混凝土结构工程钢筋锈蚀原因的对比分析.pdf

第8 期 2 0 0 5 年8月 广东 土木与 建筑 GUANGDONG ARCHI TECTURE CI VI L ENGI NEERI NG No ． 8 AU G 2 0 o 5 混凝土结构工程钢筋锈蚀原 因的对 比分析 邓 浩 周茂 清 广 东省建 筑科 学研 究 院 广 州 5 1 0 5 0 0 摘要 针对 桌两个混凝土结构工程出现的严重钢 筋锈蚀和混凝 土崩落质量事故 ， 进 行全面细致的检测 与试验 并通过对比分析查明事故原 因， 从 而对结构安全性作 出判 断， 提 出相应的处理建议 。 关键词 混凝土结构 ；钢筋锈 蚀 ；事故分析 ；安 全性 1 前 言 近年混凝土结构因钢筋锈蚀引起的耐久性问题 日益 突 出 ， 尤其 是海 工建 筑 、 腐 蚀 环境下 的 工业 建筑 等 ， 在 民用 建筑 中也有 被 称为 “ 咸 水楼 ” 、 “ 海 砂屋 ” 的 相关 报道 。本 文介绍 在广 东 沿海 地 区某两 个混 凝土 结 构 钢筋 锈 蚀 工程 实 例 中 ， 进行 相 关 检 测 以分 析 其 成 因并 对结 构 安 全性 影 响程 度 作 出评 价 ， 最终 提 出 不同的处理方案， 供同行参考 。 2工程概 况 2 ． 1 『 实例 1 ] 某 7层 综 合楼 该 工程 首 、 2层 为商铺 ， 3层 以上 为住 宅 ， 占地 面 积 2 3 4 2 m ， 总建 筑 面 积 超过 1 万 m ， 采用 现 浇钢 筋 混凝 土框架 结构 ， C 1 8混凝土 ． 楼 板厚 9 0 ra m． 配 筋为 受力 主筋 1 6 ～ 2 5 ， 箍 筋 6 ～ 8 ， 保 护层 厚 2 5 mm。 建筑 外 墙粘 贴 马赛 克 瓷砖 ， 内墙 为水 泥 砂 浆抹 灰 并 涂刷 普通 白石灰 。该 工程 于 1 9 9 4年竣 _T投 入 使用 ， 至 2 0 0 0年住 户 陆续 发 现 部 分柱 、 梁 、 板 混 凝 土 出现 顺筋 开裂 现象 ， 个别 地方 混凝 土崩 落 ， 钢筋 外露 锈蚀 且 发展 迅速 2 ． 2『 实例 2 ] 某 4层住宅楼 该 工 程设 有 1层 地下 室 ． 采用 现 浇 钢 筋混 凝 土 框 架 结构 ， 人_T挖 孔桩 基 础 ， 总 建筑 面 积 9 8 5 0 m ， 建 筑高度 3 2 ． 3 m， 采用 C1 8 - C 2 3混凝土 ， 楼板厚 l O O m m． 配筋 为受 力主筋 1 8 ～ 3 2 ， 箍 筋 8 ～ 1 0 ， 保 护层 厚 2 5 m m。该 工程 于 1 9 9 4年主体 框 架建 成 后一 直裸 露 在外而未装修使用 ， 直至 2 0 0 2年复_ [时 ． 发现较严 重 的钢筋锈 蚀 和混凝 土剥 落 现象 。 5 4 3钢筋 锈蚀 机理 混凝 土结 构 中的钢 筋锈 蚀 可 分为 自然 电化学 腐 蚀 、 杂 散 电流 腐蚀 、 应力 腐 蚀 和氢 脆 腐 蚀 等类 型 ， 其 中钢 筋 锈 蚀 主要 是 自然 电化 学腐 蚀 ， 杂 散 电流 腐 蚀 是 因漏 电而 引起 ． 多发 生在 电解 车 间 ， 而 应 力腐蚀 和 氢脆 腐 蚀 则一 般 出 现在 预 应 力混 凝 土 结 构 中 ， 上述 两例 属典 型 的 自然 电化 学腐 蚀 T程 。 钢 筋 处 于 强 碱 性 环 境 中 p H 1 2 ． 5 ～ 1 3 ． 2 ． 其 表 面会 生 成 一层 致 密 的钝 态 薄膜 ， 以保 护钢 筋 免 受腐 蚀 。通 常混凝 土保 护层 对 钢筋 的这 种碱性 保 护作 用 在很 长时 间 内均 有效 ． 然而 一旦 钝化 膜遭 到破 坏 ， 则 钢筋 就处 于活 态 而有 可能受 到腐 蚀 。钢 筋生 锈 的内 部 条件 是 钝化 膜 遭 到破 坏 而 产 生活 化 点 ， 其 外 部 条 件是 必 须 有水 和 氧 的作 用 ， 即它 们 能 穿过 混 凝 土 达 到钢 筋 表 面 。 