淺析鋼筋混凝土的腐蝕

陶俊凱　石俊峰

摘 要 鋼筋混凝土作為一種結(jié)構(gòu)材料，廣泛地應(yīng)用在橋梁、建筑物、高架橋、堤壩、海底隧道和大型海洋平臺等結(jié)構(gòu)中。實際情況表明，鋼筋混凝土的腐蝕情況越來越嚴重，研究鋼筋混凝土的腐蝕顯得尤為重要。本文論述了鋼筋混凝土腐蝕的基本過程及其影響因素。

關(guān)鍵詞 鋼筋混凝土 腐蝕過程 影響因素

中圖分類號：TU528 文獻標識碼：A

0引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有材料來源容易、價格低廉、堅固耐用等特點，它已成為現(xiàn)代生活中最普遍的建筑結(jié)構(gòu)。鋼筋混凝土是以硅酸鹽水泥的水化物作為粘結(jié)劑，并結(jié)合一定級配的骨粒如碎石和鋼筋而制成的一種復合材料。通常條件下，鋼筋在混凝土的高堿性環(huán)境中呈現(xiàn)鈍態(tài)而不受腐蝕，但是隨著建筑物老化和環(huán)境污染的加重，目前鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕已成為一個世界性的嚴重問題。因此，鋼筋混凝土腐蝕破壞問題已引起國內(nèi)外的重視，目前正積極開展這方面的工程調(diào)查及科學研究工作。

1鋼筋混凝土的腐蝕過程

鋼筋混凝土的腐蝕過程大致可分為兩類：一類是由于混凝土受到腐蝕性介質(zhì)的作用，混凝土被腐蝕，失去了對鋼筋正常保護，在腐蝕性介質(zhì)的作用下遭受腐蝕直至喪失承載能力；另一類是混凝土雖未遭受明顯的腐蝕，但由于混凝土保護層的中性化或其它原因使混凝土中的鋼筋遭受腐蝕，而鋼筋表面的銹蝕產(chǎn)物的體積為生銹前的1.5—2倍，對混凝土保護層產(chǎn)生相當大的應(yīng)力，從而導致混凝土產(chǎn)生沿鋼筋方向的裂縫，裂縫的產(chǎn)生更加劇了鋼筋的腐蝕，如此循環(huán)直至結(jié)構(gòu)遭到破壞。

1.1混凝土的腐蝕

（1）化學溶蝕

化學溶蝕即腐蝕介質(zhì)與混凝土相互作用生成可溶性化合物或無膠結(jié)性能產(chǎn)物的過程，它有以下幾種形式：

第一種：酸的溶蝕。強無機酸如硫酸、鹽酸、硝酸與混凝土中游離的氫氧化鈣、鋁酸三鈣、硅酸二鈣反應(yīng)生成水溶性的鈣鹽、鋁鹽、硅膠?；炷僚c有機酸如乳酸、油酸的反應(yīng)較慢，腐蝕較小。另外，各種酸性氣體如氯氣、氯化氫、二氧化硫、二氧化氮等遇到水蒸氣冷卻后，會形成相應(yīng)的鹽酸、硫酸、硝酸腐蝕性液體，包括平時說的酸雨對建筑物的腐蝕，本質(zhì)上都屬于酸的溶蝕。

第二種：堿的溶蝕。堿對混凝土的腐蝕較輕，但混凝土中的鋁酸鹽能與Na0H反應(yīng)生成可溶性的鋁酸氫鈣，對混凝土有腐蝕作用，所以要求耐堿混凝土中的氧化鋁含量要小于3%，而要求硅酸三鈣和硅酸二鈣含量要高，因為其耐堿性能很強。最耐堿混凝土材料為氧化鐵含量7%—8%，氧化鋁含量2%—3%的鐵礦混凝土。

（2）膨脹腐蝕

介質(zhì)與混凝土中的氫氧化鈣發(fā)生化學反應(yīng)，生成體積膨脹的新生成物，因而在混凝土中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，使混凝土結(jié)構(gòu)遭到破壞；或鹽溶液滲入混凝土的空隙中積聚爾后脫水結(jié)晶，結(jié)晶水化物體積膨脹，同樣也產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力而使混凝土結(jié)構(gòu)破壞。以上兩種現(xiàn)象通稱膨脹腐蝕。鹽類對混凝土的破壞主要屬于膨脹腐蝕。

