混凝土中鋼筋腐蝕原理及防護

歐宇林（成都大西南鐵路監(jiān)理公司，四川 成都 610081）

1 引言

混凝土的耐久性已經是當前世界的重大問題，而鋼筋腐蝕則是鋼筋混凝土結構破壞的主要原因。到本世紀末，美國預計要花4000億美元用于修復和重建鋼筋腐蝕破壞的工程，而在我國的工程實踐中，京秦線、袞石線、川黔線等，鋼筋腐蝕已經給鐵路造成了相當大的經濟損失。譬如京九鐵路唐莊特大橋則因為加冰保溫車的鹽水滲入道碴槽造成1800 孔梁被氯鹽腐蝕，而不得不更換106 孔梁并加固部分橋墩。

鋼筋銹蝕給建設工程質量和安全帶來的巨大威脅迫使建筑界從根源上反思，在以往的工程建設中，只關心前期施工，不注重后期養(yǎng)護，抱著“壞了再修”的想法而不愿為建筑物結構的 “全壽命”負責。針對這種落后的工程觀念，美國《聯(lián)邦基礎設施投資原則》（第12893 政府令）明確要求，投資成本要細化、量化、合理化，工程項目的投資成本包含整個使用壽命的一切費用。 因此美國政府出臺了“全壽命經濟分析法”(LCCA)。[1]采取措施防止鋼筋腐蝕早已經不是單純的技術問題，它直接促進了投資管理和工程設計理念的全面革新。

2 鋼筋銹蝕機理

2.1 鋼筋的電化學腐蝕

混凝土中鋼筋銹蝕的本質是電化學腐蝕。眾所周知，在金屬表面進行任何一種化學腐蝕過程都必須具備4個條件：

(1)金屬表面各處之間有電位差；

(2)組成原電池的電解質溶液的電阻較小；

(3)在陽極區(qū)金屬表面處于活化狀態(tài)，能發(fā)生電離的陽極反應；

(4) 在陽極區(qū)金屬表面上的電解質具有足夠數(shù)量的氧化劑（通常是水和氧），能夠進行還原陰極反應。

國內外研究與實踐均表明，混凝土的高堿度對于保護鋼筋和保持結構物的耐久性都是極端重要的。 研究表明，當pH<9.88 時，鋼筋表面的氧化物是不穩(wěn)定的，即對鋼筋沒有保護作用；而當pH=9.88～11.5 時，鋼筋表面的氧化膜不完整，即不能完全保護鋼筋免受腐蝕；只有當pH>11.5 時，鋼筋才能完全處于鈍化狀態(tài)[2]。

2.2 混凝土的中性化（碳化過程）

混凝土的碳化是指大氣中的CO2與混凝土中的Ca (OH)2起化學反應，生成中性的碳酸鹽Ca-CO3，反應方程式如下：

其中式(1)是CO2氣體的直接中和作用，式(2)是CO2溶解于水中，然后起中和作用。

混凝土是將水泥、沙石和水混合攪拌，并經過一定時間凝固而形成的一種多微孔材料。在微小的孔洞中，混凝土孔溶液的pH 值可高達13 左右，它的高堿度能夠使鋼筋及其它預埋件的表面形成一層鈍化膜，從而起到一定的耐腐蝕作用。 但是混凝土的自然碳化會逐漸降低該溶液的堿度，使得鈍化膜破壞而在陽極區(qū)生成疏松的鐵氧化物。該氧化物體積可增大2.5 至7 倍，這也是混凝土沿筋破裂的重要原因。 所以曾有正常條件下可以使用50年以上的鋼筋混凝土結構，在腐蝕介質中僅能使用15年就會嚴重破壞。

一般情況下，CO2濃度越大，碳化速度越快，但空氣濕度同碳化速度卻沒有絕對的線性關系。試驗證明，當空氣濕度在50%以下，由于不能提供陰極反應所必須的H2O，濕度跟碳化速度是正相關關系；當空氣濕度大于90%，反而在混凝土表面和內部孔洞形成致密的保護水膜，阻礙了CO2和O2的進入，抑制了碳化反應；濕度在50%～80%時，最利于混凝土的中性化。

2.3 鋼筋的Cl-腐蝕

當孔溶液pH 值下降到一定程度，混凝土中的氯化鋁酸鹽會釋放出Cl-，Cl-濃度增加到0.2%時，將和鋁酸三鈣(3CaO.Al2O3)反應，生成比反應物體大幾倍的固相化合物，其應力足夠將混凝土保護層脹裂。 混凝土保護層一旦開裂，鋼筋銹蝕速度會大大加快，這是因為鋼筋銹蝕引起的銹脹裂縫首先開始于鋼筋表面，然后才發(fā)展到混凝土表面。 當混凝土表面出現(xiàn)裂縫，裂縫深度到達鋼筋表面，大氣環(huán)境中氧氣、水及腐蝕介質就會通過裂縫傳遞到鋼筋表面，加劇鋼筋的腐蝕，混凝土保護層的作用將會嚴重減弱，這就是我們通常說的混凝土順筋破壞。

