鋼筋混凝土中鋼筋銹蝕機(jī)制與防治措施分析

聞 建

（江漢大學(xué) 機(jī)電與建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430056）

0 引言

鋼筋混凝土耐久性的喪失，除了凍融、裂縫、海水腐蝕、沖刷磨損、堿—骨料反應(yīng)等一般混凝土損壞形式之外，主要是鋼筋在混凝土中的銹蝕破壞。鋼筋的銹蝕破壞導(dǎo)致混凝土的損傷表現(xiàn)為膨脹、開裂以及最終保護(hù)層剝落等形式。除保護(hù)層喪失外，由于鋼筋和混凝土失去黏結(jié)力，以及鋼筋橫截面損失引起的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)損傷，以致有時到了結(jié)構(gòu)的破壞已經(jīng)不可避免。因此，鋼筋銹蝕已經(jīng)成為影響混凝土耐久性的主要因素，特別在氯鹽環(huán)境中，鋼筋銹蝕是首要因素。

1 鋼筋銹蝕機(jī)制

混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋腐蝕可分為自然電化學(xué)腐蝕和雜散電流腐蝕，對于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，還可能發(fā)生應(yīng)力腐蝕和氫脆腐蝕。一般混凝土結(jié)構(gòu)中發(fā)生的通常為自然電化學(xué)腐蝕［1］。

自然電化學(xué)腐蝕其發(fā)生的根本原因是源于腐蝕電池的形成，腐蝕電池可能以兩種形式產(chǎn)生：

1）混凝土中的兩種不同金屬（如鋼筋和鋁導(dǎo)管），或鋼材的表面特性有明顯差異時，可形成組分電池。

2）由于在鋼筋附件溶解離子的濃度差，如堿和氯化物，從而形成濃差電池。

腐蝕電池的結(jié)果是兩種金屬中的一種（或一種金屬時金屬的某些部分）成為陰極，另一種（或其他部分）成為陽極。腐蝕電池的基本化學(xué)反應(yīng)如下所述：

進(jìn)一步，F(xiàn)e2+和2(OH)-結(jié)合生成Fe(OH)2，由于Fe(OH)2不穩(wěn)定，將進(jìn)一步生成氫氧化鐵，即

氫氧化鐵進(jìn)一步氧化生成鐵銹（Fe2O3·Fe3O4·H2O）。金屬鐵轉(zhuǎn)變?yōu)殍F銹時，體積增大，其增量因氧化狀態(tài)不同，一般要增加2～4倍，最多可增大6倍。這種體積增大可引起混凝土膨脹和開裂，一旦造成鋼筋外露，會進(jìn)一步加速鋼筋的惡性銹蝕，直至構(gòu)件喪失承載能力。對于應(yīng)力高、直徑細(xì)的高強(qiáng)鋼絲，則常因鋼絲表面局部缺陷或銹坑處形成應(yīng)力集中而發(fā)生脆斷。

一般來講，混凝土孔隙液具有很高的堿性（pH值為12.5～13.5），鋼筋在這種介質(zhì)中，表面受到一層非常致密的鈍化膜（Ca(OH)2堿性薄膜，厚度為200～1000 nm）保護(hù)，只有當(dāng)鈍化膜的保護(hù)作用消失后，鋼筋才有可能銹蝕。

當(dāng)混凝土孔隙液中不存在氯離子，只要孔隙液的pH值保持在11.5以上，鈍化膜就處于穩(wěn)定狀態(tài)，但在某些情況（如混凝土有很高的滲透性，孔隙液中的堿和大部分氫氧化鈣或者被碳化、或者被溶解），空氣中的二氧化碳和混凝土孔隙中的氫氧化鈣進(jìn)行中和反應(yīng)，生成碳酸鈣，臨近鋼筋的混凝土pH值會下降到11.5以下，鈍化膜變得不穩(wěn)定而被破壞，失去對鋼筋的保護(hù)作用。