当几 个条 件 同 时存 在 时 ， 构 件 内部 存 在电位差 ， 可产生局部腐蚀电池 ， 使钢筋锈蚀。 混凝 土 中钢筋 钝化 膜破 坏 和钢 筋活 化 的主要 因 素如下 ① 当无其它有害杂质时 ， 主要为碳化作用 ； ②c l 一 的作用 ；s o 2 - 4 或其它酸性介质侵蚀使混凝土 碱度降低 ； ④ 保护层混凝土松散和钢筋裸露 ， 或处在 高温 潮湿 的环 境 中 此 外 ， C r的 阳极 去 极 化 作 用 使 得 破 坏 持 续 发 展 ， C l 一 与 F e 相 遇会 生 成 F e C I ， C 1 一 而使 F e ‘ ‘ 消 失 ” ， 从而 加 速 阳极 过 程 ， 而 C l _ 贝 0 发 挥 了 阳极去 极 化作 用 的功 能， 周 而复始 地起破 坏作用 4现场检 测 试验 针 对上 述 两工 程 存 在 的质 量 问题 ． 我 们决 定 采 用 现场 检测 试 验 方法 进一 步确 认 钢筋 锈 蚀 的原 因 、 维普资讯 z o o 5 8 月 第8 期 邓浩等 混凝土 结构工 程钢筋 锈蚀 原因 的对比 分析 A U G 2 0 0 5 N o ． 8 范 围和程 度 ， 同时 为 了判 别它 对结 构安 全 的影 响 ， 对 建 筑施 工 质量 也 进行 了抽 查 ． 锈蚀 检 测包 括混 凝 土 崩裂 及露 筋普 查 、 钢 筋锈 蚀程 度 及 性能检验 、 取样化验分析等 ； 施工 质 量 抽 查 则 包 括 混 凝 土 强 度 、 配 筋 、 保护层厚度、 碳化深度等 。 4 ． 1 混凝土 崩 裂及 露筋 普查 现 场 对该 工 程 所有 结 构 构 件 混 凝土 离析 、 崩 裂及 露 筋处 进行 全 面 调 查 统 计 ． 其 结 果 见 表 1 ， 可 见 两 工 程 均 表 现 出 较 严 重 的 钢 筋 锈 表 1 构 件 缺 陷情 况 统 计 结果 注混凝土质量缺 陷包括离析 、 漏浆 、 蜂窝 、 麻 面等 。 表 2碳 化 深 度 分 布 规 律 蚀 和混 凝 土剥 落现 象 ． 但 出现 部 位有 所不 同 ， 实 例 1 锈 蚀损 坏情 况更 为严 重 。此外 经调 查得 知 实例 2的 混 凝 土施 工 质量 较 差 ． 构 件表 面 混 凝 土离 析 、 漏浆 、 蜂 窝 、 麻 面现 象 严重 ， 造 成 对 应 位置 钢 筋 严重 锈 蚀 。 通 过 对实 例 1的芯 样进 行 电镜 观察 ， 发 现 其结 构 虽 总 体上 属正 常范 围 ， 但界 面粘 结及 其结 构却 很差 ． 孔 洞 相 当多甚 至 已松脱 而形 成大 量 裂缝 。 4 ． 2混凝 土强 度及 碳化 深度 检 测 现场 采 用钻 芯 法检 测混 凝 土 强 度 ． 结 果表 明构 件混凝土强度基本满足设计要求 ， 但普遍存在离散 性 大 、 施 质量控 制 较差 等 问题 ， 实例 1 抽 芯强 度 为 1 6 ． 1 ～ 5 4 ． 3 M P a ， 实例 2为 1 6 ． 6 ～ 3 6 ． 9 MP a 对实 例 1共抽 检 1 6 0个 混 凝 土 构 件碳 化 深 度 ， 其 分 布规 律 见表 2 ，可 以看 出该 T 程 构 件碳 化 深度 较 大 ， 但 超 过 2 0 ． O mm 的仅 占总数 的 5 ． 6 ％， 证 明混 凝 土碳 化对 钢筋 锈蚀 影 响不 大 ；对实 例 2进行 的检 测 结 果表 明混 凝 土碳化 对 钢筋锈 蚀 影 响不大 。 4 ． 3 钢 筋锈蚀 程 度及 强度 对 于实例 1 ， 从 现场 中 已崩 裂 的混凝 土构件 中抽 取 1 6根 锈 蚀钢 筋测 量其 锈蚀 程度 ， 结 果表 明柱 筋面 积 锈蚀率达 8 ％～ 2 3 ％， 平 均 1 5 ． 