镀锌钢筋

钢筋混凝土是一种重要的建筑材料。公路桥、停车场、房屋、办公楼、沟渠都是钢筋混凝土结构的例子。在许多情况下,其钢筋不需要任何外部防腐保护来避免腐蚀。混凝土的高碱性环境在钢表面形成一层薄薄的氧化物,保护或“钝化”钢进一步腐蚀。

但是,在某些情况下,钝化作用不够好,甚至根本不起作用。这可能发生在以下情况:

  • 混凝土有裂缝、裂缝、沙袋或覆盖物太少。
  • 碱性环境已被中和(碳酸化)。
  • 氯化物渗入了混凝土(海洋环境,冬季铺设的道路)。

这些情况经常发生在结构的最外层。由于盐和大气杂质的增加,钢筋混凝土中的缺陷增加了。在不同的混凝土结构中的缺陷比以前认识到的更普遍,图1。一旦钢筋开始腐蚀,修复是非常困难和昂贵的。在一些混凝土应用中,保护钢筋不受腐蚀的需求变得越来越重要。

图1所示。地下室钢筋上盖层剥落,因钢筋锈蚀

屏障和阴极保护

镀锌钢筋是涂有锌金属保护层的裸露钢筋。锌涂层作为一个屏障,钢筋是暴露在腐蚀元素时,嵌入混凝土。除了锌提供的屏障保护外,它还提供了一定程度的阴极保护,当锌接触到裸露的钢时,它会优先腐蚀(例如,镀锌钢筋表面的空隙将被周围的锌保护)。镀锌层在混凝土中埋入时还具有其他良好的腐蚀特性,是一种有效的抗腐蚀涂层材料。

图2。热镀锌加固桥梁

在许多国家,热浸镀锌保护钢筋的可能性都有很好的案例记录。许多细长结构使用热镀锌加固,以避免导致昂贵的维修剥落。还值得注意的是,混凝土碎片可能会从开裂的表面落下,造成严重的危害,特别是在城市地区。

众所周知,设计师们要求钢筋结构的混凝土部分不含锌。这种要求是完全没有必要的,在镀锌过程中防止建筑的一部分被镀锌往往比整个建筑更昂贵。设计师应该确保热镀锌表面和混凝土之间的粘结通常是如此的牢固,需要用大锤将它们分开。

锌已被用作牺牲阳极,以保护船舶的船体,港口建筑,蓄水池和类似结构的腐蚀。在现有的金属镀层中,热镀锌已被证明是最耐用和技术上最合适的。混凝土用钢筋热镀锌已在世界范围内应用多年。即使在非常恶劣的条件下,这种表面处理也被证明是可靠的选择。

例如,在澳大利亚和瑞典RISE KIMAB(腐蚀和金属研究所)进行的详细研究显示了下列结果:

  • 加速腐蚀只发生在浇注混凝土后的最初几个小时。之后,涂层被钝化。锌的损失较低,在2-5 μ m范围内。
  • 锌在裸露的钢表面提供阴极保护,这是一个优点,当切割或焊接钢筋或机械损坏。
  • 钢筋与混凝土粘结良好。
  • 不会发生混凝土剥落。
  • 消除了因锈蚀而导致立面变色的风险。
  • 通过镀锌,可以在更恶劣的环境中使用钢筋混凝土。
  • 混凝土质量的变化减少。
  • 允许更薄的混凝土覆盖层。

当分析建筑的成本和其他腐蚀损害的后果时,镀锌的额外成本是可以忽略不计的。它几乎可以被视为一种保险费——只需要支付一次。

(图片来源:纽约州高速公路管理局)

镀锌钢筋在混凝土中的性能

新拌混凝土主要由骨料、水泥粉和水组成,后两种成分形成水泥浆,很快通过一个称为“水化”的过程硬化。“当水泥浆变硬时,它将骨料作为固体基质结合在一起,从而赋予混凝土承载能力和耐久性。”在水化硬化反应中,混合水的消耗会在混凝土基质中留下毛细管和“凝胶”孔,当混凝土被雨水、凝结或喷雾“润湿”时,大气气体、污染物和水可以通过这些孔渗透进来。混凝土基质孔隙中的保留水被水泥的化学成分饱和,形成高碱性溶液,标称pH值为~12.5,具体取决于所使用的水泥粉。

