混凝土结构中钢筋的腐蚀与防护

混凝土结构中钢筋的腐蚀与防护

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摘要：研究了目前我国钢筋混凝土耐久性失效的主要原因，分析了钢筋在未开裂和裂缝状态下

的锈蚀机理以及影响钢筋锈蚀的主要因素，提出了混凝土结构中钢筋的抗腐蚀对策，为增强结

构耐久性，延长使用寿命打下了基础。

关键词：钢筋混凝土；耐久性；腐蚀；对策

自从波特兰水泥问世以来，钢筋混凝土结构已成为世界上最为常用的建筑形式之一。曾经一度有人认为混凝土材料有着较高的强度和良好的耐久性。但是在混凝土材料长达150多年的使用历史中。人们逐渐认识到钢筋混凝土结构也并非是十全十美的．其中关于混凝土结构耐久性的问题逐渐显现出来，引起了人们的关注。然而在所有耐久性破坏形式中，混凝土中钢筋的腐蚀是结构耐久性和长期性能的最大威胁。据统计，截止1986年，美国用于修复被腐蚀桥梁的费用已达240亿美元，而且以每年5亿美元的速度增长；2001年，据美国估算，其每年用于桥梁修复和更换的费用约为83亿美元，而且在未来的20年里，这一费用将达到每年94亿美元_l】。通过以上数据可以知道，由于混凝土结构的腐蚀造成了巨大的经济损失。

虽然我国在混凝土结构腐方面蚀没有全面、系统、深入的调查，但是国外发达国家的先例提醒我们应该重视混凝土结构的耐久性，尽可能降低由于腐蚀破坏所带来的损失。所以，对于混凝土结构中钢筋的腐蚀与防护的研究有着重要的意义。

1 混凝土中钢筋腐蚀的原因

混凝土是一种多孔复合材料，在其内部由于CH晶体的存在使其孔溶液具有较强的碱性(pH值为12～13)，钢筋在混凝土的强碱性环境下会生成一层致密的钝化膜，从而阻止钢筋腐蚀。但是当环境中的不利因素使得混凝土产生劣化后，钢筋就会失去混凝土的保护作用，从而产生锈蚀。其中，促使混凝土发生劣化的原因有以下几种：

1．1 氯离子侵蚀

随着除冰盐的应用以及越来越多海洋结构投入使用，氯离子的侵入逐渐成为造成混凝土中钢筋锈蚀的重要因素。通常而言，混凝土中氯离子的来源主要有两种，一种在拌和混凝土的过程中掺人的Cl¯，如使用含有Cl¯的外加剂，以及浇筑海洋结构时溅入的海水等；另一种是外界环境中的Cl谘液通过混凝土的孔隙渗透到混凝土中。虽然氯化物是中性盐．但是在混凝土中Cl¯与其他离子相比更容易被吸附，所以，钢筋钝化膜附近Cl¯浓度相对较高，根据电中性原理，OH¯的浓度会相对较低，发生局部酸化，当氯离子聚集到一定程度时钝化

膜就会破坏，从而使钢筋发生腐蚀。

氯离还具有催化搬运作用。当Fe在阳极被氧化后，Cl-@与OH¯争夺Fe“．生成FeC12"4H20并向含氧量较高的混凝土孔溶液迁移，生成Fe(OH) ，沉积在阳极周围，并释放出Cl一继续参加去钝化作用

1．2 混凝土的中性化

混凝土中的碱性环境会因酸性气体或液体的侵入而发生中性化。在普通环境中．大气中的二氧化碳会溶于水中，并与CH晶体和C—S—H凝胶发生反应生成CaCO ，从而使得混凝土中的pH值降低；其他的酸性气体或液体侵入混凝土也会导致混凝士的中性化，例如工业厂房中产生的酸性气体和酸雨等。当混凝土中的pH

1．3 冻融破坏

冻融破坏是指混凝土在负温与正温交替循环作用下发生表层剥落、开裂、强度降低、结构疏松乃至破坏的现象。关于于冻融破坏有两种假说：一种假说为静水压假说，孔隙水结冰膨胀使孔隙溶液向外迁移，产生客服粘滞阻力的水压力，当流程长度足够大时．净水压力会大于混凝土抗拉强度产生破坏；另一种假说为渗透压假说：当孔隙水结冰时，孔隙溶液中的各种离子浓度增大，相邻孔中的孔隙溶液向该孔迁移，当水压力大于混凝土的抗拉强度时发生破坏。冻融破坏会使混凝土孔隙率增大、产生裂缝甚至保护层脱落．从而削弱混凝土对钢筋的保护作用，使钢筋更容易发生锈蚀。

