海工混凝土结构的腐蚀机理与防腐措施
- 格式：pdf
- 大小：723.51 KB
- 文档页数：4
长期处于空气部位 受风起细小海盐颗粒 轻微缓慢侵蚀作用 （由钢筋腐蚀而膨胀 ） 浪溅区 高潮位 氧气充分， 无海洋生物， 腐蚀程 度最严重， 腐蚀速度最快 （冻融作用 ） （硫酸盐化学作用 ）
使用性能 。 据国外 2004 年统计资料介绍， 英国现有桥梁 中的 35%～ 40%因结构腐蚀必须进行修复，所需费用占 年 GDT 的 3.14%, 美国近 60 万座桥梁中一半以上出现 钢筋腐蚀破坏，每年所需维修费用占年总建造经费的 1.25%。据我国 2004 年资料统计， 国内近 40 万座桥梁中 有 1 万多座已受到损害， 其中 4 000 多座已成危桥， 每年 因腐蚀问题造成的损失达几十亿元 。
图 1 海洋环境中钢筋混凝上腐蚀部位划分
市政 · 交通 · 水利工程设计
Municipal ·Traffic· Water Resources·Engineering Design
海洋环境中钢筋混凝土桥梁结构腐蚀的主要原因有： 钢筋锈蚀 、 碳化侵蚀 、 镁盐 、 硫酸盐侵蚀 、 酸性气体侵蚀 、 碱 骨料反应等 。 其中 , 钢筋锈蚀是主因 , 它所造成的破坏和损 失最严重 。 其腐蚀破坏机理如下 。 1）碳化作用机理 : Ca(OH )2+H 2O+CO 2→ CaCO 3+2H 2O 碳化结果可使 pH < 9 ，低于保持钢筋钝化最低 pH 值 9.5 ， 可导致混凝土中性化， 致使钢筋不可避免产生锈蚀 。 2） 盐类侵蚀作用机理:3CaO· Al2O 3+3CaSO · 4 2H 2O+26H 2O →3CaO· Al2O · 3 3CaSO · 4 32H 2O 近年来， 由于环境污染严重， 在某些地区， 酸雨对钢筋 混凝土的危害比碳化更为严重 。 盐类侵蚀引起混凝土体积 开裂 、 破坏， 发生后很难阻止， 不易修补和挽救 。 膨胀 、 3） 钢筋锈蚀作用机理： 钢筋锈蚀主要是由氯离子侵蚀 引起 。调查表明， 即使混凝土碳化深度浅， 在氯离子含量较 高的情况下钢筋也容易遭受腐蚀 （见图 2） 。
1 混凝土腐蚀破坏及其腐蚀现状
混凝土腐蚀破坏是指在环境作用下因受物理和化学各种 破坏作用而使其耐久性能、 力学性能明显降低的现象。它的直接 后果则会造成混凝土内部钢筋锈蚀并产生高达 30MPa 的锈胀 力 ， 致使混凝土开裂， 因而直接影响到结构的安全性和
[1]
2 跨海桥梁的腐蚀破坏机理
海洋环境下的钢筋混凝土结构不同部位受不同程度 侵蚀， 侵蚀部位分为长期暴露区 、 浪溅区 、 潮差区 、 水下区 4 部位， 如图 1 所示 。
3.2 改善混凝土性能措施
为了提高混凝土结构的耐久性， 应采用优质混凝土 。 一 般是提高普通混凝土密实度和抗渗性及采用 高 性 能 混 凝 土 。 对普通混凝土， 应控制水灰比大小 , 浪溅区混凝土水灰 比最大值可控制在 0.4 ～ 0.5 之间 。 试验研究表明 : 1） 混凝土的抗裂及抗氯离子侵蚀性能可通过改变胶凝 材料中掺合料的比例来实现 。 2） 大比例单掺粉煤灰或单掺磨细矿渣可显著降低胶凝 材料的早期水化热，对后期水化热也有较大的降低作用， 采用三组分 （含水泥 、 矿碴 、 粉煤灰）胶凝材料配制的混凝 土，可以配制出绝热温升小并利于改善混凝土的抗裂性能 的低热混凝土 。 3） 在降低水化热方面， 中热水泥要优于硅酸盐水泥 。 利 用中热水泥， 采用 0.30~0.40 的水胶比， 掺加 55%左右的磨 细矿渣和 15%左右的粉煤灰，可配制出强度等级满足桥梁 混凝土设计规范要求的高性能混凝土，实践证明其具有良 89
3.1 结构措施
合理设计结构形式和构造是防腐的基本措施 , 主要归 纳如下几点 。 1） 为减少与海水接触或被浪花飞溅范围， 尽量选择大 跨度的桥梁布置方案 。 2） 选择合适的结构形式 , 构件截面几何形状应简单 、 平 顺 , 尽量减少棱角或突变 , 避免应力集中，尽可能减少混凝 土表面裂缝 。 对浪溅区 , 控制混凝土裂缝宽度小于 0.1mm 。 3） 对支座和预应力锚固等可能产生应力集中部位 , 采
