一、综述
钢筋锈蚀是一个电化学过程,需要阳极、阴极和电解液。潮湿混凝土基质中的水分是一种不错的电解液,而钢筋本身就提供了阳极和阴极。电流在阳极和阴极间流动并使得钢筋发生电化学反应,在这个反应过程中,铁Fe被氧化生成亚铁Fe(OH)2和氢氧化铁Fe(OH)3,还会生成沉淀物碱式氧化铁FeO OH(铁锈的颜色来源于此),这些反应生成物的体积比原金属铁的体积大,对周围的混凝土产生应力,从而导致混凝土开裂、剥离,沿钢筋纵向产生裂缝,并有锈迹渗出到混凝土表面。由于锈蚀使钢筋有效截面积减小,钢筋与混凝土握裹力削弱,结构承载力下降,并诱发其它形式的裂缝,导致水和空气进入裂缝,加速钢筋的锈蚀,形成恶性循环。
水和氧气是这个电化学反应的必要条件,没有水和氧气的存在,这个电化学反应就不会发生。在高质量的混凝土中,钢筋锈蚀的速度很慢。如果混凝土的PH值(碱性)下降(碳化反应)或有腐蚀性化学物质侵蚀(氯离子等)或在混凝土中存在不同的金属,都会使钢筋的锈蚀速度加快。其他如弥散电流或由于化学环境不均匀而产生的浓差电池现象等,也可以使钢筋的锈蚀速度加快。
二、钢筋钝化膜受损机理
混凝土孔隙中是碱性很强的氢氧化钙(Ca(OH)2)溶液,其理论PH值在12.5左右,但由于混凝土通常还会含有少量的钠盐(Na2O)和钾盐(K2O),因此,实际PH值往往大于13。在这样的强碱性环境中,钢筋表面被氧化,形成一层很薄(10-9数量级)但很致密的水化氧化膜,牢固地吸附在钢筋表面,使钢筋处于钝化状态,俗称“钝化膜”。当钢筋处于钝化状态时,即使在有水分和氧气存在的条件下,钢筋也不会发生锈蚀。
在没有杂散电流的环境中,有两个因素会损坏钢筋钝化膜,一是混凝土中性化(主要形式是碳化反应)使钢筋附近的PH值降低;二是足够浓度的游离氯离子(Cl-)扩散到钢筋表面。
碳化反应(或硫酸等引起的其他中性化)使混凝土孔隙中的氢氧化钙含量逐渐减少,PH值逐渐下降。当PH值下降到11.5左右时,钝化膜不再稳定,当PH值降到9—10时,钝化膜就会被完全破坏,钢筋处于脱钝状态,锈蚀就有可能发生。
当钢筋表面的混凝土孔隙溶液中的游离氯离子浓度超过一定值时,即使在碱性较强、PH大于11.5的环境下,氯离子也能破坏钝化膜,从而导致钢筋发生锈蚀。因为氯离子的半径小,活性大,容易吸附在钝化膜有缺陷的地方。同时,氯离子有很强的穿透钝化膜的能力,在钢筋与钝化膜之间界面形成易溶于水的氯化铁(FeCl2),使钝化膜局部溶解,形成坑蚀。如果氯离子在钢筋表面分布比较均匀,这种坑蚀现象会广泛发生,点坑蚀扩大、合并,导致发生大面积的锈蚀。
三、钢筋锈蚀的电化学机理
脱钝后钢筋的锈蚀是一个电化学过程,需要具备三个条件。第一,钢筋表面存在电位差,有阴极和阳极;第二,钝化膜受到破坏,处于不稳定状态;第三,钢筋表面有电化学反应和离子扩散需要的水和氧气。
由于混凝土的碱性或氯离子浓度分布不均匀、钢筋在加工过程中导致的内部应力不均匀、钢筋中碳元素和其他合金元素分布不均匀等因素,都会导致钢筋各个部位的电位不同,形成阴极和阳极,因此,实际上第一个条件总是存在的。
当钢筋表面的钝化膜受到破坏处于不稳定状态,而水和氧气又能满足要求时,钢筋的锈蚀就开始了。钢筋锈蚀包括四个基本过程:
