / ti ） 在0。 53 —1。 65 范圍內(nèi)變化，比值的均值1。 003 5 ，標(biāo)準(zhǔn)差0．260 9。 混凝土材料性質(zhì)（包括孔隙率、密實(shí)度等） 的不均勻性是引起計(jì)算與實(shí)測數(shù)據(jù)差值離散性較大的主要因素。 另外，計(jì)算模式的偏差和檢測數(shù)據(jù)誤差也是造成離散性大的因素。 然而從統(tǒng)計(jì)角度，開始銹蝕時間的驗(yàn)算平均比值為1 ，表明式（3） 至式（5） 的計(jì)算公式在宏觀上控制鋼筋開始銹蝕時間是合理可行的。
3 小 結(jié)
合理計(jì)算碳化殘量是準(zhǔn)確判斷鋼筋開始銹蝕時間的關(guān)鍵，碳化殘量由混凝土部分碳化區(qū)長度、鋼筋脫鈍速度以及混凝土碳化速度控制。 當(dāng)前除了對碳化速度已有比較深入的研究外，對部分碳化區(qū)長度、鋼筋脫鈍速度了解甚少，應(yīng)用系統(tǒng)的試驗(yàn)和理論研究成果建立碳化殘量計(jì)算公式還沒有充分的條件。 但一些試驗(yàn)和工程檢測結(jié)果已經(jīng)揭示了碳化殘量的基本變化規(guī)律。 本文以檢測數(shù)據(jù)為主要依據(jù)，用碳化系數(shù)、保護(hù)層厚度和局部環(huán)境系數(shù)為主要參數(shù)建立的碳化殘量計(jì)算公式，與實(shí)際檢測結(jié)果基本吻合，能夠合理地計(jì)算鋼筋開始銹蝕時間，繼而更合理地評定混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。 |
| 原作者： 董振平 牛荻濤 劉西芳 王慶霖 |
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