1．4 碱一骨料反应

碱一骨料反应是混凝土中的某些活性矿物骨料与混凝土孔隙中的碱性溶液之间的反应，根据岩石种类与反应机理的不同可以分为碱一硅酸反应(ASR)、碱一硅酸盐反应和碱一碳酸盐反应(ACR)。碱一骨料反应的生成物会发生膨胀．当膨胀压力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土发生开裂，外界有害物质更容易进入混凝土内部，造成钢筋锈蚀。

1．5 火灾或高温作用[31

在一些特殊的环境下，混凝土会因为高温作用发生劣化。从而失去对钢筋的保护作用。这些因素主要包括：火灾环境中HC1气体的侵入和高温作用导致的混凝土中性化问题。PVC 材料在现代建筑中已经广泛应用，而其在高温下的不稳定性可能会为建筑物在火灾后的使用埋下了安全隐患。

PVC材料在高温作用下会分解出HC1气体，而混凝土在高温下非常容易和HC1气体结合，在火灾扑灭后会继续渗透到钢筋表面，从而引起钢筋的锈蚀。由于较少的Cl一就可能引起钢筋的锈蚀．而且Cl一含量在钢筋发生腐蚀的过程中不会减少，所以火灾作用引起的Cl一侵入问题应该引起足够的重视。

包括火灾在内的一些高温环境可能造成混凝土的中性化。混凝土中的碱性主要贡献材料CH晶体在温度高于400。C时开始分解，到达500。C时分解完毕。这使混凝土在受到高温温度场作用的一定厚度范围内会发生混凝土的中性化，使钢筋失去碱性环境的保护。

2混凝土中钢筋锈蚀机理

2．1 钢筋的腐蚀——电化学反应过程

钢筋混凝土结构中的钢筋腐蚀主要是电化学腐蚀，这是由于混凝土空隙中的水分通常以饱和的氢氧化钙的溶液形式存在，其中还含有一些氢氧化钠和氢氧化钙，pH值为12．5。在这样的强碱性的环境中，钢筋表面形成钝化膜，它是厚度为2×10﹣9—6×10﹣9m的水化氧化物(nFe2O3·mH2O)，阻止钢筋进一步腐蚀。但是，当钢筋表面的钝化膜受到破坏，成为活化态时，钢筋就容易腐蚀。呈活化态的钢筋表面所发生的腐蚀反应的电化学机理是，当钢筋表面有水分存在时，就发生铁电离的阳极反应和溶液中氧还原的阴极反应，相互以等速度进行，其反应式如下：

阳极反应2Fe－4e—→2Fe2．

阴极反应O2+2H2O+4e—→4OH¯

腐蚀过程的全反应是阳极反应和阴极反应的组合，在钢筋表面析出氢氧化亚铁，其反应式为

2Fe+O2+2H2O→2Fe2+40H¯→2Fe(0H)2

4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3

该化合物被溶解氧化后生成氢氧化铁Fe(OH) 3，并进一步生成nFe2O3·mH2O (红锈)，一部分氧化不完全的变成Fe3O4 (黑锈)，在钢筋表面形成锈层。红锈体积可大到原来体积的4倍，黑锈体积可大到原来的2倍。铁锈体积膨胀，对周围混凝土产生压力，将使混凝土沿钢筋方向开裂，进而使保护层成片脱落，而裂缝及保护层的剥落又进一步导致钢筋更剧烈的腐蚀。→

2．2 裂缝状态下钢筋的腐蚀

当混凝土结构出现横向裂缝时，根据电化腐蚀机理，裂缝处的钢筋表现为阴极，氧气主要是通过未裂区混凝土传递到阴极。根据电化学作用原理，钢筋锈蚀须具备4个条件：①钢筋表面要有电势差；②除钢筋外，阴极和阳极之间要有电介质联系，这就意味着混凝土必须具有相当的湿度，有氯离子时，导电性显著增加；③在阳极金属表面要处于活化状态；④氧气能从混凝土表面扩散到阴极活化钢筋表面，有足够的氧生成氢氧根离子。

对裂缝处的钢筋，在一般大气条件下，条件①、②是具备的；从客观上讲，裂缝处是阳极，混凝土未开裂处是阴极，由于裂缝处钢筋暴露于空气中，钢筋失去混凝土的钝化而处于活化状态，因此，条件③也是具备的；至于条件④，氧的扩散速度越大，钢筋腐蚀越快。因此，腐蚀的速度取决于混凝土的密实度及保护层厚度，混凝土密实度越差，腐蚀速度越大。

3 钢筋腐蚀对结构受力的影响

在钢筋混凝土结构内，钢筋受到周围混凝土的保护，一般不腐蚀。但当保护层破坏或保护层厚度不足时，钢筋在一定条件下将产生腐蚀，钢筋腐蚀对结构受力影响变化过程见表l。

表1 截面面积损失率对结构受力的影响