工程建设与设计
Construction & Design For Project
海工混凝土结构的腐蚀机理与防腐措施
Corrosion Mechanism and Anti-corrosion Protection of Concrete Structure over Sea
刘斌云， 张 胜 ，李 凯
环境中， 至少也可达钢材体积的 1.5 倍 ～ 3 倍 。裂缝的扩张 和混凝土保护层的开裂和剥离，破坏了钢筋混凝土结构的 完整性， 也导致钢筋性能减弱 。 为保证结构安全使用，确保桥梁在设计基准期内不致 于使氯离子渗透至钢筋表面 , 需采取一系列防腐措施 。
3 目前采用的主要防腐措施
1) 选择合适的工程布置 、 结构形式和构造 , 避免结构形 成锈蚀通道 。 2) 采用抗腐蚀性和抗渗性良好的优质混凝土 、 高性能 混凝土以改善混凝土工作性能 。 3) 根据不同的环境， 适当增加的混凝土保护层厚度 。 4)预留钢结构材料腐蚀厚度 。 5) 采用先进施工工艺 , 提高施工技术水平 。 6） 其它特别辅助措施 。
（北京工业大学 建筑工程学院， 北京 100124 ） LIU Bin-yun ，ZHANG Sheng， LI Kai
(College of Architecture and Civil Engineering,Beijing Universityof Technology,Beijing 100124,China) 海工混凝土结构的腐蚀破坏是因海水环境中的氯离子渗透聚集于混凝土内钢筋表面并致其钝化膜失去保护作用而造成 【摘要】 的， 这是一个复杂的电化学腐蚀过程。 为了避免或减少因海水腐蚀作用对混凝土力学性能及耐久性能的影响， 就必须采取切实可 从结构的腐蚀破坏机理出发， 归纳了包括采用结构措施、 改善混凝 行的防腐措施。论文在总结国内外混凝土腐蚀现状的基础上， 土性能措施、 增加混凝土保护层厚度、 预留钢结构材料腐蚀厚度、 改善施工工艺与提高施工技术水平及其它特别辅助防腐措施与 方法的应用特点及要求。
8] 易施工 、 经济 、 节能 、 环保的发展方向 [7， 。
。
3.3 合理增加钢筋混凝土保护层厚度
混凝土保护层是防止钢筋腐蚀的重要屏障 。 海洋环 境工程混凝土保护层厚度应比陆上混凝土保护层厚度大一 些 , 适当增加保护层厚度对延长结构的耐久性寿命非常有 效 。 但保护层厚度也不能过厚， 以防混凝土本身的脆性和 收缩导致混凝土保护层开裂 。 对于潮差和浪溅区 , 控制混凝 对于大气区， 保护层厚度 土中钢筋保护层厚度大于 8mm ， 我国规范对海港工程混凝土结构保护层厚 也应大于 5mm 。 度取值规定 见表 1 和表 2 。 钢管桩主要采用牺牲阳极的阴
工程建设与设计
Construction & Design For Project
好的抗氯离子侵蚀能力 。当前， 国际上普遍认为， 改善混凝 土性能措施及采用高性能混凝土不仅措施有效， 而且具有 显著技术经济效益
[3～5]
氯离子达到稳态传输过程的时间，但存在精度问题 。 涂层 分为封闭型和渗透型两种 。 前者具有良好的密实性 、 抗渗 性和附着力；后者是利用混凝土的特点，在混凝土表面涂 渗透型涂料，这些渗入的涂料在混凝土表面深入内部的一 定范围内形成特殊防护层，以有效阻止外界环境中氯离子 的侵入，从而保护钢筋免受腐蚀 。 但混凝土结构防腐涂装 技术要适应当今世界涂料工业的发展趋势，符合高性能 、
跨海桥梁混凝土； 腐蚀机理； 防腐 【关键词】
【Key words 】bridge concrete over sea ；corrosion mechanism ；anti-corrosion protection
【中图分类号】 U445.7+3
【文献标志码】 A
【文章编号】 1007-9467 （2011 ） 01-0088-04
a 酸性气体腐蚀
b 钢筋锈蚀
c 盐类腐蚀
取相应结构措施避免混凝土受拉 。 4） 设置检测和维修设施 , 便于管理人员监测和修补混 凝土裂缝 , 考虑构件易于更换的可能性 。
