混凝土橋梁鋼筋銹蝕的原因分析及預(yù)防措施

付美樓

混凝土對(duì)鋼筋的保護(hù)，主要是依靠硅酸鹽水泥在水化過(guò)程中產(chǎn)生的堿Ca(OH)2來(lái)提高混凝土液相pH值，使鋼筋處于強(qiáng)堿環(huán)境中，其表面便產(chǎn)生致密氧化膜，使鋼筋處于鈍化狀態(tài)。鋼筋鈍化的本質(zhì)就是在金屬表面形成起保護(hù)作用的平衡電層，并使表面的電化學(xué)電位升高或保持恒定，從而抑制金屬離子水化過(guò)程的進(jìn)行。而隨著時(shí)間的推移，橋梁受外界環(huán)境因素影響，混凝土中鋼筋的平衡電位遭受破壞，從而引起鋼筋銹蝕，這一影響過(guò)程屬于電化學(xué)過(guò)程，只有充分了解和掌握這些影響因素，才能有效預(yù)防和減緩鋼筋銹蝕問(wèn)題。

1 鋼筋銹蝕的原因

1.1 混凝土的pH值

混凝土主要依靠硅酸鹽水泥在水化過(guò)程中產(chǎn)生的堿來(lái)提高混凝土液相pH值，其水化過(guò)程如下:

鋼筋銹蝕速度與混凝土液相pH值有密切關(guān)系，許多專家和學(xué)者在理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)上提出當(dāng)pH＜9.8時(shí)鋼筋不可能形成鈍化膜;當(dāng)9.8＜pH≤11.5時(shí)，鋼筋處于不完全鈍化狀態(tài)，有發(fā)生局部腐蝕的可能;當(dāng)pH＞11.5時(shí)鋼筋才能生產(chǎn)較致密、完整的鈍化膜，從而抑制鐵變成離子活動(dòng)狀態(tài)。

1.2 混凝土的碳化

混凝土碳化反應(yīng)過(guò)程如下:

混凝土在這一碳化過(guò)程中會(huì)使pH值下降，當(dāng)pH＜11時(shí)，混凝土中鋼筋表面的鈍化膜就會(huì)被破壞，一旦鋼筋鈍化膜被破壞，鋼筋中的鐵離子就處于活化狀態(tài)，很容易被孔隙中的氧氧化。當(dāng)氧化不完全時(shí)生成Fe2O4(黑銹)體積膨脹2倍，當(dāng)氧化進(jìn)一步進(jìn)行時(shí)，F(xiàn)e2O4變成Fe2O3鐵銹，體積膨脹 4倍。

1.3 混凝土中Cl-(氯離子)的作用

Cl-(氯離子)主要來(lái)源于混凝土添加劑和防凍劑，其破壞作用機(jī)理如下:1)Cl-有很高的活性和較小的半徑，它能穿透或破壞鋼筋表面的鈍化膜。2)Cl-和鋼筋反應(yīng)生成FeCl2，該產(chǎn)物溶解性強(qiáng)，在遠(yuǎn)離鋼筋表面處生成Fe(OH)2，一方面腐蝕產(chǎn)物不對(duì)金屬表面有覆蓋保護(hù)作用;另一方面Cl-并不消耗，而是繼續(xù)重復(fù)起破壞作用。3)Cl-自身濃度差異及所造成的pH值差異，使鋼筋出現(xiàn)更多的濃度腐蝕電池。4)Cl-的存在增加了混凝土的導(dǎo)電性能，從而提高了腐蝕電池的導(dǎo)電率。5)Cl-的存在還能影響水泥的水化過(guò)程，使水泥固化不完全，從而影響混凝土質(zhì)量。

1.4 與混凝土本身有關(guān)的因素

1)混凝土的微觀結(jié)構(gòu)。2)水灰比和滲透率的關(guān)系。3)混凝土裂縫的存在。

1.5 空氣中的氧和水的作用

1)空氣中的氧主要起陰極去極化作用，氧能從陰極上取走電子，從而保證電極過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行，其反應(yīng)過(guò)程如下:

2)空氣中的水起到電解質(zhì)作用，同時(shí)還參與化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)過(guò)程如下:

3)鋼筋的銹蝕或混凝土碳化均會(huì)破壞混凝土的保護(hù)層，保護(hù)層破壞后導(dǎo)致鋼筋與空氣接觸面加大，空氣中的氧和水加速腐蝕鋼筋，且該腐蝕作用具有強(qiáng)烈的擴(kuò)散控制作用。