5 ％； 梁 筋为 1 l ％～ 3 0 ％ ． 平均 2 3 ． 5 ％； 板 筋达 4 4 ％～ 6 5 ％， 平 均 5 8 ％。 根 据 中 国建研 院对钢 筋锈 蚀 的研 究成 果 ， 即 1 0 ． 6 9 5 2 式 中 为名义抗拉强度 ； 为局部钢筋截面损 失 率 ； 为抗 拉强 度 。 按 上式 可推 算 出钢 筋抗 拉强 度 为 设 计 值 的 6 2 ％～ 8 9 ％ ， 平 均 下 降 2 3 ％ ， 同样 可计 算 出 实例 2锈蚀钢筋强度下降约 1 0 ％ 4 ． 4取样 化验 分 析 实验 室采 用分 光 比浊法 测定 样 品的氯 离子 和硫 酸 根 离子 含量 ， 同 时对试 件进 行 了沿 钢筋 表 面 向砂 浆 方 向的径 向 6 mm范 围 C l 一 的 E D S测 试 分 析 ． 其 中 实例 1 测试结果表明大部分试件 c l 一 含量超标 ． 最高 超标 0 ．3 - 0 ．6 k g ／ m 3 达 3 ．8 - 7 ．6倍， 硫酸根离子含量 则 超标近 1 倍 ， 沿 钢筋径 向 C l 一 测试结 果如 图 1 所示 。 一 日 ， 董 露 离 m U l 咖 删 圳4 删 5 0 0 0 图 1沿 钢 筋 径 向 Cr 测 试 结 果 对于实例 2 ，测试结果表 明试件 中仅个别测点 超过控制标准 ， 其余则 c l 一 含量较低 ， 无明显 的径 向 浓度 梯度 变化 。 经对 比分析 ． 我 们发现 沿钢 筋径 向 C l 一 的 E D S测 试 结果 具有 明显 差异 ，表 明两 个 T程 钢筋 锈 蚀原 因 不 同 ，其 中实 例 1 与 混 凝 土 中 C l 一 含 量 有着 直 接 关 系 ， 而实例 2则不 属这 一原 因 。 5锈蚀原 因分析 5 ． 1 实 例 1 ① 混 凝 土过 量 的氯离 子及 硫 酸根离 子 是导 致钢 筋锈蚀 的主要原 因； ② 混凝土界面粘结及界面结构 差 ， 形成 大量 界面 裂缝 和孔 洞 ， 促进 了有 害 离子 的渗 透 ， 加 速 了混 凝土 劣化 及钢 筋锈 蚀 经现 场 调查 发现 本1 二 程施 工期 间 由于 未接通 自 来水 ， 故施 工 用水 均为 现场挖 井 抽取 。 由于工程场地 紧 临珠江 出海 口，每年 秋冬 时节 均会 出现海 水倒 灌 5 5 维普资讯 2 加5 年8 月第8 期 广东土 木与建 筑 A U G 2 O o 5 N o ． 8 的现象 ， 表明钢 筋 锈蚀 、 混凝 土劣 化 与施 1 二 用 水 有着 直接关 系。 5 ． 2 实例 2 ①混凝土表面离析 、 漏浆 、 蜂窝 、 麻面 、 松散 、 含 水泥量小的现象较为普遍 ， 钢筋裸露现象严重 ， 使空 气 中的 C O 和 水分 极 易侵 入 混 凝 土保 护 层 ， 导致 钢 筋锈蚀 ； ② 该房屋长期空置且混凝土结构未作任何 表层 防护 ． 加剧 了钢 筋锈 蚀 。 6结 构安 全性 评定 与处 理 上 述 两工 程 钢 筋锈 蚀 较 严 重 ， 构 件 混凝 土 大 量 剥落 ， 钢筋握裹 力大幅降低 ， 且 钢筋锈 蚀后截面减 小 ， 抗 拉 强度 分 别 大 幅 下 降约 2 3 ％和 1 0 ％ ． 结 构 分 析结果表明部分受弯构件的抗弯承载力已无法满足 安 全使 用要求 ， 抗 剪 承载 力也不 满 足要求 ， 结 构安 全 性 受到 严重 影响 ， 应立 即 采取施 T措 施进 行处 理 。 由于实 例 1 混凝 土 中过 多的 氯离 子及 硫 酸根 离 子是拌和时带人的， 远远超出O ． 3 -4 ． 