當(dāng)混凝土孔隙液中存在氯離子，即使孔隙液的pH值保持在11.5以上，在鋼筋表面氯離子含量增加到某一臨界值時，也具有局部破壞鈍化膜的能力。氯離子含量的臨界值為n(Cl-):n(OH-)物質(zhì)的量比，當(dāng)其大于6時，難溶解的氫氧化鐵可轉(zhuǎn)變成易溶的氯化鐵，形成鐵與氯化物的復(fù)合物，即綠銹（FeCl2·4H2O），致使鈍化膜局部破壞。在此破壞過程中，氯離子雖然不構(gòu)成腐蝕產(chǎn)物，在腐蝕過程中也不消耗，但是作為腐蝕的中間產(chǎn)物促進(jìn)了腐蝕的發(fā)生，對鋼筋的腐蝕起到了催化和搬運(yùn)的作用。氯離子的催化反應(yīng)可用式（4）、（5）表示：

2 鋼筋銹蝕后對鋼筋混凝土構(gòu)件的影響

視鋼筋銹度不同，鋼筋銹蝕后對鋼筋混凝土構(gòu)件的影響如表 1［2］所示。

表1 鋼筋銹蝕對鋼筋混凝土構(gòu)件的影響

3 影響鋼筋銹蝕的主要因素

3.1 碳化深度的影響

混凝土碳化會導(dǎo)致混凝土堿度降低，破壞鋼筋鈍化膜，使鋼筋易于腐蝕。中國建筑科學(xué)研究院混凝土研究所曾用快速碳化試驗(yàn)法對200組不同水泥用量、不同水灰比的普通混凝土及輕集料混凝土進(jìn)行試驗(yàn)，測得鋼筋銹蝕失重率（A）與混凝土碳化深度（D）的函數(shù)關(guān)系，經(jīng)回歸分析得到公式（6）［3］：

式中，A為混凝土保護(hù)層厚度為20 mm時鋼筋銹蝕失重率（%）；D為混凝土快速碳化試驗(yàn)時，齡期為28 d的混凝土碳化深度（mm）。

3.2 Cl-含量的影響

有研究表明，混凝土內(nèi)氯離子含量越高，則鋼筋銹蝕電位越高，且鋼筋的銹蝕速率也越大。文獻(xiàn)［4］的作者建立了氯離子濃度與混凝土內(nèi)鋼筋平均銹蝕速率Imean的關(guān)系式：

3.3 水灰比和保護(hù)層厚度的影響

通常，水灰比大，則混凝土的孔隙率大，密實(shí)程度差，水分、腐蝕性介質(zhì)（CO2、O2、Cl-）容易侵入到混凝土內(nèi)部，使得混凝土內(nèi)鋼筋的銹蝕速率提高。

中國建筑科學(xué)研究院提出的不同保護(hù)層厚度下鋼筋失重率的換算系數(shù)如表2［5］所示。

表2 不同保護(hù)層厚度下鋼筋失重率的換算系數(shù)

3.4 裂縫的影響

混凝土保護(hù)層開裂為氧氣、水、氯化物提供了方便的通道，較小的裂紋就能形成一個加速腐蝕和開裂的條件。如果混凝土的滲透性很低，垂直于鋼筋的橫向裂縫通常不會引起鋼筋的持續(xù)腐蝕，這是因?yàn)楸┞队诹芽p的那部分鋼筋承擔(dān)了陽極的作用。如果平行于鋼筋的方向形成縱向裂縫，則腐蝕會繼續(xù)持續(xù)下去，因?yàn)檠亓芽p很多位置失去了惰性，并且整個裂縫長度上氧氣和水分很容易侵入。

3.5 應(yīng)力狀態(tài)與應(yīng)力水平的影響

研究表明，應(yīng)力鋼筋在電化學(xué)反應(yīng)方面比無應(yīng)力鋼筋更活躍，這是因?yàn)閼?yīng)力腐蝕和常規(guī)腐蝕不同，它會在金屬局部區(qū)域加速腐蝕，從而引起結(jié)構(gòu)局部加速破壞，給結(jié)構(gòu)帶來突發(fā)性的災(zāi)難性影響。

4 鋼筋銹蝕的防治措施

鋼筋銹蝕的防治是一個系統(tǒng)問題，應(yīng)該在設(shè)計(jì)、施工、檢測等主要工作環(huán)節(jié)中，有針對性地采取措施加以控制，以確保鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)安全，使用時間達(dá)到或超過設(shè)計(jì)使用年限。從前述分析可知，提高鋼筋防治鋼筋銹蝕的關(guān)鍵，是防止或延緩腐蝕介質(zhì)（二氧化碳、氯離子、水和氧）通過混凝土保護(hù)層向鋼筋表面滲透和擴(kuò)散。

