混凝土中鋼筋銹蝕與結(jié)構(gòu)耐久性研究

王 瑋

（南京市公共工程建設(shè)中心，江蘇 南京210019）

1 研究背景

建筑構(gòu)件的功能和特性主要包括其安全特性、通用特性以及結(jié)構(gòu)的耐久程度等三個(gè)主要層面。這當(dāng)中耐久程度有關(guān)的要求是指在正常維護(hù)條件下結(jié)構(gòu)不發(fā)生嚴(yán)重的風(fēng)化、腐蝕、脫落、碳化，鋼筋不發(fā)生銹蝕等[1-2]。由于結(jié)構(gòu)的耐久性不足而造成混凝土結(jié)構(gòu)的失效已成為實(shí)際工程中的重要問(wèn)題。各種因素對(duì)混凝土耐久性的影響程度是不同的。在某年的第2屆世界水泥混凝土結(jié)構(gòu)的耐久程度國(guó)際討論大會(huì)上，世界知名學(xué)者梅塔博士（P.K.Mheta）把影響混凝土耐久性的因素按如下因素進(jìn)行了排列：鋼筋銹蝕、凍融破壞和可能出現(xiàn)侵蝕的外部環(huán)境帶來(lái)化學(xué)以及物理方面的效應(yīng)。國(guó)際上以及國(guó)內(nèi)建筑領(lǐng)域的水泥混凝土結(jié)構(gòu)的耐久程度相關(guān)的調(diào)查報(bào)告指出，鋼筋部位出現(xiàn)銹蝕屬于鋼筋水泥混凝土結(jié)構(gòu)的耐久程度受到削弱以及破壞的最重要的原因之一。

2 鋼筋部分發(fā)生銹蝕現(xiàn)象的原理

2.1 銹蝕現(xiàn)象發(fā)生的原理

我們分析金屬材料發(fā)生腐蝕現(xiàn)象的各種原理，發(fā)現(xiàn)可以將其劃分為化學(xué)方面的腐蝕以及電化學(xué)方面的腐蝕現(xiàn)象兩大種類(lèi)。一般狀態(tài)之下，電化學(xué)方面的腐蝕現(xiàn)象要比化學(xué)方面的腐蝕現(xiàn)象發(fā)展的速度快得多，同時(shí)發(fā)生的場(chǎng)合也更加普遍，對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)造成的危害也就更大。水泥混凝土的構(gòu)件中鋼筋部位發(fā)生腐蝕現(xiàn)象通常是金屬鐵和電解質(zhì)間發(fā)生了相互作用，是一種電化學(xué)方面的腐蝕現(xiàn)象。

電化學(xué)方面的反應(yīng)的出現(xiàn)需要滿(mǎn)足如下4大條件：

（1）鋼筋具有電化學(xué)特性的不均勻特征，即為電位負(fù)值陽(yáng)極（A）與電位正值的陰極（K）間存在著電位差值△V。

（2）陽(yáng)極區(qū)位置和陰極區(qū)位置間，電解質(zhì)的R值比較小。

（3）陽(yáng)極區(qū)位置的鋼筋處在活化情況下，鋼筋容易發(fā)生氧化反應(yīng)，也就是鐵離子變成Fe2+，并且放出電子，陽(yáng)極PA數(shù)值比較小。

（4）陰極區(qū)位置，鋼筋表面的電解質(zhì)的氧化劑比較充足，可與陽(yáng)極區(qū)位置的自由電子發(fā)生反應(yīng)，生成OH-，也就是發(fā)生了氧的還原反應(yīng)，此時(shí)的陰極PK數(shù)值比較小。