图 2 钢筋混凝土桥梁结构腐蚀图 活性大， 穿透力强之故 。当 这是由于氯离子的半径小 、 钢筋周围混凝土孔隙液中氯离子达到一定浓度时， 氯离子 吸附在膜结构有缺陷的地方， 使难溶的氢氧化铁转变成易 溶的 FeCl2， 致使钢筋表面的钝化膜局部破坏， 形成坑蚀现 象 。 钢筋锈蚀过程的主要反应方程式如下 : Fe → Fe2++2e Fe2++2Cl- +4H 2O → FeCl2 ·4H 2O FeCl2 ·4H 2O → Fe(OH )2↓ +2Cl- +2H ++2H 2O 4Fe(OH )2 +O 2+2H 2O → 4Fe(OH )3↓ 可以看出 , 在钢筋锈蚀过程中氯离子并不改变锈蚀产 物的组成， 且在混凝土中的含量也不会因腐蚀反应而减少 , 仅起到催化作用 。 氯离子导致的钢筋锈蚀是一个复杂的电 化学过程， 这个过程可比作电池反应 。 氯离子一般首先在 较小区域的钢筋表面破坏钝化膜 , 形成小阳极 , 与大部分表 面钝化膜完好的钢筋区域即大阴极间形成腐蚀电偶 , 使坑 蚀的发展较为迅速， 促使钢筋腐蚀 、 膨胀 。 并钢筋锈蚀时， 在缺氧 理论上铁锈物质体积可达原钢材体积 2 倍 ～ 7 倍 [2]。
低潮位
潮差区 干湿交替， 氧气充足， 腐蚀 程度较严重， 腐蚀速度较快 （波砂磨蚀损耗 ） 浅海区， 氧气饱和； 深海区， 含氧量减 少， 腐蚀程度最轻， 腐蚀速度最慢【作者简介】 刘斌云 88
浪溅区 (1963~)， 男， 江西永新人， 副教授， 从事结构健
康诊治及混凝土结构耐久性研究， （电子信箱 ） liubinyun@。
【Abstract】Concrete structure over sea are exposed structures that are continuously subjected to attack from the marine environment, the structure concrete is easy to infiltrate and accumulate that the chloride ions of its surrounding will cause the steels to be corroded in the surface of the inside steel bars.The corrosion process will be very complicated and it will greatly influence the life-span of the bridge structure. In order to lessen or avoid the disadvantage caused by the corrosion which will have an execrable effect on the mechanics performance and durability of concrete structure, some feasible measure must be taken. It is reviewed on the useful anti-corrosion protection methods on the basis of mechanisms analysis of reinforced concrete corrosion in this paper.Meanwhile,their applicable characteristic and necessary requirement is also mentioned,which including improving structure and material behavior, enhancing steel-protection concrete dimension,enlarging diameters of the reinforcing steel bars bypre-considering their corrosion ,and promoting construction technique,etc.