1.6 鋼筋材質(zhì)的影響

不同類型的鋼筋，其腐蝕敏感性不同，這主要是由于鋼筋的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、熱處理工藝不同，在外界條件下形成微電池的情況及微電池效應(yīng)不同。

1.7 應(yīng)力腐蝕

處在應(yīng)力狀態(tài)的鋼筋很容易引起鋼筋微小裂紋，鋼筋中微小裂紋及薄弱處極容易引起應(yīng)力集中，從而加劇腐蝕發(fā)展。預(yù)應(yīng)力鋼筋更容易腐蝕，而且應(yīng)力腐蝕比一般腐蝕更危險(xiǎn)。

1.8 設(shè)計(jì)方面

設(shè)計(jì)方面主要包括對(duì)橋梁所處環(huán)境考慮不周、結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)不全面或部分漏算、計(jì)算模型不合理、結(jié)構(gòu)受力假設(shè)與實(shí)際受力不符、荷載少算或漏算、內(nèi)力與配筋計(jì)算錯(cuò)誤、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不考慮施工的可能性、設(shè)計(jì)斷面不足、鋼筋設(shè)置偏少或布置錯(cuò)誤、構(gòu)造處理不當(dāng)、設(shè)計(jì)圖紙交代不清等造成橋梁使用過(guò)程中出現(xiàn)裂紋或保護(hù)層不足等而引起鋼筋銹蝕。

1.9 施工方面

無(wú)論是既有橋梁還是新建橋梁許多鋼筋銹蝕問(wèn)題主要來(lái)源于施工方面。如為縮短工期不適當(dāng)使用外加劑，導(dǎo)致混凝土中Cl-嚴(yán)重超標(biāo);為增加混凝土的流動(dòng)性，隨意調(diào)整水灰比，導(dǎo)致水泥水化后混凝土孔隙率增加;另外還包括施工中常見(jiàn)的問(wèn)題:如混凝土攪拌不均，攪拌時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，振搗不充分，配筋混亂，模板移動(dòng)，施工縫處理不當(dāng)?shù)取?/p>

1.10 維修管理

1)維修管理工作者對(duì)橋梁裂紋、裂縫認(rèn)識(shí)程度、重視程度不夠，甚者對(duì)橋梁保護(hù)層脫落鋼筋銹蝕較為嚴(yán)重也未及時(shí)維修。2)維修經(jīng)費(fèi)不足，管理模式不斷變化，管理機(jī)構(gòu)不斷調(diào)整，是橋梁得不到及時(shí)維修的又一重要因素，這些因素造成許多橋梁裂紋、鋼筋銹蝕等病害加劇發(fā)展，橋梁長(zhǎng)期帶病作業(yè)，嚴(yán)重影響橋梁的使用安全和耐久性。

1.11 其他因素

橋梁所處環(huán)境不同，混凝土中鋼筋銹蝕程度也不同，如橋梁處在有強(qiáng)烈電磁場(chǎng)環(huán)境時(shí)，很容易引起鋼筋去極化作用;在潮濕環(huán)境和干燥環(huán)境，在污染環(huán)境和非污染環(huán)境，鋼筋銹蝕程度不同。

2 鋼筋銹蝕危害性

1)大量的試驗(yàn)研究表明，當(dāng)鋼筋銹蝕導(dǎo)致梁體出現(xiàn)縱向裂縫時(shí)，鋼筋截面減小率在0%～10%間;而當(dāng)梁體混凝土保護(hù)層部分剝離時(shí)，截面減小率在5%～10%間;當(dāng)保護(hù)層全部剝離時(shí)，截面減小率在15%～25%間。鋼筋銹蝕，導(dǎo)致鋼筋受力截面積減少，從而使鋼筋的力學(xué)性能下降。2)鋼筋銹蝕削弱了鋼筋與混凝土之間的結(jié)合強(qiáng)度，從而削弱了鋼筋抗拉抗剪強(qiáng)度，導(dǎo)致其不能把鋼筋所受的應(yīng)力有效地傳遞給混凝土。3)鋼筋銹蝕產(chǎn)物引起體積膨脹，膨脹后的體積是其基體體積的2倍～4倍，隨著鋼筋的不斷銹蝕，該產(chǎn)物在混凝土內(nèi)不斷積聚，對(duì)混凝土的擠壓逐漸增大，混凝土保護(hù)層在這種擠壓的作用下發(fā)生開(kāi)裂、變形及剝離。4)鋼筋的銹蝕使鋼筋與混凝土結(jié)合強(qiáng)度逐漸喪失，直接影響著橋梁的使用安全和耐久性。

