在過去30年中,由于內(nèi)嵌鋼筋的腐蝕而導致整個鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的過早劣化失效已經(jīng)成為世界范圍的嚴重問題,修理費用估計超過5500億美元。在美國,每年僅橋梁腐蝕造成的損失預計超過80億美元。發(fā)生腐蝕的主要是地處惡劣環(huán)境的橋梁如海水中的橋、冬季施放除冰鹽的橋。
為什么普通鋼筋會發(fā)生腐蝕?
鋼筋失效的幾個階段:
混凝土上出現(xiàn)銹跡 混凝土剝落,鋼筋外露 發(fā)生結(jié)構(gòu)失效
鋼筋銹蝕劣化有2個主要機理:
二氧化碳擴散(碳酸)進入混凝土
二氧化碳可通過混凝土的毛細孔,擴散進入混凝土。這取決于混凝土孔隙度、環(huán)境的相對濕度和溫度。有水存在時,空氣中的二氧化碳與水泥中的氫氧化鈣反應形成碳酸鈣,降低了混凝土的pH值,當pH達到9時,碳鋼鋼筋不再處于鈍化狀態(tài),便會發(fā)生腐蝕。
對于預期壽命在50年以下的橋梁,如果混凝土質(zhì)量和工藝合格,不用太擔心碳酸化的問題。而對于預期壽命較長的結(jié)構(gòu),必須考慮碳酸化的問題。
氯離子進入混凝土
這是混凝土劣化的主要原因。當氯離子進入混凝土,一部分氯離子因被“捕獲”而被“束縛”,其余自由態(tài)的氯離子會進一步擴散到碳鋼鋼筋,一旦接觸到碳鋼鋼筋,腐蝕就會開始。體積比鋼還大的腐蝕產(chǎn)物產(chǎn)生了由內(nèi)向外的壓力,造成混凝土發(fā)生開裂,這樣氯離子就更容易進入混凝土,然后混凝土層裂開或剝落,里面的鋼筋就會暴露在外,發(fā)生腐蝕,如果聽任腐蝕繼續(xù),則鋼筋漸漸無法承受外加的拉伸應力,最終結(jié)構(gòu)會發(fā)生坍塌。
碳鋼鋼筋發(fā)生銹蝕的臨界氯離子濃度:每公斤混凝土0.4%,當不合并碳酸化作用時,氯離子濃度高于此值,則碳鋼鋼筋開始發(fā)生腐蝕。
碳酸化和氯離子的相互作用
碳酸化會釋放某些被“束縛”的氯離子,由此會加重氯離子對碳鋼的腐蝕。而且碳酸化會降低環(huán)境pH值,降低臨界氯離子濃度。
混凝土的裂縫會促進腐蝕的發(fā)生
混凝土上細如發(fā)絲的裂紋無法避免且不會降低結(jié)構(gòu)的強度,因此是可以接受的。較大的裂縫為腐蝕性離子的進入敞開了大門,促使腐蝕很快發(fā)生。
裂縫的形成有諸多原因,如混凝土的塑性沉降和塑性收縮、熱脹冷縮、干縮、凍融、堿集料反應、硫酸鹽腐蝕和鋼筋腐蝕均會導致混凝土裂紋的形成。
雖然裂紋可被密封起來,但在凹陷處或隱蔽處不太好處理,況且裂紋往往在若干年后出現(xiàn),這已經(jīng)不是預防而是修復性措施了。密封只是使腐蝕的發(fā)生晚一些,并非一勞永逸。
為什么使用不銹鋼鋼筋?
當氯離子滲透進碳鋼鋼筋混凝土并與碳鋼接觸,碳鋼鋼筋就會發(fā)生腐蝕,腐蝕產(chǎn)物會膨脹擴展,造成混凝土開裂和剝落,此時必須進行維修。
碳鋼鋼筋僅能承受最高0.4%的氯離子含量,而不銹鋼可承受高達7%的氯離子含量。不銹鋼提高了結(jié)構(gòu)的使用壽命,降低了維護成本和修理費用
不銹鋼鋼筋有哪些好處?
1. 具有高的抗氯離子腐蝕的能力
2. 不依賴于混凝土的高堿度來保護鋼筋
3. 可以減薄混凝土保護層的厚度
4. 無需使用混凝土密封劑如硅烷
5. 混凝土的調(diào)配可被簡化以滿足結(jié)構(gòu)設計需要,而無需考慮鋼筋的保護。
6. 顯著提高結(jié)構(gòu)的耐久性
7. 大大降低維護和維修成本
8. 減少停運時間和日常維護費用
9. 可選擇性地用于高風險的部位
10. 最終可被回收再生
何時需采用不銹鋼鋼筋?
當結(jié)構(gòu)暴露于高氯離子和/或腐蝕性工業(yè)環(huán)境下
使用除冰鹽的道路和橋梁
當要求(或希望)鋼筋無磁性時
何處應使用不銹鋼鋼筋?
在下列情況下應當考慮使用不銹鋼鋼筋
腐蝕性環(huán)境
海水尤其是炎熱氣候下海水中的橋梁、碼頭、棧橋、防波堤、海堤、燈柱或欄桿的錨固件、接觸除冰鹽的高速公路橋梁、道路、天橋、立交橋、停車場等
腐蝕性最強的是海水飛濺區(qū)以及直接暴露于除冰鹽的橋面和護墻;
海水淡化廠
污水處理設施
要求長壽命的建筑結(jié)構(gòu)如歷史建筑的修復、核廢料的儲存設施
地震多發(fā)地區(qū),因為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可能由于腐蝕而在發(fā)生地震時倒塌
地下通道和隧道
無法檢查或維護修理的區(qū)域
如何使用不銹鋼鋼筋?
在國外,不銹鋼鋼筋主要是依據(jù)英國標準BS6744-2001和美國標準ASTM A 955/A955M-03b制造的。法國、意大利、德國、丹麥和芬蘭也有自己的國家標準。
在中國,不銹鋼鋼筋的標準是YB/T 4362-2014 “鋼筋混凝土用不銹鋼鋼筋” 。
不銹鋼鋼筋直徑為3-50毫米。
可采用的牌號包括雙相不銹鋼2101, 2304,2205,2507,奧氏體不銹鋼 304, 316, 316LN, 25-6Mo等
采用了不銹鋼鋼筋后,無需使用混凝土密封劑如硅烷;允許裂紋寬度增至0.3毫米;混凝土保護層的厚度可減至3厘米。
為了更經(jīng)濟地使用不銹鋼鋼筋,可在腐蝕風險較高或難以維護修理的地方采用不銹鋼鋼筋,沒有腐蝕風險的部位采用碳鋼鋼筋;在混凝土中,不必要為了防止電偶腐蝕而將不銹鋼與碳鋼鋼筋隔開。