6 k g ／ m 的限定值． C 卜的“ 腐蚀 电池” 作用和阳极去极化作用将使钢筋 锈 蚀难 以控 制 ， 加上本 工 程处 于高 温高湿 年 平均 气 温 约 2 3 ℃ ， 相 对湿 度 约 8 0 ％ 的大 气 环境 之 中 ， 而 混 凝 土本 身 结 构疏 松 ， 界 面孔 洞 相 当 多 ， 为 有 害离 子 、 氧 气 和水 分 渗透 提 供 了 良好 的通 道 ， 随着 时间 的 推 移 ， 这 将 进一 步 加速 钢 筋锈 蚀 和 混 凝 土劣 化 。基 于 对加固补强高技术 、 高成本和高风险的考虑 ， 本工程 最终 决 定拆 除重 建 。 尽 管两 个工 程所 表现 的质量 问 题均 为钢 筋锈 蚀 和 混凝 土剥 落 ， 但 其产 生原 因却 有着 本 质的 区别 ， 一 个是有害离子腐蚀 ， 另一个是钢筋直接接触到大气 中的水气 ． 因此在处理上也应区别对待。与实例 1 形 成鲜明对比的是 ，实例 2仅需对已锈蚀钢筋构件和 混凝土表层缺陷进行加固处理 ， 就可继续投入使用。 7结束 语 7 ． 1 钢 筋 锈 蚀 问 题 的检 测 鉴 定 应 注 重 施 T 过 程 调 查 、 锈 蚀 原 因分析 、 结 构损 伤程 度普 查 以及对 结构 安 全影 响 的评估 等 。 7 ． 2 确 定 钢 筋锈 蚀 问题 的根 源极 为重要 。 包括 有 害 离 子 分 布规 律 、 来 源 、 持 续 影 响 的 可能 性 等 。 对 于 最 终 作 出丁 程处 理 决策是 至关 重要 的。 实践 证 明 。 钢 筋 锈 蚀影 响 混 凝 土 结构 耐 久 性 的 问题 ， 尤 其 是 C l 一 混 入 型 钢 筋锈 蚀 问题 ， 其 结 果 是锈 蚀速率快且 面广 ， 如本lT程从建成到拆除仅几年时 间 ， 因此应 严格 限 制混凝 土 中 C l 一 的 含量 。 参考 文 献 1 惠云玲等，混凝 土结构 中钢筋锈蚀机理 、 特征及检测评定 方 法 工 业 建筑 ． 2 0 0 2 2 2洪 乃 丰．混 凝 土 中 氯 盐 与钢 筋 腐 蚀 的 几 个 相 关 问 题 工 业 建 筑 ， 2 0 0 3 1 1 3刘 超 ．混 凝 土 中钢 筋 锈 蚀 与 结 构 耐 久 性 ．建 筑 技 术 开 发 ， 2 0 0 4 6 4张誉等．混凝土结构 耐久性 概论．上海 上海 科学 技术 出 版 社 ． 2 0 0 3 ． 1 2 5 姚继涛等．建筑物可靠性鉴定和加固．科学m版社。 2 0 0 3 ． 6 6周 茂 清 等 ．从 钢 筋 大 面 积 锈 蚀 谈 氯 离 子 对 混 凝 土结 构 耐 久性 的 危 害．广 东 土 木与 建筑 ． 2 0 0 2 8 业 业 ’夸 ； e 上接第 3 5页 6结 束语 挖 孔 法处 理 钻孔 灌 注 桩 混凝 土质 量 缺 陷 ， 适 用 于 桩径 大 、 缺 陷位 置较 深 、 缺陷 处土 层 隔水性 良好 的 缺陷桩 ， 具有处理彻底 、 效果好 、 T期易控制 、 施lT成 本 低等 优 点 ， 因此 缺 陷桩 一般 应 大 于 1 ． 5 m， 以保 证 工 作面 挖孔 直径 在 1 ． O m 以上 。混凝 土缺 陷部 分 如 较 厚 和范 围较大 ， 则需 视缺 陷位 置 地 质 土层 情 况 进 行桩 护 壁 的抗 侧压 力 验算 ， 并 做好 开 挖 时 超前 护 壁 外压浆防渗处理或其它土体固结防渗处理等。 5 6 由于井下作业对工作环境防坍塌 、 防触电、 防尘 等 安 全 要求 很 高 ， 因 此在 施 T ． 过 程 必须 制 定 严 格 和 有 效 的安全 预 防措 施并 落实 到位 ， 同H ／ J t 强监 控 ， 对 不利地 质 条件 引起 的突 发事 故要 有 预 见性 并 采取 针 对 性 的 应变 技 术措 施 ， 为安 全 施 T 和 获得 良好 的 处 理 效果 提 供保 障 。 参考文 献 1 公 路 施 工 手 册 桥 涵 ．人 民 交通 出 版社 2 J T J 0 4 1 2 o 0 0公路桥涵施工技术规范 3 J rr J 0 7 6 9 5公路工程施工安 全技术规程 维普资讯