此時(shí)鋼筋表面位置處的電化學(xué)方面的腐蝕現(xiàn)象對(duì)應(yīng)的反應(yīng)方程式為：

陽(yáng)極區(qū)，鐵被腐蝕，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：

在陰極區(qū)是氧和水吸取電子的過(guò)程：

陰陽(yáng)極共同反應(yīng)的結(jié)果是：

鋼筋部分發(fā)生銹蝕的產(chǎn)物為Fe（OH）3，其發(fā)生失水反應(yīng)變成了Fe2O3，該物質(zhì)即為俗稱(chēng)的“鐵銹”。在鋼筋部位表層出現(xiàn)，鐵銹的體積有可能為原來(lái)鐵材質(zhì)的3-5倍，伴隨的膨脹應(yīng)力為45-75兆帕，能夠?qū)⑺鄵伍_(kāi)，鋼筋部分直接和外部環(huán)境發(fā)生接觸，氧氣與水份，也會(huì)加速鋼筋部分發(fā)生銹蝕現(xiàn)象的速度，進(jìn)而使得鋼筋的力學(xué)性能下降甚至完全失效。

通常情況，水泥混凝土為堿性，其pH值在12上下。在此環(huán)境中，因?yàn)殡娀瘜W(xué)方面的效應(yīng)，使得鋼筋材料的表層出現(xiàn)了一層致密的尖晶石固溶體為主的薄膜，其厚度數(shù)值約為1.5×10-8毫米。其吸附在鋼筋材質(zhì)的表層，阻礙陽(yáng)極反應(yīng)。如果鋼筋材質(zhì)的表層薄膜出現(xiàn)破壞的情況，鋼筋部分才有可能發(fā)生銹蝕的現(xiàn)象，水泥混凝土內(nèi)部的鋼筋部分發(fā)生銹蝕現(xiàn)象能夠劃分為3個(gè)主要過(guò)程：

（1）水泥混凝土的外層出現(xiàn)了碳化現(xiàn)象，鋼筋材料表層的鈍化膜缺損。

（2）氧氣以及水汽等介質(zhì)經(jīng)過(guò)水泥混凝土滲透至鋼筋材質(zhì)的表層部位。

（3）鋼筋材質(zhì)的表層出現(xiàn)了電化學(xué)方面的腐蝕現(xiàn)象。

氯化物屬于鋼筋材料銹蝕過(guò)程的一類(lèi)活性物質(zhì)，具備極高的吸附能力，如果水泥混凝土結(jié)構(gòu)中的pH值大于12.5的時(shí)候，鋼筋材質(zhì)表層的鈍化膜部分就會(huì)出現(xiàn)破壞的情況[3]。

2.2 鋼筋水泥混凝土結(jié)構(gòu)中氯離子的侵蝕原理

通常來(lái)講，氯化物針對(duì)鋼筋水泥混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的混凝土以及鋼筋材質(zhì)均有較強(qiáng)的腐蝕能力，因此長(zhǎng)時(shí)間處于氯化物濃度較高的環(huán)境中，鋼筋水泥混凝土結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)指標(biāo)將顯著下降[4]。研究表明，鋼筋材質(zhì)的周邊混凝土孔隙液內(nèi)的氯離子處于某個(gè)臨界數(shù)值的情況下，氯離子更易滲入到鋼筋結(jié)構(gòu)的鈍化膜并且和鐵離反應(yīng)形成二價(jià)鐵和氯化物的復(fù)合產(chǎn)物。這時(shí)鋼筋材質(zhì)周邊的水泥混凝土孔隙液依然具有比較高的堿性，鋼筋表層的鈍化膜也遭到破壞。因此，氯鹽屬于一種嚴(yán)重威脅鋼筋水泥混凝土結(jié)構(gòu)安全的危險(xiǎn)物質(zhì)，必須嚴(yán)格限制鋼筋水泥混凝土結(jié)構(gòu)中氯鹽的組成成分并且阻止外部氯離子入侵。

氯離子對(duì)于鈍化膜的破壞原理，某學(xué)者提出了氯離子與氫氧根爭(zhēng)奪腐蝕過(guò)程中生成的鐵離子，生成易溶解的4FeCl2·4H2O，其為淺綠藍(lán)色的物質(zhì)，俗稱(chēng)綠銹。綠銹從陽(yáng)極區(qū)域向水泥混凝土孔隙液方位移動(dòng)，生成Fe（OH）2，俗稱(chēng)褐銹。褐銹在陽(yáng)極區(qū)域沉積，生成氫氧根以及氯離子，它們返回陽(yáng)極區(qū)域，造成陽(yáng)極區(qū)域酸化，氯離子帶出更多的2價(jià)鐵離子。此時(shí)氯離子屬于加速腐蝕現(xiàn)象的中反應(yīng)產(chǎn)物，對(duì)腐蝕現(xiàn)象起到催化劑的效果。化學(xué)反應(yīng)方程式為：