裸露的钢筋通常是钝化在最初的新硬化混凝土有水的pH值,然而,湿润和干燥周期允许大气气体包括二氧化碳和二氧化硫溶解孔隙水,和他们的酸性溶液中开始降低孔隙水的pH值。这个过程叫做碳酸化。

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裸露的钢筋开始松散的“钝化”或休眠如下钢通过周围的pH值对pH值11.5,和生锈的钢开始和进展,由此产生的腐蚀产物比钢铁消耗和占用更多的空间约束内的体积膨胀,刚性混凝土矩阵,是周围的混凝土承受了巨大的应力。

除了降低孔隙水的pH值低于阈值嵌入裸钢的钝化,从结构氯离子环境,也在孔隙水中溶解,一旦渗透到钢铁表面,进一步采取行动摧毁嵌入式裸钢的钝化。酸性大气成分和氯化物渗透到预埋钢表面的时间是由环境、润湿周期、孔隙度和混凝土成分,以及穿过迷宫般的路径到钢筋表面的长度和难度决定的。后一个因素部分与嵌入杆的“覆盖深度”有关。

锌如何保护混凝土中的钢筋

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镀锌钢筋在混凝土中的防腐作用是由于多种有利因素的综合作用。最重要的是,与未涂层钢相比,镀锌层开始腐蚀的氯阈值要高得多(2-4倍)。此外,锌的pH钝化范围比钢大得多,使得镀锌钢筋能够抵抗随着混凝土龄期碳化降低pH的影响。即使锌涂层确实开始腐蚀,其腐蚀速率也比未涂层钢的腐蚀速率小得多。

为什么镀锌钢筋能保持混凝土的完整性

锌的腐蚀产物是松散的粉状矿物,比铁的腐蚀产物体积小,能够从镀锌钢筋表面迁移到邻近的混凝土基体中。因此,锌涂层的腐蚀对周围混凝土的物理破坏很小。元素图(左)是这种迁移的证据。混凝土中的白色斑点表明氧化锌已经从镀锌钢筋/混凝土界面迁移。

也有证据表明,锌的腐蚀产物的扩散有助于填充混凝土/钢筋界面的孔隙空间,使该区域的渗透性降低,并有助于减少腐蚀性物质(如氯化物)通过该界面区域向锌涂层的运输。锌与混凝土之间的反应,以及由此产生的腐蚀产物扩散,也解释了为什么镀锌钢筋与混凝土有如此好的粘结强度。

耐低pH值由于碳酸化

与黑钢相比,锌在显著较低的pH值(9.5 vs 11.5)下仍然是钝化的,这使得镀锌钢筋更不容易因混凝土碳化而受到腐蚀。


氯化物环境下热镀锌加固

RISE KIMAB进行的实际实验表明,锌即使在含氯环境中也能很好地处理。混凝土中高达1.5 wt. %的氯化物对镀锌钢筋的腐蚀可以忽略不计。相反,未受保护的钢筋难以应对氯离子浓度,因而受到腐蚀。锌可以承受更高的氯化物浓度,但与之相关的是涂层寿命的减少。在这样的环境中,未保护的钢除了正常的腐蚀外还会出现点蚀,这在镀锌钢上是不会发生的。同样在碳化混凝土中,镀锌钢比无保护钢更耐用。

热浸镀锌钢筋是混凝土技术的可靠合作伙伴。它最大限度地降低了钢腐蚀和混凝土剥落的风险,并为混凝土的耐久性提供了强大的和经济有效的贡献。

锌在新混凝土中的初始反应

锌与湿混凝土反应生成羟基锌酸钙,并伴有氢的演化。这种腐蚀产物是不溶解的,可以保护底层的锌(如果周围的混凝土混合物的pH值低于13.3)。研究表明,在涂层钝化和混凝土硬化发生的初始反应期间,涂层中的一些纯锌层被溶解。然而,一旦混凝土变硬,羟基锌酸盐涂层形成,初始反应就停止了。对从现场结构中恢复的镀锌钢筋的研究表明,即使暴露在周围混凝土的高氯化物水平下,涂层仍会保持这种被动状态很长一段时间。

