浅析钢筋混凝土中钢筋锈蚀的成因

浅析钢筋混凝土中钢筋锈蚀的成因
摘要：“钢筋锈蚀”、“寒冷天气下的冻害”、“侵蚀环境下的物理化学作用”被认为
是造成混凝土破坏的三个主要原因，又以“钢筋锈蚀”为首，严重影响混凝土结构
的耐久性。

水工混凝土结构受海水、冰冻、泥沙、潮流、物理、化学、台风等多
种影响因素，我们在施工的过程中，又由于操作上的原因、混凝土本身收缩变形、受外界约束等，混凝土成型后在表面中产生不同程度的细小裂缝，分布众多并几
乎不可避免，在外界因素长期影响下，细小的裂缝逐渐发展成贯通的或者宽度不
断变大的裂缝导致钢筋产生锈蚀及结构失稳。

关键词：钢筋混凝土；钢筋锈蚀；成因
1导言
碳化主要是酸性气体通过混凝土裂缝进入混凝土内部与氢氧化钙产生反应，
水及氧气又是通过混凝土裂缝进入内部使钢筋锈蚀，而氯离子侵蚀的途径一是原
材料内的氯离子（在拌制混凝土时严格控制是可以做到的），另一途径是外界氯
离子通过混凝土裂缝进入，如混凝土结构处在海水环境中。

因此，在尽量减少成
本增加的情况下，也许可以从减少混凝土裂缝或者截断裂缝通道入手作为减少钢
筋锈蚀的研究方向。

2钢筋锈蚀的原因分析
通常情况下，普通硅酸盐水泥的主要成分是铝酸钙和硅酸钙，在水泥水化反
应中主要生成最具活性、最不稳定的氢氧化钙（氢氧化钠、氢氧化钾含量很少），溶解于水时pH可达到12~13，呈强碱性，因此，混凝土是一种强碱性环境。

在
此环境下，钢筋表面形成一层致密且难溶的三氧化二铁和四氧化三铁氧化膜，也
称为钝化膜。

水和氧气不能渗透钝化膜，钢筋不容易发生锈蚀，碱度越高，钝化
膜越稳定，对钢筋的保护也就越好。

当PH值降到11.5时，钝化膜不再稳定，当PH值降到9~10时，钝化膜的作用基本被破坏，钢筋出于脱钝状态，此时PH值
即为钢筋锈蚀的阈值，低于阈值并且在外部条件满足时钢筋逐渐发生锈蚀，PH值越小，其锈蚀的速度越快。

因此，要使钢筋混凝土中的钢筋锈蚀，主要一是降低PH值，破坏钝化膜，使钢筋失去保护，二是有水和氧气的存在，两个条件必须同时满足。

钢筋锈蚀的过程为：
Fe→Fe2++2e-
O2+2H2O+4e-→4（OH）
2Fe+O2+2H2O→2Fe（OH）2
在氧气充足的条件下：4Fe（OH）2+O2+2H2O→4Fe（OH）3
2Fe（OH）3→Fe2O3+3H2O
在氧气不充足的条件下：Fe（OH）2+O2→2Fe2O3+3H2O
Fe2O3即为钢筋锈蚀的结果铁锈。

锈蚀使钢筋体积发生膨胀（体积比原来提
高2.2倍），但钢筋的有效受力面积减少，并且钢筋体积膨胀会对混凝土造成破坏，使钢筋保护层逐渐开裂直至剥落，导致更多的钢筋暴露及锈蚀，钢筋的工作
性能降低，与混凝土的握裹力减弱，结构的安全性和耐久性降低。

2.1混凝土碳化
混凝土的碳化，亦称“中性化”，是空气中的酸性气体（主要是二氧化碳，少
量二氧化硫等）沿着混凝土缝隙逐渐渗入到混凝土中被氢氧化钙的碱性溶液所吸
收，并相互反应生成碳酸钙的过程。

CO2+H2O→H2CO3
Ca（OH）2+H2CO3→CaCO3+2H2O
3CaO·2SiO2·3H2O+3H2CO3→3CaCO3+2SiO2+6H2O
2CaO·SiO2·4H2O+2H2CO3→2CaCO3+SiO2+6H2O
碳酸钙难溶于水，PH值降到9左右，随着混凝土不断碳化，PH值不断下降，并不断向混凝土内部延伸。

碳酸钙的生成增加了混凝土的体积及提高了混凝土的
密实度，一定程度上阻止了氧气与二氧化碳继续渗入，对混凝土的耐久性起到了
一定的作用，并且对混凝土强度一般也无直接影响，因此，对于素混凝土可以不
用考虑碳化的影响。

但是对于钢筋混凝土，碳化降低了碱性溶液的PH值，使钝
化膜破坏，钢筋失去保护，在水与空气同时存在的条件下，钢筋锈蚀产生，所以
对于钢筋混凝土要尽量减少碳化的发生。