對(duì)于非均勻材質(zhì)的鋼筋水泥混凝土，在很小的鋼筋材質(zhì)的表層上，混凝土孔隙的氯化物的濃度相對(duì)比較高，造成鋼筋材質(zhì)表層的鈍化膜受到局部的破壞，形成比較小的陽(yáng)極。鋼筋表層的多數(shù)面積依舊覆蓋著鈍化膜組織，形成比較大的陰極。由比較大的陰極和比較小的陽(yáng)極構(gòu)成的腐蝕反應(yīng)的電偶，因?yàn)榇箨帢O位置的氧氣量足夠，小陽(yáng)極部位的鐵材質(zhì)快速溶解出現(xiàn)深坑，比較小的陽(yáng)極出現(xiàn)酸化反應(yīng)，比較大的陰極發(fā)生相應(yīng)的反應(yīng)，使得孔隙液的pH值增大。氯化物的存在加強(qiáng)了鋼筋水泥混凝土的吸濕的能力，使水泥混凝土空隙液位置處的阻值下降。上述發(fā)生局部腐蝕的電偶結(jié)構(gòu)將會(huì)以局部推進(jìn)的模式進(jìn)行，這類(lèi)局部的腐蝕即為點(diǎn)腐蝕或者坑腐蝕。點(diǎn)腐蝕對(duì)于斷面面積比較小、應(yīng)力數(shù)值比較高同時(shí)又比較脆弱的預(yù)應(yīng)力鋼筋的危害性較強(qiáng)，尤其是預(yù)應(yīng)力數(shù)值較大的強(qiáng)鋼絲材質(zhì)[5]。假如鋼筋水泥混凝土中包含均布的游離形式的氯離子，并且保護(hù)層又相對(duì)比較薄，氧氣容易到達(dá)鋼筋的表層，這樣鋼筋表層就能夠大范圍的發(fā)生氯離子去鈍化的化學(xué)反應(yīng)，任其發(fā)展能夠造成很多點(diǎn)蝕坑的增大及融合，進(jìn)而導(dǎo)致大范圍的腐蝕發(fā)生。

3 水泥混凝土內(nèi)部的鋼筋銹蝕機(jī)理研究

水泥混凝土內(nèi)部鋼筋出現(xiàn)銹蝕狀況，通常狀況下都屬于電化學(xué)銹蝕，CO2與氯離子都是水泥混凝土內(nèi)部鋼筋鈍化膜遭到損壞的最關(guān)鍵及最普遍的介質(zhì)環(huán)境，所以水泥混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕機(jī)理一般有兩大類(lèi)：水泥混凝土碳化及氯離子的進(jìn)入。水泥混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕是在有水分子參與的條件下發(fā)生的。在O2與H2O的共同反應(yīng)下，逐步發(fā)生非常嚴(yán)重的腐蝕化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致水泥混凝土表面出現(xiàn)開(kāi)裂狀況。

4 鋼筋銹蝕的原因及防銹解決方案

4.1 鋼筋銹蝕的原因

混凝土內(nèi)部鋼筋發(fā)生銹蝕是由很多原因引起的，當(dāng)中有外部原因也有內(nèi)部原因，外部原因指的是環(huán)境條件，內(nèi)部原因指的是混凝土及鋼筋實(shí)際工況，分析如下。

4.1.1 鋼材

鋼材品質(zhì)優(yōu)異，金相構(gòu)造符合行業(yè)相關(guān)法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)，那么鋼筋就具備良好的防銹性能。如果使用耐磨蝕性能優(yōu)異的鋼筋，就能夠防止銹蝕的產(chǎn)生，但是因?yàn)榻?jīng)濟(jì)等層面的因素，到現(xiàn)在未能實(shí)現(xiàn)[6]。

