鋼筋銹蝕對混凝土結(jié)構(gòu)的危害及其預(yù)防措施

雍玉鯉 王 欣(揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

鋼筋銹蝕對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性影響極大。目前，鋼筋銹蝕引起混凝土結(jié)構(gòu)的過早破壞已成為世界各國普遍關(guān)注的一大災(zāi)害[1]。據(jù)有關(guān)資料介紹，美國腐蝕損失的40%與混凝土中鋼筋的銹蝕有關(guān)。我國以基礎(chǔ)設(shè)施為主的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的銹蝕也已經(jīng)造成很大的危害，并潛存著很大的結(jié)構(gòu)安全威脅。我國的海港碼頭、濱海設(shè)施、水工、橋梁等都有很多鋼筋銹蝕破壞的事例，許多工程達(dá)不到設(shè)計(jì)壽命的要求，大量的修復(fù)工程已經(jīng)或正在進(jìn)行[2]。因而，采取適當(dāng)措施預(yù)防鋼筋混凝土中鋼筋的銹蝕，具有十分重大的經(jīng)濟(jì)意義，在某些情況下甚至關(guān)系到人民的生命安全。

1 鋼筋銹蝕的機(jī)理

正常情況下，在正常混凝土中pH值約為12，這時(shí)鋼材表面能形成堿性氧化膜(鈍化膜)，對鋼筋起保護(hù)作用，若混凝土碳化后，由于堿性降低(中性化)會失去對鋼筋的保護(hù)作用。此外，混凝土中氯離子達(dá)到一定濃度也會嚴(yán)重破壞鋼筋表面的鈍化膜。

對于鋼筋混凝土，在一般環(huán)境條件下，鋼筋的銹蝕通常由兩種作用引起：一種是混凝土碳化作用，一種是氯離子的侵蝕[3]。二氧化碳和氯離子對混凝土本身都沒有嚴(yán)重的破壞作用，但是這兩種環(huán)境物質(zhì)都是混凝土中鋼筋鈍化膜破壞的最重要又最常遇到的環(huán)境介質(zhì)：混凝土碳化使混凝土孔隙溶液中的Ca(0H)2含量逐漸減少，pH值逐漸下降，鈍化膜逐漸變得不再穩(wěn)定以至于完全被破壞，使鋼筋處于脫鈍狀態(tài)；周圍環(huán)境中的氯離子從混凝土表面逐漸滲入到混凝土內(nèi)部，到達(dá)鋼筋表面的混凝土孔溶液中的游離氯離子濃度超過一定值(臨界濃度)時(shí)，即使混凝土堿度再高，pH值大于l1.5時(shí)，Cl-也能破壞鈍化膜，從而使鋼筋發(fā)生銹蝕。氯鹽引起鋼筋銹蝕的發(fā)展速度很快，遠(yuǎn)比碳化銹蝕嚴(yán)重，這種情況常發(fā)生在近?；蚝Ｑ蟓h(huán)境以及冬季經(jīng)常使用除冰鹽的環(huán)境。

2 影響鋼筋銹蝕的因素

在混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋受到周圍混凝土的保護(hù)，一般并不被腐蝕，只有在一定條件下才產(chǎn)生銹蝕。影響鋼筋銹蝕的因素很多，包括鋼筋位置、鋼筋直徑、水泥品種、混凝土的密實(shí)度、保護(hù)層厚度及完好性、外部環(huán)境等。

1）混凝土液相pH值及碳化程度。鋼筋銹蝕速度與混凝土液相pH值有密切關(guān)系，pH值大于10時(shí)，鋼筋銹蝕速度很小；pH值小于4時(shí)，鋼筋銹蝕速度急劇增加?；炷恋奶蓟档土嘶炷恋膲A度，造成pH值降低，給鋼筋脫鈍提供了可能。鋼筋的失重率與混凝土的碳化深度差不多呈線性關(guān)系，由此混凝土的碳化程度對鋼筋銹蝕有重大影響。