1,阳极反应过程:阳极区通常是钝化膜受到破坏的区域,这里的铁原子转变为阳离子(Fe2 ),同时释放出2个电子:
2,电子传输过程:阳极区释放的电子通过钢筋向阴极区传送。
3,阴极反应过程:阴极区附近混凝土孔隙中的水和氧气吸收阳极区传来的电子,发生还原反应,生成氢氧根(OH-)
4,锈蚀产物生成过程:阳极区生成的铁离子(Fe2 )向周围水溶液中扩散,与阴极区生成的氢氧根(OH-)发生反应,生成氢氧化亚铁(Fe(OH)2),然后再进一步氧化,生成氢氧化铁(Fe(OH)3)。氢氧化铁脱水后,就会变成疏松、多孔的红锈三氧化二铁(Fe2O3),堆积在阳极区表面。在氧气不足的情况下,氢氧化亚铁也会因氧化不完全,形成部分黑色的铁锈四氧化三铁(Fe3O4),同样,也堆积在阳极区。
四、影响钢筋锈蚀的因素
混凝土中钢筋锈蚀的速度与以下因素有关:
1,混凝土的PH值:
混凝土的PH值对钢筋的锈蚀速度影响很大。当PH值在4---10之间时,锈蚀速度基本不变。当PH值小于4时,锈蚀形式发生变化,不再是吸氧锈蚀,而变成析氢锈蚀,锈蚀速度迅速上升。当PH值大于10时,锈蚀速度的降低与PH值的增大大致成正比。当PH值大于11.5时,钢筋处于完全钝化状态,锈蚀不会发生。
2,温度:
锈蚀速度对温度很敏感,摄氏40度时,锈蚀速度是摄氏22度时的2倍。温度小于摄氏10度时,锈蚀速度很慢。在10----60度之间,锈蚀速度基本与温度上升成正比。
3,氯离子浓度:
钢筋附近的氯离子浓度越大,对钝化膜的破坏力就越大,钢筋的活性越大,锈蚀速度也越大。由于钢筋的活性还受氢氧根浓度的影响,氢氧根浓度高时,钝化膜的稳定性就好,破坏钝化膜需要的氯离子浓度就大,反之亦然。因此,氯离子浓度与氢氧根浓度之比有一个临界值,小于这个临界值时,锈蚀不会发生。
4,混凝土的电阻抗:
混凝土的电阻抗是影响钢筋锈蚀的一个重要因素,无论是否有氯离子存在,在很大范围内,钢筋的锈蚀速度与混凝土的电阻抗成反比。降低水灰比,延长养护龄期,提高水泥水化程度等措施都有利于提高混凝土的电阻抗。
5,保护层厚度:
钢筋的保护层厚度越大,氧气的浓度梯度越小,锈蚀速度越慢。
6,水泥品种和掺合料:
C3A(铝酸三钙)对氯离子的吸附作用最大,因此当铝酸三钙含量高时,被吸附的氯离子多,游离的氯离子的浓度小,对防止锈蚀有利。高碱水泥的孔溶液中的氢氧根浓度高,也能降低锈蚀速度。
各种掺合料对降低锈蚀速度都是有利的,主要体现在延缓锈蚀的开始时间和降低锈蚀速度上。因为矿渣粉、粉煤灰、硅粉等都对氯离子有较大的吸附作用,从而降低了游离氯离子的浓度。矿渣粉的掺入对于氢氧根浓度影响不大,因此其改善混凝土抗锈蚀性能最好。相反,粉煤灰掺入后,会降低氢氧根浓度,这对防护钢筋锈蚀是不利的。但它能密实孔结构,降低氯离子和氧气的扩散系数,这对防护钢筋锈蚀又是有利的。从效果上看,粉煤灰对防治氯离子引起的锈蚀没有矿渣粉好。不管碳化反应引起还是氯离子引起的锈蚀,掺入硅粉都是有利的。掺入硅粉可以降低氧气和氯离子的扩散速度,减小混凝土的孔隙率,提高电阻抗,从而大大降低锈蚀速度。
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