即使混凝土碳化鋒面未到鋼筋表面或碳化反應一般，但來自于海水、海砂、防冰鹽、外加劑中的大量Cl-穿過保護層疏松的孔洞，穿透鈍化膜后比OH-,O2-等陰離子優(yōu)先吸附到Fe2+，生成易溶的FeCl2·4H2O(綠銹)，綠銹隨即分解后生成的H+與鈍化膜周圍的OH-發(fā)生中和反應，造成鈍化膜局部酸化，孔溶液pH 值降低，而在鋼筋表面隨機出現(xiàn)大大小小的銹蝕點。 化學反應式如下：

Cl-本身對鋼筋和混凝土并無腐蝕作用，在上述反應中只起催化作用。因此一旦沒有外界因素中斷該反應，點蝕長期發(fā)展下去則會引起雙重的循環(huán)反應，鋼筋有效截面減小，體積明顯膨脹，混凝土表面會因此發(fā)生鼓脹、開裂和剝落，致使混凝土結構順筋破壞。

3 鋼筋腐蝕的抑制

基于鋼筋腐蝕對混凝土結構的巨大破壞，在工程設計階段就必須全盤考慮混凝土結構物在施工、養(yǎng)護、使用過程中可能接觸的有害環(huán)境和介質。

3.1 采用高性能混凝土

鋼筋混凝土腐蝕的內因是鋼筋的不均勻性、混凝土本身的多孔性和脆性，又存在干縮裂紋；腐蝕的外因是介質的逐漸侵入，改變了鋼筋環(huán)境。 這種侵入是一個長期過程。針對腐蝕的內因首先要改變對混凝土裂紋的認識，著眼于提高混凝土的致密性和耐久性，因此我國在當前的鐵路客專建設中大力推行高性能混凝土，并保證合適的鋼筋保護層厚度。

3.2 采用更抗腐蝕的鋼筋

可以從鋼筋本身采取附加防護措施，在混凝土內部限制、抵消有害離子的破壞作用。 經過多年的建筑實踐，環(huán)氧涂層鋼筋得到了工程界的高度評價，大量使用在重要工程或重要結構中。

環(huán)氧涂層同鋼筋本體粘接良好，不會降低鋼筋與混凝土的握裹力；環(huán)氧樹脂粉末涂層還具備以下性能：能長期經受混凝土的高堿性環(huán)境，耐化學侵蝕，及膜層的不滲透性，因此能阻止水、氧、氯鹽等腐蝕介質與鋼筋接觸，同時保證了良好的彈性和摩擦性能。雖然此類鋼筋有很多優(yōu)點并且在國內外工程界大量使用，但是對加工、運輸、使用、養(yǎng)護等環(huán)節(jié)提出了更高的要求。若出現(xiàn)破損，開裂，局部銹蝕比未涂鋼筋還快，因此使用中應給予充分注意。

優(yōu)化鋼筋結構的設計，避免使用環(huán)境干濕循環(huán)，混凝土表面進行潮濕養(yǎng)護，盡量減少裂紋，都可以減輕鋼筋的腐蝕程度。

3.3 陰極保護法（CP）[3]

CP 方法有兩種，犧牲陽極CP 和外加電流CP，其中使用最多的是犧牲陽極法。

犧牲陽極CP 被認為是一種被動方法，犧牲陽極CP 是基于兩種金屬具有不同的腐蝕電位的原理。 鋼筋CP 中使用的犧牲陽極是鋅或鋁塊。 犧牲陽極CP的優(yōu)點是無需外部電源，然而它本身會溶解和消耗，所以主要應用于已建成混凝土結構的修復及地下管道工程、船舶工程。

4 事后修復

盡管從設計階段、施工階段、養(yǎng)護階段都可以采取各種措施抑制鋼筋的銹蝕，但在建筑工程中，鋼筋腐蝕是不可避免的。一旦發(fā)現(xiàn)混凝土腐蝕或破壞的跡象，就要及時對混凝土的破壞原因、破壞程度進行分析和評估，盡快拿出修復方案并實施，減輕國家和人民生命財產的損失，杜絕安全事故的發(fā)生。

混凝土修復的最佳時期應當在表面沒有破損之前的鋼筋腐蝕初期階段進行，此時鋼筋表面已經處于活化狀態(tài)，可用滲透型涂層進行簡單處理。 但關鍵的是此階段難于及時鑒定，往往是混凝土保護層鼓脹、開裂、脫落后才能發(fā)現(xiàn)，給修復工作帶來一定的難度。

5 展望

目前國內外對鋼筋的電化學腐蝕機理認識很明確，但是在工程實踐中仍然存在在橋面上輕率使用防冰鹽的行為。建設投資和工程設計中沒有徹底踐行“全壽命經濟分析法”理念，距離“百年工程”的目標尚有一定差距。當前都是等混凝土保護層破壞后才能發(fā)現(xiàn)鋼筋已經充分腐蝕，發(fā)展能在腐蝕介質未到“臨界點”的無損檢測和修復方法，將會成為工程界新的研究熱點。

[1]陳樹深.鋼筋混凝土腐蝕修復技術研究[J].腐蝕與防護,2005,26(1),39～41.

[2]韓清春.鋼筋腐蝕與混凝土的耐久性[J].山西建筑,2009,35(19),82～83.

[3]孟繁強,陳向上,劉斌,薛致遠,孟慶海.用陰極保護防止混凝土結構的鋼筋腐蝕[J].腐蝕與防護，2003,24(7)，297～299.