在大气环境中，混凝土碳化是比较常见
的一种使钢筋锈蚀的形式。

影响混凝土碳化的因素主要有：大气中酸性气体的浓度、空气湿度、温度、水泥的品种及用量、水灰比的大小、骨料、外掺料、外加剂、施工操作方面等。

混凝土碳化、钢筋锈蚀的过程都离不开水的参与，因此潮
湿环境下会加快碳化和锈蚀的发生，所以保持环境干燥可以作为减缓混凝土碳化
从而引起钢筋锈蚀的一个考虑方向。

2.2氯离子侵蚀
混凝土中的氯化物可能通过原材料加入，也可能是通过混凝土裂缝从外界渗
入的，但只有当氯离子是自由状态且浓度达到一定值并且处于潮湿、氧气充分的
环境下才会对钢筋锈蚀产生影响。

进入混凝土中的自由氯离子，与其中的氢氧化
钙发生反应，降低混凝土碱度，保护钢筋的钝化膜失效，在有水及氧气满足条件
的情况下，钢筋锈蚀，这一原理与混凝土的碳化使钢筋锈蚀类似。

另外一种情况
是氯离子与失去钝化膜保护的钢筋或直接从钝化膜的缺陷处渗进与钢筋发生反应，首先发生在局部，在钢筋表面产生点蚀（坑蚀）。

其主要反应式如下：Fe→Fe2++2e-
Fe2++2Cl-+4H2O→FeCl2·4H2O
FeCl2·4H2O→Fe（OH）2+2Cl-+2H++2H2O
4Fe（OH）2+O2+2H2O→4Fe（OH）3
从以上反应式可以看出，在钢筋锈蚀的过程中，本身不消耗氯离子，氯离子
只是起到了催化剂的作用，钢筋锈蚀的反应产物被及时运走，不使其在阳极区域
堆积下来，加速了钢筋的锈蚀，并且点蚀容易造成钢筋的应力集中，这才是氯离
子危害性最大的一面，要比混凝土的碳化对钢筋的锈蚀严重的多。

因此，在钢筋
混凝土施工时一定要控制氯离子的含量，尤其是原材料中的氯离子含量。

从以上
两方面的原因来看，可以用来解释为什么在水位变动区混凝土结构容易破坏。

除
去冻融循环的影响，在水位变动区，尤其是海水的环境下，混凝土的破坏基本上
是通过裂缝引起的。

2.3应力锈蚀
碳化及氯离子属于电化学锈蚀，还有一种锈蚀称为应力锈蚀。

应力锈蚀是指
受力钢筋受到外界侵蚀时韧性变脆的一种锈蚀。

钢筋因受到应力作用（主要是拉
应力），在钢筋表面产生微小的裂缝，锈蚀沿钢筋的裂缝不断向深度发展。

通过
试验得知，同样条件下的钢筋，受力愈大、锈蚀愈快、寿命愈短。

3钢筋锈蚀破坏过程及特征
3.1钢筋锈蚀破坏过程
（1）自由膨胀阶段。

钢筋锈蚀体积增大但不会对混凝土产生压力。

（2）应
力产生阶段。

钢筋锈蚀体积不断增大开始对混凝土产生压力，到混凝土保护层将
要出现裂纹。

（3）混凝土保护层裂纹产生阶段。

（4）裂缝扩展阶段。

裂缝有扩
展贯通的趋势，钢筋加速锈蚀。

3.2钢筋锈蚀破坏特征
（1）混凝土保护层顺钢筋方向开裂，外部物质更易进入，加快钢筋锈蚀，
提高对混凝土裂缝的认识，及时发现并采取防护措施，阻止钢筋继续锈蚀。

（2）钢筋表面因锈蚀与混凝土分离，两者之间的握裹力随之降低，直至消失。

（3）
钢筋断面减小或断裂，受力性能降低。

若是整根钢筋均匀锈蚀，则不会突然发生
构件破坏，但实际情况比较复杂，如氯离子的点蚀，则会在短期内造成钢筋某一
断面锈蚀严重而断裂，进而危及到构件，并且钢筋会由于应力的存在，加速锈蚀，二者互相促进，产生脆断，更危险。

4结语
混凝土内部是一种强碱环境，钢筋在该环境内因强碱在钢筋外围产生一层钝
化膜而受到保护，但由于酸性气体的入侵使钢筋的钝化膜失去保护作用，在水及
氧气的条件下钢筋发生锈蚀，或者由于氯离子的存在破坏了钝化膜，钢筋在氯离
子的催化下被锈蚀，锈蚀过程不消耗氯离子，循环利用的氯离子只是不断“搬运”
铁离子而使钢筋加剧锈蚀。

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