使用性能 。 据国外 2004 年统计资料介绍， 英国现有桥梁 中的 35%～ 40%因结构腐蚀必须进行修复，所需费用占 年 GDT 的 3.14%, 美国近 60 万座桥梁中一半以上出现 钢筋腐蚀破坏，每年所需维修费用占年总建造经费的 1.25%。据我国 2004 年资料统计， 国内近 40 万座桥梁中 有 1 万多座已受到损害， 其中 4 000 多座已成危桥， 每年 因腐蚀问题造成的损失达几十亿元 。
图 1 海洋环境中钢筋混凝上腐蚀部位划分
市政 · 交通 · 水利工程设计
Municipal ·Traffic· Water Resources·Engineering Design
海洋环境中钢筋混凝土桥梁结构腐蚀的主要原因有： 钢筋锈蚀 、 碳化侵蚀 、 镁盐 、 硫酸盐侵蚀 、 酸性气体侵蚀 、 碱 骨料反应等 。 其中 , 钢筋锈蚀是主因 , 它所造成的破坏和损 失最严重 。 其腐蚀破坏机理如下 。 1）碳化作用机理 : Ca(OH )2+H 2O+CO 2→ CaCO 3+2H 2O 碳化结果可使 pH < 9 ，低于保持钢筋钝化最低 pH 值 9.5 ， 可导致混凝土中性化， 致使钢筋不可避免产生锈蚀 。 2） 盐类侵蚀作用机理:3CaO· Al2O 3+3CaSO · 4 2H 2O+26H 2O →3CaO· Al2O · 3 3CaSO · 4 32H 2O 近年来， 由于环境污染严重， 在某些地区， 酸雨对钢筋 混凝土的危害比碳化更为严重 。 盐类侵蚀引起混凝土体积 开裂 、 破坏， 发生后很难阻止， 不易修补和挽救 。 膨胀 、 3） 钢筋锈蚀作用机理： 钢筋锈蚀主要是由氯离子侵蚀 引起 。调查表明， 即使混凝土碳化深度浅， 在氯离子含量较 高的情况下钢筋也容易遭受腐蚀 （见图 2） 。
1 混凝土腐蚀破坏及其腐蚀现状
混凝土腐蚀破坏是指在环境作用下因受物理和化学各种 破坏作用而使其耐久性能、 力学性能明显降低的现象。它的直接 后果则会造成混凝土内部钢筋锈蚀并产生高达 30MPa 的锈胀 力 ， 致使混凝土开裂， 因而直接影响到结构的安全性和
[1]
2 跨海桥梁的腐蚀破坏机理
海洋环境下的钢筋混凝土结构不同部位受不同程度 侵蚀， 侵蚀部位分为长期暴露区 、 浪溅区 、 潮差区 、 水下区 4 部位， 如图 1 所示 。
3.2 改善混凝土性能措施
为了提高混凝土结构的耐久性， 应采用优质混凝土 。 一 般是提高普通混凝土密实度和抗渗性及采用 高 性 能 混 凝 土 。 对普通混凝土， 应控制水灰比大小 , 浪溅区混凝土水灰 比最大值可控制在 0.4 ～ 0.5 之间 。 试验研究表明 : 1） 混凝土的抗裂及抗氯离子侵蚀性能可通过改变胶凝 材料中掺合料的比例来实现 。 2） 大比例单掺粉煤灰或单掺磨细矿渣可显著降低胶凝 材料的早期水化热，对后期水化热也有较大的降低作用， 采用三组分 （含水泥 、 矿碴 、 粉煤灰）胶凝材料配制的混凝 土，可以配制出绝热温升小并利于改善混凝土的抗裂性能 的低热混凝土 。 3） 在降低水化热方面， 中热水泥要优于硅酸盐水泥 。 利 用中热水泥， 采用 0.30~0.40 的水胶比， 掺加 55%左右的磨 细矿渣和 15%左右的粉煤灰，可配制出强度等级满足桥梁 混凝土设计规范要求的高性能混凝土，实践证明其具有良 89
3.1 结构措施
合理设计结构形式和构造是防腐的基本措施 , 主要归 纳如下几点 。 1） 为减少与海水接触或被浪花飞溅范围， 尽量选择大 跨度的桥梁布置方案 。 2） 选择合适的结构形式 , 构件截面几何形状应简单 、 平 顺 , 尽量减少棱角或突变 , 避免应力集中，尽可能减少混凝 土表面裂缝 。 对浪溅区 , 控制混凝土裂缝宽度小于 0.1mm 。 3） 对支座和预应力锚固等可能产生应力集中部位 , 采
工程建设与设计
Construction & Design For Project
海工混凝土结构的腐蚀机理与防腐措施