1.2鋼筋在特殊條件下的電化學腐蝕

通常在澆注的混凝土中的毛細孔隙里含有大量的氫氧化鈣飽和水溶液，其pH值在12以上。在上述環(huán)境中鋼筋處于鈍態(tài)，不會發(fā)生腐蝕。

鋼筋在混凝土中的腐蝕過程一般通過兩條途徑進行：一是混凝土與腐蝕性介質(zhì)作用，使其中的氫氧化鈣減少，造成其堿度的降低，即所謂“混凝土的中性化”。當其堿度降低到pH值小于10時，鋼筋表面的鈍化膜遭到破壞，鋼筋恢復了活性狀態(tài)，在水分、氧或腐蝕介質(zhì)的作用下，鋼筋便開始受到腐蝕而生銹，而鐵銹的體積是原來的鐵體積的1.5—2倍，產(chǎn)生的膨脹力高達30MPa，從而造成混凝土保護層沿鋼筋開裂，這就是“先蝕后裂”。

另一條途徑是由于構(gòu)件受載荷后產(chǎn)生裂縫或混凝土本身的一些缺陷，使腐蝕介質(zhì)通過裂縫或缺陷滲入到混凝土內(nèi)部，使裂縫或缺陷處的混凝土迅速中性化，從而導致鋼筋的腐蝕，即通常所謂的“先裂后蝕”。

2影響混凝土中鋼筋腐蝕的因素

2.1鋼筋自身的影響

鋼筋的不均勻性，將會導致存在電位差，從而有可能形成腐蝕電池。這些不一致性有可能是由于其化學組成不同，晶格結(jié)構(gòu)上的差異，鈍化膜的不連續(xù)，受力程度不同，或由于表面被鹽類等污染程度不同等造成。

2.2混凝土和環(huán)境介質(zhì)

（1）氯化物的影響

氯化物是破壞鋼筋混凝土中鋼筋的最主要因素。氯離子能加速鋼筋銹蝕，已在大量工程實踐中得到證實。

氯離子主要是通過擴散過程進入混凝土而到達鋼筋表面的，其擴散過程與周圍介質(zhì)中氯離子濃度、混凝土的滲透性有關(guān)，也受到混凝土的毛細孔結(jié)構(gòu)及孔隙被水飽和程度等因素的影響。

（2）混凝土碳化的影響

碳化作用是通過破壞混凝土保護層而使鋼筋發(fā)生腐蝕的。碳化作用不但可以降低混凝上的原始堿度，而且還會導致混凝土粉化，使之失效，失去其對鋼筋的保護作用。同時碳化作用還能使更多的自由氯離子從只有在高pH值才能穩(wěn)定的氯化鋁酸鹽中釋放出來，使得孔隙液中氯離子濃度增加，這樣就使得鋼筋腐蝕速度增加并在氯化物較小量時就發(fā)生腐蝕。

（3）氧氣和水的影響

鋼筋表面的鈍化膜被破壞之后，就需要持續(xù)地供給氧氣，以維持陰極反應(yīng)，因而鋼筋被腐蝕先決條件是所接觸水中含有溶解態(tài)的氧。含氧量和混凝土的電阻控制腐蝕反應(yīng)的速度，而混凝土的電阻值大小又直接受制于混凝土中含水量的多少。

一般情況下，混凝土中的鋼筋由于在表面形成鈍化膜而不同于大氣或土壤中的鋼筋，水含量對腐蝕速率的影響不很大。但當有氯化物存在或混凝土發(fā)生碳化作用而使鋼筋發(fā)生腐蝕時，腐蝕區(qū)域的PHJ值降低，以至于與大氣或土壤中的鋼腐蝕相類似，此時腐蝕速率與混凝土的水含量有很大關(guān)系。當濕度逐漸提高時，混凝土的孔隙中充滿水，當金屬表面都被水溶液浸潤時，腐蝕速度達到最大值，混凝土的電阻達到最低值，此時腐蝕速率的控制過程主要受氧的擴散控制。若混凝土密實性好，滲透性低，則可抑制氧氣和水分的進入，從而防止鋼筋銹蝕。