4.1.2 鋼筋內(nèi)應(yīng)力

鋼筋內(nèi)應(yīng)力對(duì)于其銹蝕的制約是非常明顯的。此類(lèi)內(nèi)應(yīng)力腐蝕性遠(yuǎn)高于一般腐蝕反應(yīng)，破壞性極大。通常來(lái)講，鋼筋的內(nèi)應(yīng)力腐蝕分成兩個(gè)周期，即裂縫及局部電化學(xué)腐蝕。鋼筋內(nèi)應(yīng)力如圖1所示。

圖1 鋼筋內(nèi)應(yīng)力

4.1.3 水泥品種

堿含量較低的水泥混凝土原材料，比如礦渣混凝土，因?yàn)榛炷撂蓟俾史浅？?，所以鋼筋腐蝕的程度就隨之加重。

4.1.4 水泥混凝土緊密程度的制約因素

密實(shí)性能優(yōu)異的混凝土具有優(yōu)良的抗?jié)B能力，能夠行之有效地防止鋼筋銹蝕狀況的產(chǎn)生。

4.1.5 水泥混凝土裂縫的制約因素

混凝土出現(xiàn)裂縫會(huì)導(dǎo)致其滲透性能降低，加快混凝土侵蝕物質(zhì)及碳化的浸入，導(dǎo)致鋼筋出現(xiàn)比較嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象。水泥混凝土裂縫如圖2所示。

圖2 水泥混凝土裂縫

4.4.6 水泥混凝土內(nèi)部氯離子占比的制約因素

氯離子對(duì)于混凝土內(nèi)部鋼筋的腐蝕起到加速作用。當(dāng)混凝土內(nèi)部氫氧離子與氯離子的比例大于0.52的時(shí)候，鋼筋就會(huì)出現(xiàn)腐蝕的現(xiàn)象。

4.1.7 水泥混凝土保護(hù)層厚度的影響

在相同環(huán)境下，保護(hù)層越厚，鋼筋的腐蝕程度就越輕。

4.2 防止鋼筋銹蝕以及提升耐久性能的方法

鋼筋出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象是由多種因素造成的。所以，為了預(yù)防鋼筋產(chǎn)生銹蝕就需要由多方面著手，結(jié)合工程實(shí)際，具體可以從以下幾個(gè)方面入手。

4.2.1 設(shè)計(jì)時(shí)采取的措施

在結(jié)構(gòu)選型和細(xì)部設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)最大限度地降低潮濕的表面。構(gòu)件的外形不允許奇特、過(guò)薄及帶銳棱，并且此類(lèi)區(qū)域及構(gòu)件的單薄區(qū)域必須完全避開(kāi)干濕交替及飛濺的區(qū)域。

4.2.2 混凝土保護(hù)層的質(zhì)量及厚度

混凝土的抗?jié)B性好可降低碳化速率和有害離子侵蝕速度，合理厚度能夠暫緩離子侵入至鋼筋表層的時(shí)間。能夠使用全方位養(yǎng)護(hù)、侵入離子極限數(shù)值及高水泥實(shí)際使用量等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4.2.3 水泥種類(lèi)、攪拌料及外添加試劑

當(dāng)水泥混凝土內(nèi)部混有自然火山灰、粉塵煤灰、礦物渣質(zhì)以及硅灰等礦物質(zhì)混合材料用來(lái)替代使用混合材質(zhì)的硅酸鹽水泥以某些硅酸鹽水泥，因?yàn)榇祟?lèi)化學(xué)元素與水泥的水化物氫氧化鈣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生凝膠體的進(jìn)程比水泥水化反應(yīng)要緩慢很多。所以，和28天強(qiáng)度等級(jí)與工作度都一致的基本水泥混凝土進(jìn)行比較，其前期強(qiáng)度偏低，緊密性能較差及易干枯萎縮。所以在考慮鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性時(shí)，應(yīng)對(duì)水泥品種進(jìn)行篩選。

