钢筋混凝土腐蚀机理

混凝土腐蚀机理：

1. 物理作用

(1)侵蚀作用 当环境中的侵蚀性介质(如地下软水, 河流、湖泊中的流水) 长期与混凝土(如地下水位以下的基础结构、河流中的桥墩等) 接触时, 将会使混凝土中的可溶性成分(如Ca(OH)2 )溶解. 在无压力水的环境下, 基础周围的水容易被溶出的Ca(OH)2 饱和, 使溶解作用终止. 侵蚀作用仅仅发生在混凝土表面, 影响不大. 但在流水或压力水作用下, Ca(OH)2 会不断溶解、流失, 使混凝土强度减小,pH 值降低, 孔隙率增大, 腐蚀性介质更容易进入混凝土内部, 如此循环, 导致混凝土结构破坏。

(2)结晶作用 混凝土是一种非常典型的孔隙材料. 环境中的某些盐类侵入到混凝土的毛细孔道中, 在湿度较大时会溶解, 但在湿度较低或低温环境下会吸水结晶. 随着孔隙中晶体的不断析出、积累, 毛细孔中的晶体体积将不断膨胀, 对混凝土孔壁造成极大的结晶压力, 从而引起混凝土的膨胀开裂。

2. 化学腐蚀

(1)分解类腐蚀 混凝土中的有效成分与某些腐蚀性介质发生复分解反应, 生成了新的物质. 这些新物质对混凝土的破坏主要有2种情况:①生成的物质改变了混凝土原有化学组分及组织结构, 对混凝土的化学性能和物理力学性能产生不良影响. 如镁盐对混凝土的腐蚀会使水泥石的粘结力减弱, 导致混凝土的强度降低. ②生成的新物质易溶于水, 导致混凝土中的有效成分不断分解、流失。

(2)分解结晶复合类腐蚀 混凝土中的Ca(OH)2 与腐蚀性介质发生反应, 生成某些新的钙盐, 这些钙盐在混凝土的毛细孔中可结合大量的水而形成体积较大的晶体, 造成水泥石胀裂破坏. 如环境中的硫酸盐与混凝土中的有效成分反应生成的高硫型水化硫铝酸钙含有大量结晶水, 其体积比原有体积增加1.5倍以上, 在混凝土内将会引起很大的内应力。

3. 微生物腐蚀

①生物力学作用. 生长在基础设施周围的植物的根茎会钻入混凝土的孔隙中, 破坏其密实度.

②类似于混凝土的化学腐蚀. 典型的是硫化细菌在它的生命过程中, 能把环境中的硫元素转化成硫酸

钢筋腐蚀机理：

(1)混凝土顺筋开裂 混凝土结构在服役过程中，环境中的有害介质侵入到混凝土内部，破坏钢筋表面的钝化膜，引发钢筋锈蚀和铁锈膨胀，锈蚀产物的体积是原有体积的2 ～ 4 倍，其体积膨胀行为受到周围混凝土的限制，在钢筋/混凝土界面上产生压力，即钢筋锈胀力。随着钢筋锈蚀量的增加，逐渐增大的钢筋锈胀力将导致混凝土保护层受拉而开裂。锈胀裂缝首先在钢筋周边的混凝土内界面产生，由内而外逐渐扩展; 当锈胀裂缝贯通混凝土保护层时，环境中的有害介质经锈胀裂缝直接侵入混凝土内部，接触到钢筋，钢筋锈蚀速度大大加快，进一步加剧混凝土锈胀裂缝的扩展，甚至导致混凝土保护层剥落，严重影响混凝土结构的耐久性。

(2)钢筋与混凝土的粘结力下降 随着钢筋锈蚀反应的发生, 钢筋与混凝土之间的粘结力将发生很大变化。在钢筋锈蚀初期(混凝土表面没有产生顺筋裂缝), 钢筋与混凝土间的粘结力会随着锈蚀量的增加而有所提高, 但当钢筋锈蚀到一定程度时(混凝土表面产生顺筋裂缝), 粘结力将随锈蚀产物的增加而明显下降,

甚至丧失, 导致钢筋与混凝土不能协同工作. 在荷载作用下, 构件滑移增大, 变形显著, 严重时会使结构(构件) 发生局部或整体失效。

(3)钢筋有效面积减小 钢筋在锈蚀过程中, 其表面形成的锈蚀产物呈膨松状, 承载力几乎丧失, 使钢筋能够承受荷载的有效面积减小, 实际承载力下降。

纤维的作用

掺入纤维后，混凝土的力学强度较基准混凝土有明显的提高，最大增幅达到20%。纤维的掺入使混凝土由脆性破坏转变为具有一定塑形的破坏形态。相对基准混凝土，纤维混凝土出现第一人裂缝的时间明显延迟，且最大裂缝宽度减小。混凝土裂缝总面积显著降低，钢纤维混凝土的裂缝降低系数最高达到91%，玄武岩纤维最高达到98%。复掺两种纤维时，最大裂缝宽度仅为0.1mm ，阻裂效能达到一级，其裂缝降低系数较单掺一种纤维时略有降低。因此，掺入纤维能有效抑制混凝土的早期塑性开裂。

钢纤维混凝土：

钢纤维保护的主要机制：一方面阻碍了混凝土内部微裂缝的扩展，另一方面阻滞了宏观裂缝的发生和发展，从而显著地改善了混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击、抗爆抗侵彻及抗疲劳性能，具有较高的断裂韧性和整体强度。

腐蚀机理：水泥熟料颗粒水化时，将形成大量的氢氧化钙，对钢纤维有保护作用。在侵蚀性介质影响下，水泥中所含有的Na2O 、K2O 水化转变为NaOH 、KOH ，这样在水泥水化初期，其液相pH 值为12 ～ 13，钢纤维在这种高碱性环境下，表面形成一层不溶解的氧化膜，这种氧化膜只要不被破坏，就能保护钢纤维。然而，在一定条件下，空气中二氧化碳渗透到混凝土内，与其碱性物质发生化学反应后生成碳酸盐和水，使混凝土碱度降低发生碳化。碳化后会使钢纤维表面沉积的Fe( OH)2钝化失效。Fe( OH)2还与O2以及溶于水的CO2所生成的H + 作用生成铁锈Fe( OH)3。还有一种情况是当钢纤维周围氯化物浓度达到某个临界值时，氯离子容易渗入钝化膜，与Fe2 + 结合成铁与氯化物的复合物，即绿锈; 这种绿锈又能渗出钝化膜，遇到氯浓度较高的介质时又会分解为Fe( OH)3，即铁锈。当Fe( OH)3脱水后，变成疏松、多孔的红锈( Fe2O3) ，一部分氧化不完全的变成Fe3O4(黑锈) 从而，在钢纤维表面形成锈层。钢纤维一旦发生锈蚀，在钢纤维表面生成一层疏松的锈蚀产物，同时向周围混凝土孔隙中扩散。锈蚀产物体积比未腐蚀钢纤维的体积要大得多。锈蚀产物的体积膨胀使钢纤维外围混凝土产生环向拉应力，当环向拉应力达到混凝土的抗拉强度时，在钢纤维与混凝土界面处将出现内部径向裂缝，随着钢纤维锈蚀的进一步加剧、钢纤维锈蚀量的增加，径向内裂缝向混凝土表面发展，直到混凝土保护层开裂产生顺筋方向的锈胀裂缝，甚至保护层剥落，严重影响钢纤维混凝士结构的正常使用

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