混凝土结构钢筋腐蚀的影响因素及防护

郑州大学土木工程学院

硕士研究生课程论文

课程名称《工程结构耐久性》

学时36

学分2

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指导教师

培养类型：□科学学位?专业学位

□工程硕士□高校教师

年级12级

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提交日期2013.5.29

混凝土结构钢筋腐蚀的影响因素及防护

姓名：郑萌立学号：201222212462 郑州大学土木工程学院

摘要：钢筋混凝土结构从出现到21世纪，经历了比较久的发展时期，并且依旧占据着建筑结构中最重要的一部分。然而，近年来的工程实际情况表明，在役钢筋混凝土结构因为耐久性问题而引起破坏的现象越来越严重，因此，有必要对钢筋锈蚀对混凝土结构耐久性的影响做研究。尤其是混凝土中影响钢筋锈蚀的因素和针对这些因素所采取的措施。

关键词：混凝土结构；耐久性；钢筋锈蚀；预防措施

Factors Influencing The Corrosion of Steel In Concrete And Its Protection

Name：ZHENG Meng-li ID：201222212462 School of Civil Engineering of Zhengzhou University

Abstract：From being create to twenty-first century，Reinforced concrete structure experienced a period of development for a long time, and still plays the most important part of the building structure. However, the actual situation of the project shows that in recent years, the damage caused by durability problems in existing reinforced concrete structure is more and more serious, which is leaded by the orrosion of steel bar give a large part. Therefore, it is necessary to do research on the influence of reinforcement corrosion on the durability of concrete structures.Especially the influence factors of steel corrosion in concrete and the measures taken in response to these factors.

Keywords：reinforced concrete structure；durability；corrosion；prevention measures

0 引言

最开始人们认为，钢筋混凝土结构很好地结合了钢筋与混凝土材料的优点，可模性好、可塑性强、整体性好、耐久性好、后期维护费用较低以及易于就地取材等诸多优点使得当今世界上的建筑大多选择采用钢筋混凝土结构。但随着时间的推后和累积，钢筋混凝土结构远远没有人们当初想象的那样耐久，其良好性能会在使用期内由于诸多因素的影响而逐渐退化从而引起世界上对耐久性问题的关注。特别是由于混凝土中钢筋的腐蚀引起的混凝土可靠性的降低[1]。随着腐蚀的加剧将导致混凝土保护层开裂、钢筋与混凝土间粘结力破坏、钢筋受力截面减小、结构强度降低等一系列不良后果。据统计全世界每年因混凝土结构耐久性问题造成的社会经济损失十分巨大。美国目前整个混凝土工程的价值约为60000亿美元，每年用于维修或重建的费用竟高达3000亿美元；英国建筑工业年成交额为500亿英磅，而因腐蚀损坏，钢筋混凝土结构的年维修费用高达515亿英磅，已成为英国的一个沉重的财政负担。我国的混凝土结构耐久性问题同样不容忽视，20世纪70年代末，我国开始兴建大量立交桥，20世纪90年代时发现混凝土保护层剥落，钢筋锈蚀等严重损坏现象，急需进行维修、加固，甚至重建，造成社会财富的巨大浪费[2]。

我国由于社会、经济以及历史原因，对于混凝土耐久性的关注和研究起步较晚，在建设领域还贯穿着“重建设，轻耐久”的思想。在美国，“立足前期措施、着眼长远效益”，美国经过正反两个方面的经验教训所得出的可贵结论已成为美国建设领域的重要思想。美国正在强行实施基建工程管理中的“全寿命经济分析法”(LCCA) ，其基本思想是，在设计施工阶段，不论是事先采取防护措施还是以后“坏了再修”，都要做出经济预算和比较，承建者要对工程的“全寿命”负责到底，这样可避免“短期行为”给后人带来的麻烦与巨大经济损失。推行“全寿命经济分析法”和倡导工程前期(设计、施工阶段)采取防钢筋腐蚀的措施，已经不是单纯的技术问题，其重大意义和长远经济效益是不可低估的[3]。