3 橋梁鋼筋銹蝕的預(yù)防措施

3.1 設(shè)計(jì)方面

設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分考慮環(huán)境及相關(guān)不利因素，充分考慮施工的可能性，加強(qiáng)對(duì)施工圖的審查和復(fù)核，必要時(shí)對(duì)一些特殊工藝、使用材料加以附注說(shuō)明和限制，減少設(shè)計(jì)方面帶來(lái)的不利影響。

3.2 施工方面

1)采用高性能混凝土。高性能混凝土是一種新型高技術(shù)混凝土，具有強(qiáng)烈的抗?jié)B性能，是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎(chǔ)上采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)制作的混凝土。2)采用纖維混凝土。就是在混凝土中摻入纖維的混凝土，其優(yōu)點(diǎn)是纖維的加入大大地減輕了混凝土的塑性裂縫及龜裂，摻入纖維的種類有金屬纖維、無(wú)機(jī)纖維、有機(jī)纖維。3)采用商品混凝土。商品混凝土能嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量和配合比，能保證混凝土的質(zhì)量要求，具有高流動(dòng)性、坍落度損失小、不泌水、不離析、可泵性好等性能。4)普通混凝土可采用如下方法:a.降低水灰比。b.摻外加劑。c.選擇合適的材料。d.減少Cl-(氯離子)進(jìn)入。e.保護(hù)層的厚度。f.加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)。

3.3 維修管理

1)正確認(rèn)識(shí)裂縫?；炷两Y(jié)構(gòu)的裂縫是不可避免的，細(xì)微裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)使用影響不大，但其超過(guò)一定限值就應(yīng)及時(shí)采取措施，《鐵路橋隧建筑物大維修規(guī)則》規(guī)定預(yù)應(yīng)力混凝土梁下緣豎向及腹板主拉應(yīng)力方向不允許有裂縫存在，梁體縱向及斜向裂縫不大于0.2 mm，橫隔板裂縫不大于0.3 mm;普通鋼筋混凝土梁及框架主筋附近豎向裂縫不大于0.25 mm，腹板豎向及斜向裂縫不大于0.3 mm;裂縫超過(guò)以上限值，就應(yīng)高度重視，及時(shí)采取加固或修補(bǔ)措施。2)加強(qiáng)鋼筋混凝土狀態(tài)的檢測(cè)。檢測(cè)內(nèi)容主要包括混凝土保護(hù)層、電阻率、含水量、碳化深度以及鋼筋銹蝕電位和截面損失的檢測(cè)，應(yīng)通過(guò)多種檢測(cè)方法來(lái)對(duì)橋梁的綜合狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，以便及時(shí)采取加固措施。3)加強(qiáng)日常檢查和維護(hù)。主要包括橋面排水系統(tǒng)，梁體混凝土裂紋、剝離、滲漏，鋼筋銹蝕等的檢查和維護(hù)，確保橋梁梁體各項(xiàng)參數(shù)正常。

4 結(jié)語(yǔ)

預(yù)防和延緩混凝土中鋼筋銹蝕問(wèn)題是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，涉及設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、維護(hù)管理等單位，在各個(gè)環(huán)節(jié)均應(yīng)加強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)和組織管理、落實(shí)責(zé)任，做到層層把關(guān)，嚴(yán)格按照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理和維護(hù)管理，是預(yù)防和延緩鋼筋銹蝕的重要手段，同時(shí)也是保證結(jié)構(gòu)使用安全和耐久性的前提和基礎(chǔ)。

[1] 張勁泉，王文濤.橋梁檢測(cè)與加固手冊(cè)[M].北京:人民交通出版社，2007.

[3] 李學(xué)安.混凝土中鋼筋銹蝕的原因及危害和預(yù)防措施[J/OL].中國(guó)混凝土網(wǎng)，2009-03-25.

[4] 滿傳軍.鋼筋銹蝕對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響[J].山西建筑，2008，34(27):103-104.