一般大氣環(huán)境下鋼筋開始銹蝕時間的計算方法

摘　要：在評估混凝土結構耐久性時，其關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，其大小取決于部分碳化區(qū)長度、碳化速度及脫鈍速度。以實際工程檢測數據為主要依據，考慮不同環(huán)境條件，以碳化系數、保護層厚度和局部環(huán)境系數為主要參數，利用回歸分析方法建立了碳化殘量的計算公式，并由此計算鋼筋開始銹蝕的時間。通過實際工程數據驗證，表明本文給出的鋼筋開始銹蝕時間計算方法，在工程應用上是可行的，從而為合理評定混凝土結構耐久性提供依據。關鍵詞：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構耐久性損傷最普遍的因素。由于混凝土保護層的碳化或氯離子的滲透導致鋼筋鈍化膜破壞，鋼筋表面在水和氧同時存在的條件下將發(fā)生電化學反應，造成鋼筋銹蝕。一般大氣環(huán)境下由于混凝土保護層碳化造成的鋼筋銹蝕廣泛存在于各類混凝土結構中，特別是一些高濕、高溫或干濕交替等不利環(huán)境下的混凝土結構，鋼筋銹蝕更為嚴重。　　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、銹后構件性能退化等方面展開了一系列的理論與試驗研究，同時也對已有混凝土建筑物進行了大量的工程調查與檢測工作。在此基礎上，我國又相繼開展了對結構耐久性評估和結構耐久性設計等技術標準的研究工作。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鋼筋表面的時間，依據碳化方程xc = k · ，鋼筋開始銹蝕時間則為　　　　式中：c 為混凝土保護層厚度； k 為混凝土碳化系數。　　然而大量工程調查和試驗結果表明，上述定義的鋼筋開始銹蝕時間是不準確的，在有些環(huán)境下用酚酞試劑測定的碳化深度并未達到鋼筋表面而鋼筋已經銹蝕，也有工程調查資料顯示，碳化到達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) ，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　　國內外學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 2 和CaCO3 在混凝土中的濃度分布曲線或碳化過程中混凝土的p H 分布曲線的變化判定部分碳化區(qū)長度。　　　　　　　　　　同濟大學蔣利學、張譽等[4 ] 通過碳化前后的物質平衡條件分析了部分碳化區(qū)長度，并給出：　　　　xL = 1． 017 ×104 × 1。 82 　　由式可以看出，部分碳化區(qū)長度的主要影響因素是水灰比、水泥含量、環(huán)境相對溫度R H 。 　　部分碳化區(qū)是CO2 的擴散速度大于反應速度產生的碳化反應區(qū)段，當前雖然還沒有進行更多的理論和試驗研究工作，但從概念上分析，影響部分碳化區(qū)長度的因素除式所含因素外，還包括以下因素：　　 環(huán)境CO2 濃度。當環(huán)境CO2 濃度愈高，滲透壓力愈大，部分碳化區(qū)長度愈長； 　　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)護面碳化系數的系統(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，隨著碳化過程的發(fā)展，部分碳化區(qū)長度增加。碳化區(qū)長度的變化與保護層厚度無關，但當保護層厚度增加時，鋼筋脫鈍所需的碳化時間將增長。因此也可認為，部分碳化區(qū)長度隨保護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性。迄今為止，部分碳化區(qū)長度還缺乏一個較準確、實用的計算方法。 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。當混凝土保護層碳化后，鋼筋周圍的p H 值降至11． 5 以下時，這種保護膜將變得不穩(wěn)定而逐步活化，失去對鋼筋的保護，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，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。實際上我們最為關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，恒為正值。而碳化殘量不僅與混凝土碳化過程有關，還與鋼筋的脫鈍過程有關，其數值可為正值，也可能為零和負值。由于在脫鈍過程中，混凝土碳化同時在進行，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算 2。 1 　試驗研究與工程調查結果 　　國內外對碳化殘量進行過一些試驗和工程調查，如文獻[ 6 ]提出，對室外環(huán)境，當碳化深度達到鋼筋表面時，鋼筋明顯銹蝕，對室內環(huán)境，當碳化深度超過鋼筋表面20 —30 mm 時，鋼筋銹蝕明顯。