Corrosion Mechanism and Anti-corrosion Protection of Concrete Structure over Sea
刘斌云， 张 胜 ，李 凯
环境中， 至少也可达钢材体积的 1.5 倍 ～ 3 倍 。裂缝的扩张 和混凝土保护层的开裂和剥离，破坏了钢筋混凝土结构的 完整性， 也导致钢筋性能减弱 。 为保证结构安全使用，确保桥梁在设计基准期内不致 于使氯离子渗透至钢筋表面 , 需采取一系列防腐措施 。
3 目前采用的主要防腐措施
1) 选择合适的工程布置 、 结构形式和构造 , 避免结构形 成锈蚀通道 。 2) 采用抗腐蚀性和抗渗性良好的优质混凝土 、 高性能 混凝土以改善混凝土工作性能 。 3) 根据不同的环境， 适当增加的混凝土保护层厚度 。 4)预留钢结构材料腐蚀厚度 。 5) 采用先进施工工艺 , 提高施工技术水平 。 6） 其它特别辅助措施 。
（北京工业大学 建筑工程学院， 北京 100124 ） LIU Bin-yun ，ZHANG Sheng， LI Kai
(College of Architecture and Civil Engineering,Beijing Universityof Technology,Beijing 100124,China) 海工混凝土结构的腐蚀破坏是因海水环境中的氯离子渗透聚集于混凝土内钢筋表面并致其钝化膜失去保护作用而造成 【摘要】 的， 这是一个复杂的电化学腐蚀过程。 为了避免或减少因海水腐蚀作用对混凝土力学性能及耐久性能的影响， 就必须采取切实可 从结构的腐蚀破坏机理出发， 归纳了包括采用结构措施、 改善混凝 行的防腐措施。论文在总结国内外混凝土腐蚀现状的基础上， 土性能措施、 增加混凝土保护层厚度、 预留钢结构材料腐蚀厚度、 改善施工工艺与提高施工技术水平及其它特别辅助防腐措施与 方法的应用特点及要求。
8] 易施工 、 经济 、 节能 、 环保的发展方向 [7， 。
。
3.3 合理增加钢筋混凝土保护层厚度
混凝土保护层是防止钢筋腐蚀的重要屏障 。 海洋环 境工程混凝土保护层厚度应比陆上混凝土保护层厚度大一 些 , 适当增加保护层厚度对延长结构的耐久性寿命非常有 效 。 但保护层厚度也不能过厚， 以防混凝土本身的脆性和 收缩导致混凝土保护层开裂 。 对于潮差和浪溅区 , 控制混凝 对于大气区， 保护层厚度 土中钢筋保护层厚度大于 8mm ， 我国规范对海港工程混凝土结构保护层厚 也应大于 5mm 。 度取值规定 见表 1 和表 2 。 钢管桩主要采用牺牲阳极的阴
工程建设与设计
Construction & Design For Project
好的抗氯离子侵蚀能力 。当前， 国际上普遍认为， 改善混凝 土性能措施及采用高性能混凝土不仅措施有效， 而且具有 显著技术经济效益
[3～5]
氯离子达到稳态传输过程的时间，但存在精度问题 。 涂层 分为封闭型和渗透型两种 。 前者具有良好的密实性 、 抗渗 性和附着力；后者是利用混凝土的特点，在混凝土表面涂 渗透型涂料，这些渗入的涂料在混凝土表面深入内部的一 定范围内形成特殊防护层，以有效阻止外界环境中氯离子 的侵入，从而保护钢筋免受腐蚀 。 但混凝土结构防腐涂装 技术要适应当今世界涂料工业的发展趋势，符合高性能 、
跨海桥梁混凝土； 腐蚀机理； 防腐 【关键词】
【Key words 】bridge concrete over sea ；corrosion mechanism ；anti-corrosion protection
【中图分类号】 U445.7+3
【文献标志码】 A
【文章编号】 1007-9467 （2011 ） 01-0088-04
a 酸性气体腐蚀
b 钢筋锈蚀
c 盐类腐蚀
取相应结构措施避免混凝土受拉 。 4） 设置检测和维修设施 , 便于管理人员监测和修补混 凝土裂缝 , 考虑构件易于更换的可能性 。