2）混凝土中Cl-的含量?；炷林蠧l-的含量對鋼筋銹蝕影響極大，氯鹽的摻量應(yīng)少于水泥重量的l%。氯化物是一種很危險(xiǎn)的侵蝕介質(zhì)，但是在我國北方地區(qū)，為保證冬季交通暢行，向道路、橋梁及城市立交橋等撤除冰鹽，大量使用的氯化鈉和氯化鈣，使得氯離子滲入混凝土，引起鋼筋銹蝕破壞。

3）混凝土的密實(shí)度和保護(hù)層厚度。混凝土能阻止外界腐蝕介質(zhì)、氧氣和水分等的滲入，混凝土密實(shí)度越高，保護(hù)層越厚，外界有害物質(zhì)就越難滲入，鋼筋銹蝕就不容易發(fā)生。這三個(gè)方面都與侵蝕性介質(zhì)的侵蝕速度有關(guān)，保護(hù)層厚度對鋼筋銹蝕的影響呈線性關(guān)系，因此世界各國規(guī)范對保護(hù)層厚度都作了規(guī)定。在我國新修訂的《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》對鋼筋的最小保護(hù)層厚度規(guī)定中，隨著使用環(huán)境條件的劣化，混凝土保護(hù)層厚度也在增加。混凝土的密實(shí)度影響著混凝土的滲透性，滲透性高的混凝土更容易發(fā)生銹蝕。

4）環(huán)境條件。環(huán)境對鋼筋銹蝕的影響主要有以下幾個(gè)方面：溫度、濕度、二氧化碳的濃度、氧氣的濃度以及侵蝕性介質(zhì)的濃度。

5）其他因素。除上述因素外，鋼筋應(yīng)力狀態(tài)對其銹蝕也有很大影響，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)。

3 鋼筋銹蝕對混凝土結(jié)構(gòu)的危害

鋼筋銹蝕后會對混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全與耐久性產(chǎn)生一定的危害，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）鋼筋名義屈服強(qiáng)度下降。衡量鋼筋強(qiáng)度的指標(biāo)有兩個(gè)，分別是名義屈服強(qiáng)度和實(shí)際屈服強(qiáng)度，名義屈服強(qiáng)度是指屈服荷載與鋼筋未銹蝕的面積之比。而實(shí)際強(qiáng)度是指鋼筋在屈服時(shí)鋼筋所受到的拉力與實(shí)際面積的比值。所以，從概念上可以看出，實(shí)際屈服強(qiáng)度比名義屈服強(qiáng)度更能反應(yīng)銹蝕鋼筋強(qiáng)度的真實(shí)情況。但是，實(shí)際情況的鋼筋面積是很難測定的，所以，對于銹蝕的鋼筋而言，用名義屈服強(qiáng)度來衡量鋼筋的力學(xué)性能是比較方便的。

造成鋼筋名義強(qiáng)度降低的原因有二，一是鋼筋的截面減小，這樣，截面減小后在相同受力的情況下承載力就會降低；二是鋼筋表面具有凹凸不平的銹坑，使得鋼筋在受力過程中會產(chǎn)生應(yīng)力集中。鋼筋的名義強(qiáng)度降低自然會影響到整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

2）混凝土構(gòu)件截面的損傷。鋼筋在銹蝕后，會對周圍的混凝土產(chǎn)生膨脹，如果膨脹量達(dá)到一定程度，達(dá)到混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，會造成混凝土沿鋼筋方向開裂，嚴(yán)重時(shí)可能會造成保護(hù)層的脫落，使混凝土截面受損。混凝土截面受損后，構(gòu)件的受壓區(qū)就會減小，對受彎構(gòu)件而言，彎矩的力臂減小，鋼筋和混凝土所要承擔(dān)的力就會變大，會降低結(jié)構(gòu)安全的可靠度。

3）鋼筋與混凝土之間握裹力下降。鋼筋銹蝕膨脹后，會造成混凝土沿著鋼筋產(chǎn)生裂縫，裂縫的產(chǎn)生勢必會造成混凝土對鋼筋握裹力的下降，握裹力下降造成的連帶影響使鋼筋與混凝土應(yīng)變將不再協(xié)調(diào)，即同一位置的鋼筋和混凝土的應(yīng)變大小將不再一致（通常鋼筋的應(yīng)變將小于混凝土的應(yīng)變），造成鋼筋的強(qiáng)度不能得到充分發(fā)揮，對混凝土結(jié)構(gòu)安全造成不利影響。