4.1 防止鋼筋混凝土構(gòu)件表面過早碳化

式中，D為混凝土碳化深度（mm）；η1為水泥用量影響系數(shù)，對普通混凝土（輕集料混凝土）：η1=253C-0.954(η1=582C-1.107)，C 為每立方米混凝土的水泥用量（kg）；η2為水灰比(W/C)影響系數(shù)，對普通混凝土（輕集料混凝土）：η2=4.15(W/C)-

中國建筑科學(xué)研究院提出的混凝土在二氧化碳體積分?jǐn)?shù)為20%，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)為28 d時快速碳化的多系數(shù)方程［3］為1.03（η2=0.017+2.06(W/C)）；η3為粉煤灰取代量影響系數(shù)，對普通混凝土（輕集料混凝土）：η3=0.968+0.32F（η3=1.006+0.17F），F(xiàn) 為粉煤灰等量取代水泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%），如10%，以10代入；η4為水泥品種影響系數(shù)；η5為集料品種影響系數(shù)；η6為養(yǎng)護(hù)方法影響系數(shù)；K為碳化速度系數(shù)，對普通混凝土取2.32，對輕集料混凝土取4.18；t為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)天數(shù)，取28。

由公式（10）可知，增加水泥用量、降低水灰比、控制粉煤灰最大取代量、選用不含混合材的硅酸鹽水泥或少含混合材的普通硅酸鹽水泥、控制骨料粒徑和級配、良好的養(yǎng)護(hù)方式等可以提高混凝土的抗碳化性能。

4.2 控制最大氯化物允許用量

混凝土組成部分中不可避免含有少量氯離子（非常有限，一般不至于導(dǎo)致鋼筋銹蝕），氯離子其他的外部來源如去冰鹽、或者結(jié)構(gòu)暴露在海水及浪濺區(qū)內(nèi)。因此，須控制氯離子的允許含量，文獻(xiàn)［6］的耐久性規(guī)定以及美國ACI318建筑法規(guī)中均規(guī)定了最大氯離子含量限值。

4.3 其他經(jīng)濟(jì)有效的措施

其他經(jīng)濟(jì)有效的措施，如適當(dāng)增大混凝土保護(hù)層厚度；采取摻加減水劑以減小水灰比、加添優(yōu)質(zhì)摻合料、振搗密實(shí)和良好的養(yǎng)護(hù)等措施，以提高混凝土的密實(shí)性。在腐蝕環(huán)境較為惡劣的條件下，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免采用形狀復(fù)雜、尺寸單薄的構(gòu)件等。此外，在嚴(yán)重腐蝕環(huán)境下，采取在混凝土中摻加緩蝕劑，如可采用聚合物水泥乳膠砂漿等涂料密封混凝土表面，以及采用噴敷樹脂的防銹鋼筋等措施。

5 結(jié)語

鋼筋銹蝕對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)以及預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性影響極大，其現(xiàn)象表現(xiàn)為鋼筋的有效面積減小、鋼筋應(yīng)力集中、疏松鐵銹層對鋼筋與混凝土界面的潤滑作用、鋼筋橫肋銹損、銹蝕產(chǎn)物體積膨脹等。因此，需要根據(jù)鋼筋銹蝕的基本原理以及各種因素的影響規(guī)律，科學(xué)地采取措施來保護(hù)鋼筋，達(dá)到保證結(jié)構(gòu)安全、延長結(jié)構(gòu)使用壽命的目的。

［1］張譽(yù)，蔣利學(xué).混凝土結(jié)構(gòu)耐久性概論［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2003.

［2］孟文清.建筑工程質(zhì)量通病分析與防治［M］.鄭州：黃河水利出版社，2005.

［3］龔洛書，蘇曼青，王洪琳.混凝土多系數(shù)碳化方程及其應(yīng)用［J］.混凝土，1985（6）：10-15.

［4］Elsener B，Hug A，Buirchler D.Evaluation of localized corrosion rate on steel in concrete by galvanostatic pulse technique［C］//Page C L，Bamforth P S，F(xiàn)igg J W.Corrosion of Reinforcement in Concrete Construc?tion.Cambridge：SCI，1996：264-272.

［5］李惠強(qiáng).建筑結(jié)構(gòu)診斷鑒定與加固修復(fù)［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002.

［6］中華人民共和國建設(shè)部，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB50010—2002 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.