1 研究钢筋混凝土耐久性的意义

钢筋混凝土结构的耐久性，是指钢筋混凝土结构在自然环境、使用环境及材料内部因素的共同作用下，在设计要求的目标使用期内，不需要花费大量资金加固处理而能够保持其安全、使用功能和外观要求的能力。图1.1可直观的表述钢筋混凝土耐久性需要研究的内容[4]。

通过以上数据可知，每年由于混凝土结构中钢筋腐蚀造成的国民经济损失巨大，造成资源的极大浪费。若能采取主动控制，事前控制大幅度提高钢筋混凝土的耐久性，能从根本上最大限度地减少经济损失，充分的合理利用好现有资源，对于保护环境和造福人类具有非常重大的现实意义。

2 混凝土中的钢筋锈蚀

2.1混凝土中钢筋锈蚀的机理

混凝土结构中的钢筋锈蚀受许多因素影响，其中内外部因素有钢筋位置、钢筋直径、水泥品种、混凝土的密实度、保护层厚度及完好性、混凝土的液相组成(pH值及Cl-含量)等；外部因素有温度、湿度、周围介质的腐蚀性、周期性的冷热交替作用的。其腐蚀的机理是相同的, 产生腐蚀的原因主要有电化学腐蚀和应力腐蚀两类。

2.1.1电化学腐蚀

钢筋的电化学腐蚀通常有两种：一种是碳化作用；另一种是氯离子的侵蚀。

碳化作用是在有水或潮湿的环境中, 并有氧气存在的条件下才能发生。其主要反应式如下：

Fe → Fe2++ 2e-

O2 + 2H2O + 4e-→ 4(OH)-

2Fe + O2 + 2H2O → 2Fe(OH)2

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3

氯离子的侵蚀是在氯离子浓度达到一定值时，且处于潮湿、供氧充分的环境下发生。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

Fe(OH)3即是铁锈, 铁锈的生成使其体积膨胀3倍, 有效钢筋面积急剧减小。

2.1.2应力腐蚀

应力腐蚀是在一定的应力及侵蚀环境下引起钢材由韧变脆的一种腐蚀。钢筋中应力的存在使钢筋表面产生微裂缝,腐蚀沿钢筋的裂缝逐渐深入,应力促进裂缝进一步发展。在应力状态下的腐蚀试验表明,钢筋的强度越高、应力越大钢筋受腐蚀的速度越快,钢材的使用寿命越短。

2.2 各因素对混凝土中钢筋腐蚀的作用

2.2.1 pH值

以往研究证明[5],钢筋腐蚀速度与混凝土液相pH值密切关系。当pH值大于10时,钢筋腐蚀速度很小；而当pH值小于4时，钢筋腐蚀速度急剧增加。如图2.1所示。

图2.1 pH值对钢筋锈蚀速度的影响

2.2.2 混凝土碳化

钢筋混凝土施工完毕时,钢筋处在碱性环境中,在钢筋表面形成一层钝化膜,可以防止钢筋锈蚀。但随着时间的推移,随着CO2等酸性气体的侵入，混凝土逐渐被碳化，导致钢筋周围混凝土碱性降低而趋于中性，钢筋表面的钝化膜就会受到破坏而失去对钢筋的保护作用。钢筋直接与其他物质接触，很容易发生锈蚀[6]。钢筋的锈蚀又会导致混凝土保护层开裂，结构耐久性降低等不良后果。众所周知，温室效应已经严重影响了大气的结构，二氧化碳浓度升高，更加剧了混凝土的碳化。

2.2.2.1 混凝土的碳化机理

混凝土碳化是一个化学腐蚀的过程，大气中的二氧化碳渗入到混凝土内部与水泥里水化产物发生一系列反应，最后生成碳酸盐和一些其他物质。这是一个非常复杂的多相物理化学反应过程。我们知道，在混凝土的硬化过程中，约占水泥用量的三分之一将生成氢氧化钙，也就是说，水化反应基本完成后，混凝土内部孔隙水溶液为饱和的氢氧化钙强碱性溶液，pH 值为12～13 左右。然而，大气中的二氧化碳却每时每刻都在向混凝土的内部渗透，与混凝土中的氢氧化钙发生作用，继续生成碳酸盐或者其他一些物质。虽然混凝土碳化之后由于生成了不溶或者难溶的碳酸盐，增加了混凝土的体积，也提高了混凝土的密实度，阻止氧气和二氧化碳继续渗入，貌似对混凝土的耐久性起到了良好的作用。但是，混凝土碳化之后，其pH值大幅下降，却导致了混凝土中的钢筋脱钝。