4 鋼筋銹蝕的預(yù)防措施

為避免混凝土中鋼筋銹蝕問題的發(fā)生，確保建筑工程的質(zhì)量和使用性能，需采取一定的預(yù)防措施：

1）設(shè)計(jì)方面

結(jié)構(gòu)選型和細(xì)部設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量限制在混凝土面上、接縫和密封處排水和積水；應(yīng)盡量減少潮濕和濺濕的表面積。在棱角或凸出處和凹處應(yīng)注意。因此，構(gòu)件形狀應(yīng)力求避免單薄、復(fù)雜、帶棱角等，特別是要使這種部位避開頻繁的干濕交替的浪濺區(qū)域。

2）混凝土保護(hù)層的質(zhì)量和厚度

對于有鹽污染環(huán)境中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，免遭銹蝕破壞的基本預(yù)防措施是最大限度降低混凝土保護(hù)層的滲透性，并具有適當(dāng)?shù)暮穸?。一般只要采用?yōu)質(zhì)材料，盡量低的水灰比，可以制備滲透性很低的混凝土。

3）混凝土中拌和物中摻阻蝕劑

鋼筋阻蝕劑摻加于混凝土拌和物中，可均布于整個(gè)土體中，預(yù)防鹽污染混凝土引起的鋼筋銹蝕，且費(fèi)用低廉，效果明顯。

4）水泥摻和料與外加劑

摻礦渣、煤粉灰或天然火山灰等礦物質(zhì)摻和料以替代部分硅酸鹽水泥或采用摻混和材的硅酸鹽水泥，可以結(jié)合更多的Cl-，阻止二氧化碳侵入，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。

5）靜電噴涂粉末環(huán)氧樹脂鋼筋

環(huán)氧樹脂可使鋼筋與環(huán)境侵蝕介質(zhì)完全隔離，大大提高抗銹蝕能力。

6）提高設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量

在工程建設(shè)中切實(shí)抓好設(shè)計(jì)、施工的質(zhì)量，確保建筑工程達(dá)到國家規(guī)定的質(zhì)量要求；切實(shí)控制好建筑工程的使用條件，避免因使用不當(dāng)而造成混凝土開裂；遠(yuǎn)離污染源，杜絕建筑工程直接受到有害氣體或化學(xué)物質(zhì)的污染和侵蝕；做好建筑工程的保護(hù)工作，使混凝土的保護(hù)層和建筑工程的內(nèi)外墻的粉刷面保持完好，避免混凝土受到有害環(huán)境物質(zhì)的污染和侵蝕。

5 結(jié) 語

混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的銹蝕是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要影響因素，也是目前混凝土耐久性課題中的一個(gè)難點(diǎn)。本文主要論述了鋼筋銹蝕的產(chǎn)生機(jī)理、影響銹蝕的因素和鋼筋銹蝕給混凝土結(jié)構(gòu)帶來的危害，最后提出了幾條具有實(shí)際指導(dǎo)意義的鋼筋銹蝕預(yù)防措施。值得一提的是，預(yù)防鋼筋混凝土中鋼筋銹蝕的措施很多，每種方法都有自身的優(yōu)勢與不足。關(guān)鍵是要針對混凝土所處的環(huán)境條件和可能預(yù)測到的銹蝕源，有的放矢地采取預(yù)防措施。有時(shí)候，將幾種方法綜合使用可能會取得最好的防銹效果，從而大大提高混凝土結(jié)構(gòu)的安全可靠度與耐久性。

[1]牛荻濤.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性與壽命預(yù)測[M].北京:科學(xué)出版社，2003.

[2]孟凡斌.混凝土中鋼筋的銹蝕和預(yù)防[J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，10(2):74～77.

[3]金偉良，趙羽習(xí).混凝土結(jié)構(gòu)耐久性[M].北京:科學(xué)出版社，2002.