文獻根據試驗及實際工程檢測，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 ，文獻通過試驗研究提出碳化殘量約為0．3c 。　　我們在文獻中，通過快速碳化及不同環(huán)境下長期暴露試驗研究了碳化殘量，結果見表1。分析文獻的試驗結果，在同一環(huán)境條件下，鋼筋銹蝕深度極小時得到的碳化殘量見表2。　　西安建筑科技大學通過工程檢測得到的碳化殘量數據如表3 所示。 　　從上述試驗和工程調查結果可以看出： 　　 同種環(huán)境條件下，碳化殘量隨保護層厚度增大而增加。 　　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際情況。　　碳化殘量隨水灰比增大而減少。水灰比增加時，混凝土強度降低，部分碳化區(qū)長度減小，鋼筋脫鈍速度加快，而碳化系數增長更快。在鋼筋脫鈍過程中，碳化深度顯著增加，導致碳化殘量變小。　　 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。 　　 碳化系數與碳化殘量有明顯的相關關系，碳化系數增大，碳化殘量減小。 　　由于在快速碳化銹蝕試驗中，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，而不能真實反映自然環(huán)境下的碳化殘量。 2。 2 　碳化殘量的計算公式 　　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，當前除對碳化速度及其影響因素有較深入的認識外，對部分碳化區(qū)長度和鋼筋脫鈍速度還缺乏了解，更無法進行定量描述，因此對于碳化殘量的計算可借助試驗和工程檢測數據進行回歸分析，并利用實際工程資料進行必要的修正。　　根據文獻，水灰比和水泥用量對碳化系數和部分碳化區(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，碳化系數和脫鈍速度也有正相關性。因此，以碳化系數和保護層厚度作為基本參數，建立碳化殘量公式應該是合理的。　　對表3 中三鋼棧橋柱實測數據進行回歸分析，并通過西北、華東、西南、中南、華北、東北18 個城市和地區(qū)120 余個構件的工程檢測資料的驗證，本文提出以下經驗公式：　　　　　　式中： k 為碳化系數，可采用實測值，在沒有實測值時可用式計算； kCO2 為CO2 濃度系數； kkl 為碳化部位系數，角區(qū)取1。 4 ，其他情況取1。 0 ； kkt 為養(yǎng)護澆注面影響系數，取1。 2 ； kks為應力狀態(tài)影響系數，拉應力區(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，室外淋雨環(huán)境取3。5 —4 ，一般室內環(huán)境取1 —1。 5 ； f cu為混凝土立方體抗壓強度。　　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，與混凝土強度無直接關系，但為簡化計算，可把混凝土強度作為衡量混凝土滲透性參數。雖然強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，遠遠超過混凝土強度的變異，因此當有實測碳化系數時，建議用實測值通過式推算f cu ，以期能更好地反映實際情況。 2。 3 　鋼筋開始銹蝕時間計算 　　將碳化殘量代入式，則鋼筋開始銹蝕的時間可表示為： 　　　　　　式中，碳化殘量按式計算， k 均按實測值取用，推算混凝土強度時，取1。 3。其他系數按實測碳化部位取用。為了對比起見，將用式計算各個檢測點的理論值也列入表3。　　由計算結果可看出，碳化殘量的計算與實測差值在- 5。 59 —6。 4 范圍內變化， 均值為- 0148 ，開始銹蝕時間的計算與實測比值在0。 53 —1。 65 范圍內變化，比值的均值1。 003 5 ，標準差0．260 9。混凝土材料性質的不均勻性是引起計算與實測數據差值離散性較大的主要因素。 另外，計算模式的偏差和檢測數據誤差也是造成離散性大的因素。然而從統(tǒng)計角度，開始銹蝕時間的驗算平均比值為1 ，表明式至式的計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 　　合理計算碳化殘量是準確判斷鋼筋開始銹蝕時間的關鍵，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，應用系統(tǒng)的試驗和理論研究成果建立碳化殘量計算公式還沒有充分的條件。但一些試驗和工程檢測結果已經揭示了碳化殘量的基本變化規(guī)律。本文以檢測數據為主要依據，用碳化系數、保護層厚度和局部環(huán)境系數為主要參數建立的碳化殘量計算公式，與實際檢測結果基本吻合，能夠合理地計算鋼筋開始銹蝕時間，繼而更合理地評定混凝土結構的耐久性。