混凝土的碳化的主要反应化学式如下：

CO2+ H2O →H2CO3

Ca(OH)2+H2CO3→CaCO3 + 2H2O

3CaO·2SiO2·3H2O + 3H2CO3→3CaCO3 + 2SiO2 + 6H2O

2CaO·SiO2·4H2O + 2H2CO3→2CaCO3 + SiO2 + 6H2O

2.2.2.2 混凝土碳化的影响因素

混凝土碳化的影响因素主要有：水灰比；水泥品种与用量；骨料的品种及粒径；混凝土掺合料；外加剂；CO2浓度；相对湿度；温度；混凝土抗压强度；施工因素等多方面的影响。

其中，水灰比是影响混凝土碳化速率很大的一个因素，水灰比越大,孔隙率越高,CO2的扩散越容易,混凝土碳化速度越快。山东建科院在济南、青岛、佛山进行了室外长期暴露试验及快速试验，得到碳化速度与水灰比的关系，并根据济南地区暴露试验给出了碳化速度系数与水灰比的表达式[7]：k=12.1w/c-3.2，式中, w /c—混凝土的水灰比。

增加水泥用量一方面可以改变混凝土的和易性，提高混凝土的密实性；另一方面还可以增加混凝土的碱性储备，使其抗碳化性能大增强，碳化速度系数随水泥用量的增大而减小。

水泥品种不同意味着其中所包含的熟料的化学成分和矿物成分以及水泥混合材料的品种和掺量有别，直接影响着水泥的活性和混凝土的碱度，对碳化速度系数有重要影响。

集料品种和级配不同，其内部孔隙结构差别很大，直接影响着混凝土的密实性。

混凝土施工对混凝土的质量有很大的影响，混凝土浇筑、振捣和养护不仅影响混凝土的强度，而且直接影响混凝土的密实度。

环境湿度对混凝土碳化速度有很大影响。相对湿度的变化决定着混凝土孔隙水饱和度的大小，湿度较小时，混凝土处于含水率较低的状态，碳化速度较慢。湿度较高时，碳化速度也较慢。当相对湿度为50%-60%时，混凝土的碳化速度最快；CO2浓度越高，碳化速度越快。另外，CO2气体的扩散速度和碳化反应受温度影响较大，因此，随温度升高CO2速度加快，碳化速度也加快。等等。

2.2.3钢筋保护层厚度和混凝土密实度

混凝土对钢筋的保护作用可以包括两个主要方面：一是混凝土的高碱性使钢筋表面形成钝化膜；二是保护层对外界腐蚀介质、氧化剂及水分等渗入的阻止作用。后一种作用主要取决于混凝土的密实度及保护层厚度。

混凝土保护层厚度是影响钢筋腐蚀的重要因素。为了保证钢筋不锈蚀，必须使其具有一定的合适的保护层厚度。但保护层厚度对钢筋的保护作用是有限的。混凝土是水泥为胶结材料、含砂子和石子的混合物,即是一种多孔材料。混凝土制作、养护过程中,难

免产生微观、宏观裂纹；使用中在内力、外力作用下，也会有裂纹产生。因此,目前大量用于建筑中的混凝土,不可能做到完全密实,环境介质(水、气等)还是可以渗入其内的。高质量、高密实的混凝土，对于其内钢筋能提供较好的物理保护(隔离环境)，但此作用是有限的，这是混凝土的多孔性本质所决定的。

混凝土的高碱性是保护钢筋的必要条件，而水泥水化产物中，最具活性、最不稳定的就是以氢氧化钙为主的“碱”(氢氧化钠、氢氧化钾含量少) 。在与空气、水接触时会起化学反应，也可随水而流失。混凝土“碱”的损失速度,取决于混凝土内的碱储量、混凝土的密实性、环境介质条件等。所以密实的混凝土，不仅对钢筋提供好的物理保护作用，而且由于碱度不易损失，从而能对钢筋提供更好的化学保护作用。

