混凝土中鋼筋的銹蝕與防護(hù)*

汪旭東

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司隧道工程公司，陜西商洛726001)

混凝土中鋼筋的銹蝕與防護(hù)*

汪旭東

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司隧道工程公司，陜西商洛726001)

本文對混凝土中鋼筋的銹蝕機(jī)理進(jìn)行了分析，并針對性地提出了各種預(yù)防措施。

混凝土;鋼筋;銹蝕;防護(hù)

鋼筋混凝土材料是當(dāng)今用量最大、最主要的建筑工程材料，也是當(dāng)今各種建筑材料中耐久性較好的一種材料。隨著工業(yè)和建筑業(yè)的迅速發(fā)展，鋼筋混凝土建造的建筑工程和設(shè)施越來越多。但是，由于建筑物所處環(huán)境介質(zhì)的腐蝕以及設(shè)計、施工和使用等諸多因素的影響，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物都程度不同地遭受各種侵蝕介質(zhì)的腐蝕損壞。直接影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，混凝土強(qiáng)度及其與鋼筋粘結(jié)強(qiáng)度等基本性能降低，給國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和安全生產(chǎn)造成重大的損失。因此，分析混凝土中鋼筋的銹蝕原因并找到阻止其銹蝕的原因就顯得尤為重要。

一、混凝土中鋼筋的銹蝕機(jī)理

(一)鋼筋的鈍化

拌制常態(tài)混凝土的硅酸鹽水泥含有大量的硅酸鈣，水化時會生成大量氫氧化鈣晶體(約占15%～30%)沉積于水泥石中，所以混凝土孔隙液總是氫氧化鈣的飽和溶液，加上水泥中所含可溶性堿(K2O、Na2O)，使孔隙的pH值高達(dá)12.5～13.5。鋼在這種高堿性溶液中由于初始的電化學(xué)腐蝕作用，會迅速形成一層非常致密的厚約2×10－8m的Fe3O4/γ－Fe2O3(尖晶石子固溶體)的膜。這層膜牢牢地吸附于鋼表面上，使它難以繼續(xù)進(jìn)行陽極反應(yīng)。從電化學(xué)動力學(xué)上看，就是由活態(tài)變?yōu)殁g態(tài)，這層膜被稱為鈍化膜。在工程中實(shí)際采用的鋼筋，往往帶有高溫氧化皮和鐵銹。它們在水泥水化后數(shù)小時內(nèi)都會被破壞，所以這種鋼筋在混凝土中也能迅速鈍化。使鋼筋的銹蝕率陡然降低，實(shí)際上，鋼筋的銹蝕為陽極鈍化這一種電化學(xué)反應(yīng)所制止。如果可以長期保護(hù)混凝土所固有的這種致鈍性，鋼筋就可以永遠(yuǎn)處于鈍化狀態(tài)，不會銹蝕。因此，經(jīng)濟(jì)長效地保持混凝土所固有的這種致鈍特性，就是解決混凝土中鋼筋銹蝕問題、保持鋼筋混凝土耐久性的一條最根本的途徑。

(二)去鈍化

鋼筋鈍化膜的破壞稱為去鈍化，是混凝土中鋼筋銹蝕的先決條件。如前所述，具有鈍化膜的鋼筋，即使它周圍混凝土具有適當(dāng)濕度，具備水與氧，混凝土電阻率也不高，鋼筋也是不會銹蝕的。鋼筋鈍化膜一旦破壞，如果混凝土具有適當(dāng)濕度，即對鋼筋陰極反應(yīng)所需的水與氧供應(yīng)均無困難，混凝土中鋼筋就會開始銹蝕。

二氧化碳和氯離子是破壞混凝土中鋼筋鈍化膜的兩個最常見的環(huán)境介質(zhì)。因此，混凝土中鋼筋去鈍化機(jī)理有下列兩種:

(1)混凝土的碳化

二氧化碳溶于水，呈弱酸性，空氣中的二氧化碳?xì)怏w不斷地沿著不飽和水的混凝土連通毛細(xì)孔滲入混凝土中，與混凝土孔隙液中的氫氧化鈣進(jìn)行中和反應(yīng)，生成低堿性的碳酸鈣，這稱為碳化，它使混凝土孔隙液的pH值降到10以下，而鋼的鈍化膜在高堿性介質(zhì)中才穩(wěn)定，而在pH值降到小于11．5時，就不穩(wěn)定;pH值降至10以下時，就完全失鈍。所以當(dāng)混凝土碳化深度達(dá)到鋼筋表面時，鋼筋鈍化膜就會破壞。凡是能與氫氧化鈣進(jìn)行中和反應(yīng)的一切酸性氣體，如工業(yè)大氣中所含的二氧化硫、三氧化硫、硫化氫以及氣相氯化氫等都能降低混凝土堿度，使鋼筋失去鈍化。

(2)混凝土的鹽污染

在常見的污染物中，氯化物(氯鹽，以下簡稱鹽)為最能促使混凝土中鋼筋去鈍化的物質(zhì)。鹽污染混凝土有兩種途徑:一種是由混凝土原材料帶入混凝土拌合物中的，如海產(chǎn)骨料、拌合用鹽水、含鹽的早強(qiáng)劑、減水劑等;另一種是混凝土硬化后，滲入混凝土的含鹽環(huán)境介質(zhì)，如海水、海霧和浪花以及冷天為防止高速公路路面冰凍而撒布的化冰鹽。氯離子只能在水中傳輸，它在混凝土中的傳輸方式有兩種。一是在不流動的水柱，由于氯離子濃度差一起的單純的離子擴(kuò)散;二是在干燥材料的毛細(xì)孔中，含氯鹽的水被毛細(xì)管吸收。至于溫度影響，因?yàn)樵诓桓哂?0℃的氣溫下氯離子活度、氯離子擴(kuò)散率氧的擴(kuò)散率以及水分蒸發(fā)速度均隨溫度升高而增大，而氧在水中的溶解度隨溫度升高降低不多，pH值也降低不多，所以混凝土中鋼的銹蝕速度與溫度成正比。

二、鋼筋銹蝕的預(yù)防措施

(一)設(shè)計方面

結(jié)構(gòu)選型和細(xì)部設(shè)計時，應(yīng)盡量限制在混凝土面上、接縫和密封處排水、積水;應(yīng)盡量減少潮濕和濺濕的表面積。在棱角或凸處，侵蝕介質(zhì)可同時從多個方面滲入混凝土;而凹處，承載構(gòu)件應(yīng)力異常，容易開裂，凹凸處均加劇其中鋼筋的銹蝕，所以構(gòu)件形狀應(yīng)力戒單薄、復(fù)雜、帶棱角，特別是要使這種部位避開頻繁的干濕交替的浪濺區(qū)域。鋼筋銹蝕引起的混凝土順筋裂縫，一旦形成，也是不可控制的，應(yīng)以保證鋼筋長期不銹蝕的有效措施事先預(yù)防。

(二)混凝土保護(hù)層的質(zhì)量與厚度

有鹽污染環(huán)境中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，免遭鋼筋銹蝕破壞的基本預(yù)防措施是最大限度的降低混凝土保護(hù)層的滲透性，并具有適當(dāng)?shù)暮穸?。雖然，慣用硅酸鹽水泥常態(tài)混凝土并不是完全不滲透的，但是只要采用優(yōu)質(zhì)材料、盡量低的水灰比，則可以制備滲透性很低的混凝土。為保證混凝土拌合物具有必要的工作性，常態(tài)混凝土拌合水量遠(yuǎn)大于水泥充分水化所需的結(jié)合水量。多余水分在混凝土中形成連通毛細(xì)孔，成為氯離子、二氧化碳、氧氣和水滲入混凝土的主要通道，因此，水灰比愈大，混凝土中毛細(xì)孔也愈多，混凝土滲透性愈大，對鋼筋的保護(hù)作用就愈差。