图 2 钢筋混凝土桥梁结构腐蚀图 活性大， 穿透力强之故 。当 这是由于氯离子的半径小 、 钢筋周围混凝土孔隙液中氯离子达到一定浓度时， 氯离子 吸附在膜结构有缺陷的地方， 使难溶的氢氧化铁转变成易 溶的 FeCl2， 致使钢筋表面的钝化膜局部破坏， 形成坑蚀现 象 。 钢筋锈蚀过程的主要反应方程式如下 : Fe → Fe2++2e Fe2++2Cl- +4H 2O → FeCl2 ·4H 2O FeCl2 ·4H 2O → Fe(OH )2↓ +2Cl- +2H ++2H 2O 4Fe(OH )2 +O 2+2H 2O → 4Fe(OH )3↓ 可以看出 , 在钢筋锈蚀过程中氯离子并不改变锈蚀产 物的组成， 且在混凝土中的含量也不会因腐蚀反应而减少 , 仅起到催化作用 。 氯离子导致的钢筋锈蚀是一个复杂的电 化学过程， 这个过程可比作电池反应 。 氯离子一般首先在 较小区域的钢筋表面破坏钝化膜 , 形成小阳极 , 与大部分表 面钝化膜完好的钢筋区域即大阴极间形成腐蚀电偶 , 使坑 蚀的发展较为迅速， 促使钢筋腐蚀 、 膨胀 。 并钢筋锈蚀时， 在缺氧 理论上铁锈物质体积可达原钢材体积 2 倍 ～ 7 倍 [2]。
低潮位
潮差区 干湿交替， 氧气充足， 腐蚀 程度较严重， 腐蚀速度较快 （波砂磨蚀损耗 ） 浅海区， 氧气饱和； 深海区， 含氧量减 少， 腐蚀程度最轻， 腐蚀速度最慢【作者简介】 刘斌云 88
浪溅区 (1963~)， 男， 江西永新人， 副教授， 从事结构健
康诊治及混凝土结构耐久性研究， （电子信箱 ） liubinyun@。
【Abstract】Concrete structure over sea are exposed structures that are continuously subjected to attack from the marine environment, the structure concrete is easy to infiltrate and accumulate that the chloride ions of its surrounding will cause the steels to be corroded in the surface of the inside steel bars.The corrosion process will be very complicated and it will greatly influence the life-span of the bridge structure. In order to lessen or avoid the disadvantage caused by the corrosion which will have an execrable effect on the mechanics performance and durability of concrete structure, some feasible measure must be taken. It is reviewed on the useful anti-corrosion protection methods on the basis of mechanisms analysis of reinforced concrete corrosion in this paper.Meanwhile,their applicable characteristic and necessary requirement is also mentioned,which including improving structure and material behavior, enhancing steel-protection concrete dimension,enlarging diameters of the reinforcing steel bars bypre-considering their corrosion ,and promoting construction technique,etc.