2.2.4 裂缝

如前所述，混凝土的高碱性使钢筋表面形成一层致密的钝化膜，使其处于钝化状态，对钢筋形成保护。但，如若在混凝土构件中出现裂缝，便为周围介质的入侵提供了条件，可能导致钢筋表面的钝化膜遭到破坏, 从而导致钢筋腐蚀的发生。

2.2.5氯盐

混凝土中Cl-含量对钢筋锈蚀影响极大。一般情况是钢筋混凝土结构中的氯盐掺量应少于水泥重量的1%(按无水状态计算),而且掺氯盐的混凝土必须振捣密实,且不宜采用蒸汽养护。

2.2.5.1作用机制

（1）破坏钝化膜：水泥水化的高碱性(pH≥1216),使钢筋表面产生一层致密的钝化膜。钝化膜中包含有Si-O键,对钢筋有很强的保护能力。然而钝化膜只有在高碱性环境中才是稳定的。研究与实践表明，当pH<11.5时，钝化膜就开始不稳定(临界值)；当pH< 9.88时钝化膜生成困难或已经生成的钝化膜逐渐破坏。Cl-进入混凝土中并到达钢筋表面,当它吸附于局部钝化膜处时，可使该处的pH迅速降低到4以下。于是该处的钝化膜就被破坏了。

（2）形成“腐蚀电池”：Cl-对钢筋表面钝化膜的破坏首先发生在局部(点)，使这些部位(点)露出了铁基体，与尚完好的钝化膜区域之间构成电位差(作为电解质，混凝土内一般有水或潮气存在)。铁基体作为阳极而受腐蚀，大面积的钝化膜区作为阴极。腐蚀电池作用的结果，钢筋表面产生点蚀(坑蚀)，由于大阴极(钝化膜区)对应于小阳极(钝化膜破坏点)，坑蚀发展十分迅速。这就是Cl=对钢筋表面产生“坑蚀”为主的原因所在。

(3)Cl-的去极化作用：阳极反应过程是Fe- 2e = Fe2+，如果生成的Fe2+不能及时般运走而积累于阳极表面，则阳极反应就会因此而受阻；Cl-与Fe2+相遇会生成FeCl2，从而加速阳极过程。通常把加速阳极的过程，称作阳极去极化作用.

(4)Cl-的导电作用：腐蚀电池的要素之一是要有离子通路。混凝土中Cl-的存在，强化了离子通路，降低了阴、阳极之间的欧姆电阻，提高了腐蚀电池的效率，从而加速了电化学腐蚀过程。氯盐中的阳离子(Na+、Ca2+等)，也降低阴、阳极之间的欧姆电阻。

2.2.5.2 关于混凝土中的氯盐限定值

混凝土氯化物的临界浓度是指混凝土内部钢筋周围有氯离子的存在，但是还不会致使钢筋去钝化的氯离子最高浓度。Diamond结合以前所有学者的研究成果得出了不同pH 值对应的临界值，见表2.1[8]。

表2.1钢筋在不同 pH 值时去钝化的临界值

2.2.6 其他因素

对混凝土中钢筋腐蚀影响的因素除了以上比较重要的5条外，还有比如周围环境的温度、湿度，钢筋的品种等。但这些因素因不是主导因素，本文中不再详细论述。

3 钢筋锈蚀的防护

防止钢筋锈蚀的根本途径不是控制外荷载引起的横向裂缝宽度，而是减慢二氧化碳、氧、水等腐蚀因子通过混凝土保护层向钢筋表面渗透扩散的速度，以及防止氯离子在钢筋表面和积聚。主要的措施可从两方面来考虑：一是钢筋方面。可采用一定的技术措施提高钢筋自身的防腐性能。例如，采用环氧涂层钢筋、不锈钢钢筋、镀锌钢筋等。也可以通过钢筋腐蚀的电化学原理采用电化学再钝化、阴极保护法等。二是混凝土方面。根据钢筋锈蚀机理，限制原材料中氯离子的含量，提高混凝土的抗渗性、密实性，可以有效地降低氯离子渗透到钢筋表面的速度，阻止钢筋锈蚀引起的混凝土胀裂。