对于高pH值的混凝土,或某些背景氯化物,锌表面可以钝化,使用一系列专有的后处理,作为防止过量的氢析出,在严重的情况下,可能会降低棒材的拉拔强度。对于普通混凝土条件,研究表明,钝化镀锌钢筋与未钝化镀锌钢筋之间的粘结强度没有统计学差异。

腐蚀模型

镀锌层的氯腐蚀阈值比未镀锌层高(2-4倍),明显延长了腐蚀发生的时间。一旦锌涂层发生腐蚀,腐蚀产物的特性和它们迁移到混凝土基体的能力减少了周围混凝土产生的应力,进一步延长了钢筋混凝土结构的寿命。黑色和镀锌钢筋在混凝土中的腐蚀性能可以在右边图形显示。

B镀锌前的钢筋

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热镀锌钢筋可以在镀锌前弯曲,也可以在镀锌后弯曲。当折弯前对于镀锌,建议弯曲半径尽量大,以避免钢因冷加工而加速老化。

键的强度

可以说,钢筋混凝土结构成功的最重要特性是钢筋与混凝土之间的粘结强度。为了使混凝土达到其设计能力,必须形成牢固的粘结。影响强度或钢筋混凝土的因素包括,但不限于,钢筋直径,钢筋表面变形(肋)的有无,肋的几何形状,钢筋上的混凝土覆盖层,以及混凝土基体的方向。

良好的钢筋与混凝土粘结是保证钢筋混凝土结构可靠性能的关键。当在钢上使用保护涂层时,必须确保这些涂层不会降低粘结强度。研究了镀锌和黑钢条与普通水泥混凝土的粘结。这些研究的结果表明:

  1. 钢与混凝土粘结剂的发展与龄期和环境有关
  2. 在某些情况下,钢和混凝土之间形成完全粘结强度所需的时间
    镀锌的钢筋可能比黑色的更大,取决于锌酸盐/水泥的反应
  3. 镀锌和黑色变形钢筋完全开发的粘结强度是相同的。

机械性能

延展性和屈服/抗拉强度

钢筋的延性和强度是防止钢筋混凝土脆性破坏的重要因素。热镀锌对钢筋力学性能影响的研究表明,热镀锌基本不影响钢筋的拉伸、屈服、极限强度、极限伸长率和弯曲要求,只要适当注意钢材的选择。制造实践和镀锌程序。研究了镀锌工艺对钢筋锚杆和镶件延性的影响。结果表明,在正确选择钢和镀锌工艺的情况下,钢的延性没有降低。

疲劳强度

一个广泛的实验项目检验镀锌钢筋的抗疲劳性能表明,变形钢筋,暴露在一个侵略性的环境下,在循环拉伸载荷下测试,镀锌表现更好。

不同的金属接触

在混凝土中使用镀锌钢筋时,另一个考虑因素是在锌和裸钢之间建立双金属耦合的可能性(即,在锌涂层的断裂或镀锌钢和黑钢筋之间的直接接触)或其他不同的金属。只要两种金属保持钝化状态,混凝土中这种类型的双金属对就不应该表现出腐蚀反应。为确保这一点,混凝土与锌/钢接触的深度不应小于在相同条件下单独保护黑钢所需的保护层。

因此,在混凝土中使用镀锌钢筋时,不应直接与大面积的黑钢钢筋、铜或其他异种金属耦合。钢筋支架和附件应镀锌。绑扎线应该是退火线,16号线或更重的线,最好是镀锌的。如果需要,聚乙烯和其他类似的胶带可以用来在不同的金属之间提供绝缘。

参考:https://www.galvanizedrebar.com-国际锌协会

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