(三)水泥品種、摻合料與外加劑

摻礦渣、粉煤灰或天然火山灰等礦物質(zhì)摻合料以代替部分硅酸鹽水泥或采用摻混合料的硅酸鹽水泥，由于它們與水泥的水化產(chǎn)物氫氧化鈣反應(yīng)產(chǎn)生凝膠體的過程比水泥水化反應(yīng)慢。火山灰反應(yīng)生成的水化硅酸鈣凝膠體，后期可以封堵混凝土中毛細(xì)孔，從而顯著改善骨料與水泥漿體界面區(qū)顯微組織，減少微裂縫，可以結(jié)合更多氯離子，甚至還可以組織二氧化碳侵入，從而降低混凝土的碳化速度，提高混凝土對鋼筋的保護(hù)能力。

(四)靜電噴涂粉末環(huán)氧樹脂鋼筋

鍍鋅鋼筋，由于鋅比鋼更活潑，具有較負(fù)的腐蝕電位，當(dāng)鋅層局部損傷時，可以其自身的腐蝕，為鋼筋基材提高陰極保護(hù)作用。靜電噴涂粉末環(huán)氧樹脂鋼筋，它是在工廠流水線上，嚴(yán)格控制各種工序工藝條件下涂覆的。由于除銹徹底、環(huán)氧樹脂涂覆均勻，熱熔固化充分、均勻、迅速;并連續(xù)通過高壓電的針孔檢測和及時修補(bǔ)，所以可使鋼筋與環(huán)境侵蝕介質(zhì)氯離子、水、氧氣等完全隔離，無論混凝土已碳化或是已被鹽嚴(yán)重污染，它均具有極高的耐腐蝕性能。

(五)混凝土拌合物中摻阻銹劑

鋼筋阻銹劑是摻加于混凝土拌合物中，通過單分子層的化學(xué)反應(yīng)阻止鋼筋表面陽極或陰極過程的一種外加劑。它主要用于預(yù)防鹽污染混凝土引起的鋼筋銹蝕，阻銹劑使用方便，不必專門維護(hù)，可均布于整個混凝土中，不僅集中于混凝土保護(hù)層這一關(guān)鍵部位，且費(fèi)用低廉，是一種經(jīng)濟(jì)有效的防護(hù)措施。

(六)混凝土表面涂覆

從鋼筋的銹蝕機(jī)理可知，混凝土碳化和氯離子滲透是導(dǎo)致鋼筋鈍化膜破壞的主要因素。鈍化膜破壞后，由于氧的繼續(xù)滲入，在水分子存在的條件下鋼筋產(chǎn)生了電化學(xué)銹蝕。因此，在混凝土表面涂覆各種保護(hù)層，使混凝土與二氧化碳、氯離子、氧氣和水隔離，是防止鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕的一種常用的、有效措施。根據(jù)電化學(xué)腐蝕機(jī)理，鋼筋混凝土表面必須全面涂覆，如果僅局部涂覆，由于宏觀腐蝕電池的作用，鋼筋仍可能產(chǎn)生腐蝕?；炷撂蓟?，是空氣中的二氧化碳沿混凝土毛細(xì)孔擴(kuò)散，與孔隙中氫氧化鈣反應(yīng)生成碳酸鈣，使混凝土失去堿性保護(hù)作用。氯離子在混凝土中則是一種液相擴(kuò)散，由于混凝土孔隙液聚集了超過限值的游離氯離子時，氯離子會滲進(jìn)并破壞鈍化膜，導(dǎo)致鋼筋銹蝕。因此，用混凝土表面涂覆法來防止鋼筋銹蝕時，所選用的涂覆材料和涂覆工藝，必須能防止氣體和水的滲透，具有很好的氣密性和水密性，并能牢固地與混凝土表面節(jié)后，長期發(fā)揮作用。

三、結(jié)語

雖然鋼筋銹蝕會給混凝土建筑物帶來嚴(yán)重的危害，但在實(shí)際施工中，只要加強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)，嚴(yán)格管理，精心施工，并根據(jù)環(huán)境的特點(diǎn)和材料的性質(zhì)，采取相應(yīng)的措施，是完全能夠防止和推遲混凝土中鋼筋的銹蝕，從而提高混凝土的使用性和耐久性。

［1］葛燕，等．混凝土中鋼筋的腐蝕與陰極保護(hù)［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007．

［2］［瑞士］漢斯·博尼．鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕［M］．蔣正武，龍廣成，孫振平譯．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009．

2011－04－11

汪旭東(1977－)，男，湖北武漢人，工程師。