3.1阻锈剂的应用

阻锈剂是能够阻止或者减缓内部钢筋锈蚀的一种化学物质，通常是掺入混凝土中来起到保护作用。

3.2电化学保护方法

图3.1 电化学保护方法示意图

通过在外部呈阳极的导体上施加一个直流电流通过混凝土，这样操作可以使得混凝土中的钢筋具有电化学电池阳极的作用。在必要时候可以改变钢筋的电位，进而可以去去除掉混凝土空隙中溶液带有的有害离子来保证结构的碱度，这也是电流通引起钢筋在钝化从而减慢了腐蚀速率的方法。

电化学方法对完整的结构不需要加以破坏与修复，只要去除掉已发生剥落和分层的混凝土。用较少的施工时间就能够让结构恢复其承载能力。同时能够全面系统地排除腐蚀的影响，使得整个区域内的混凝土都得到了有效的处理，比传统方法更可靠和更耐久。

可其不足也是存在的，像是如果引起锈蚀的是混合氯离子，电化学脱氯的效果就没那么显著了，阴极保护的弊端就是导电性涂层和混凝土之间的粘接性不能够得到保证，要取决于粘接钱混凝土表面的处理。另一个显著的局限就是对高强钢筋的强极化产生了氢气释放和氢脆的危险。

3.3保证必需的保护层厚度

增加混凝土保护层厚度可显著推迟腐蚀因子渗透到钢筋表面的时间，也可提高对钢筋锈蚀膨胀的抵抗力。所以增加保护层厚度能有效地推迟碳化时间。

3.4提高混凝土的密实度

选用质量良好、技术条件合格的砂、石骨料，是保证混凝土耐久性的重要条件。改善粗细骨料级配，骨料级配曲线平滑，在允许的最大粒径范围内尽量选用较大粒径的粗

骨料，可减小骨料的空隙率和比表面积，也有助于提高混凝土的耐久性。提高混凝土的密实度，减少内部微细空隙和毛细管通道是加强钢筋防腐能力的最根本途径。

3.5加强混凝土的施工质量控制

混凝土施工中，应当搅拌均匀、浇灌和振捣密实并加强养护，以保证混凝土的施工质量。

4 结论

钢筋腐蚀对钢筋混凝土构件(包括预应力混凝土构件)的耐久性受影响很大，在进行混凝土结构设计时，要强化“耐久性设计”的观念，充分考虑构件钢筋锈蚀对结构的影响，采取相应的钢筋防锈蚀的技术措施。根据本文的分析，总结出钢筋锈蚀采取防护的原则主要有以下几点：

1、在讲究环保社会的年代，所有防护措施以及采取的材料等都应该在满足防锈的同时还能满足环保的要求，不能对当前环境造成大的危害，更不能对人的健康产生危害；

2、不同用途的桥梁重要性不同，根据桥梁重要性的不同引入桥梁分级防护的理念，采取不同保证率下的防护级别和相应对策；

3、钢筋锈蚀会导致桥梁等结构物的承载能力快速下降，对于所有桥梁应该提倡预防性防护的理念，即在发生事故之前对其进行防护以免产生不可估量的后果；

4、对于用在桥梁结构防止钢筋锈蚀的涂料制剂等防护用品，不能与结构的其他物质发生反应从而导致结构的承载力等功能的丧失或降低。

5、重视对混凝土结构表观质量的防护。

鉴于作者自身知识水平，本文确有很多不足之处。混凝土耐久性日益成为混凝土结构设计和施工中非常重要的环节。我们必须对混凝土中钢筋的腐蚀对混凝土的耐久性有更深入的了解，才能制定更完善的防护措施，降低混凝土耐久性引起的经济损失甚至人员伤亡。

参考文献

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[4]金伟良，赵羽习著．混凝土结构耐久性［M］．北京：科学出版社，2002

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[7] 徐善华，牛荻涛，王庆霖.钢筋混凝土结构碳化耐久性分析[J].建筑技术开发，

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[8]洪定海．混凝土中钢筋的腐蚀与保护．北京：中国铁道出版社，1998