4.2.4 使用抗銹蝕性強(qiáng)的鋼筋

使用耐銹蝕鋼筋能夠大幅提升混凝土的耐久能力，根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)得出，不銹鋼以及鎢合金鋼在外部侵入離子的作用下表現(xiàn)出優(yōu)異的防銹能力。然而因?yàn)榻?jīng)濟(jì)等原因，現(xiàn)階段極少有關(guān)于耐銹蝕鋼筋在使用層面的科研報(bào)道[7]。

4.2.5 使用靜電噴涂樹(shù)脂型鋼筋

靜電噴涂粉塵樹(shù)脂型鋼筋，因?yàn)檫M(jìn)行徹底的除銹及樹(shù)脂均勻涂抹，熱溶固化反應(yīng)快速、均勻及徹底，可使鋼筋環(huán)境侵蝕介質(zhì)（CO2、Cl-、O2和H2O等）完全隔離，具備非常優(yōu)異的耐腐能力。

4.2.6 向水泥混凝土攪拌物內(nèi)添加阻銹劑

鋼筋阻銹劑（見(jiàn)圖3）指的是添加在水泥混凝土攪拌物內(nèi)借助單分子的化學(xué)裂變防止鋼筋表層陰極或者陽(yáng)極進(jìn)程的一類(lèi)外部添加試劑[8]。其通常使用在防止鹽污染水泥混凝土導(dǎo)致的鋼筋銹蝕現(xiàn)象，特點(diǎn)是應(yīng)用便利，不需要特殊維護(hù)，能夠均勻分布在全部混凝土體內(nèi)，不但能集中在混凝土防護(hù)層，并且造價(jià)低廉。

圖3 鋼筋阻銹劑

4.2.7 使用陰極保護(hù)方式

鋼筋銹蝕一般指的是電化學(xué)的腐蝕。因?yàn)殇摻畹年帢O區(qū)不能發(fā)生腐蝕，如果將鋼筋的全部陽(yáng)極換成陰極，鋼筋就不會(huì)出現(xiàn)銹蝕。借助增加陰極的電流值，導(dǎo)致鋼筋電位轉(zhuǎn)移至比原陽(yáng)極更負(fù)的電流位置，那么鋼筋就會(huì)只吸入電子而不排放電子，再也不會(huì)排放鐵離子。使用此類(lèi)電化學(xué)法達(dá)成鋼筋的防保，即為鋼筋水泥混凝土的陰極保護(hù)方法。陰極保護(hù)法適合水泥混凝土碳化導(dǎo)致的鋼筋銹蝕狀況，也適合于氯化物污染導(dǎo)致的鋼筋銹蝕狀況。

4.2.8 向構(gòu)件表層涂抹覆蓋物

根據(jù)鋼筋銹蝕原理得出，混凝土氯離子滲透及碳化是導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋鈍化膜破壞的主要因素。在其表層涂抹各類(lèi)保護(hù)層，使混凝土構(gòu)造和環(huán)境侵蝕物質(zhì)徹底分離，進(jìn)而起到防銹的作用。

5 結(jié)束語(yǔ)

鋼筋出現(xiàn)銹蝕是制約水泥混凝土結(jié)構(gòu)安全性的關(guān)鍵因素，本文針對(duì)鋼筋銹蝕現(xiàn)象進(jìn)行了較為全面的討論。總結(jié)給出了鋼筋銹蝕機(jī)理，主要從電化學(xué)反應(yīng)展現(xiàn)鋼筋的銹蝕過(guò)程。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研及結(jié)合自身的工作經(jīng)驗(yàn)給出了影響鋼筋銹蝕的主要因素，包括：鋼的材料性質(zhì)、鋼的應(yīng)力、水泥種類(lèi)、混凝土氯離子占比的因素及保護(hù)層間距的影響等七個(gè)方面。并且通過(guò)影響鋼筋銹蝕原因的分析給出了預(yù)防鋼筋銹蝕及提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的一些方法，包括：在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采取一定的措施、控制混凝土保護(hù)層的質(zhì)量及厚度、選擇合適的水泥品種及混凝土添加劑。