碳化和氯離子侵蝕條件下鋼筋銹蝕的影響因素

翟玉強

摘要：鋼筋銹蝕是一個普遍存在的現(xiàn)象，其產(chǎn)生對結(jié)構(gòu)的承載力、強度和適用性都有著嚴重的影響。對鋼筋性能而言，鋼筋局部坑銹會造成相應(yīng)的應(yīng)力集中，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在較早的時期產(chǎn)生破壞。中等銹蝕程度會使鋼筋的強度大約降低6%，嚴重銹蝕程度會使鋼筋的強度大約降低12%。此外，銹蝕導(dǎo)致鋼筋彈性變形能力急劇下降，出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕。對結(jié)構(gòu)的使用壽命產(chǎn)生很大的影響。本文主要針對在碳化和氯離子侵蝕的情況下鋼筋產(chǎn)生銹蝕的影響因素進行分析。

關(guān)鍵詞：鋼筋銹蝕 ?碳化 ?氯離子 ?影響因素

1 概述

鋼筋產(chǎn)生銹蝕以及影響鋼筋銹蝕速度的因素是有多種的，但是從總的方面來說，可以分為兩大類[1]：一種是混凝土本身所處的狀態(tài)，如根據(jù)不同的設(shè)置性能而采取的混凝土的品種、混凝土本身的堿性程度、滲透性能、強度等級以及構(gòu)件表面裂縫分布情況、拌制過程中外加劑使用和保護層厚度等，這一系列內(nèi)部因素俗稱“內(nèi)因”;另外一種是混凝土所處的周圍環(huán)境情況的影響，如：周圍環(huán)境溫度、相對濕度、寒冷地區(qū)的冰凍以及惡劣環(huán)境下不良介質(zhì)等，這一系列外部因素俗稱“外因”。另外，鋼筋和混凝土之間的應(yīng)力狀態(tài)對其也有一定的影響。

2 鋼筋銹蝕的影響因素分析

2.1 原材料的影響

水泥的品種、粗細骨料的集配情況和水的用量等對混凝土的密實性有著一定的影響。水化熱大的水泥容易使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微小的裂縫導(dǎo)致滲透性增加。因此為防止裂縫的出現(xiàn)，應(yīng)在施工時候優(yōu)先選用顆粒細、水化熱低的水泥品種。因為越細，凝結(jié)也就越快，泌水越少，滲透性也就越小。研究證明：采用礦渣水泥時鋼筋的銹蝕速度約為普通硅酸鹽水泥的1.7-1.9倍[2]。

在粗細骨料的選擇上，一般情況下，要求組織細密、顆粒整齊、質(zhì)地堅硬、級配優(yōu)良并且在最大粒徑和含泥量上也有所控制，以提高混凝土的和易性，增加密實度。用水量的影響則更加明顯，根據(jù)水泥完全水化的理論需水量為水泥用量的25%，但在施工過程中為了滿足其流動性，常常采取較大的水灰比，因此多余的水分蒸發(fā)后形成毛細孔。在滿足相應(yīng)的設(shè)計和施工的要求下應(yīng)當減少用水量以減少混凝土的滲透性?；炷翝B透性越大，鋼筋銹蝕也就越快。外加劑的摻入也對密實性有明顯的提高，如：減水型的引氣劑、抗?jié)B劑、膨脹劑等。另外，原材料及外加劑中還有可能存在著影響鋼筋銹蝕的氯鹽等有害物質(zhì)。如在關(guān)于粉煤灰對鋼筋銹蝕影響研究中，粉煤灰含量小于30%時，基本上沒有什么影響，但是摻量超過45%時，通常能夠加速鋼筋的銹蝕?？梢姡x擇合適的原材料是提高鋼筋混凝土耐久性的先決條件。

2.2 混凝土的密實度及保護層厚度的影響

混凝土對鋼筋銹蝕的控制主要體現(xiàn)在兩個方面上，一是使混凝土的堿度提高并在鋼筋表面形成鈍化膜;二是阻止外界環(huán)境中腐蝕性介質(zhì)的侵入。第一個方面主要體現(xiàn)在原材料的控制上;第二個方面則主要取決于混凝土密實度以及鋼筋保護層的厚度。如水灰比的大小對密實性有極大的影響。試驗表明，隨著水灰比的增大，混凝土的氧擴散系數(shù)及透氧量都明顯增長，銹蝕也就愈重。

鋼筋混凝土的保護層厚度對鋼筋的保護有顯著的影響，厚度增加能夠保護由于環(huán)境中二氧化碳或氯離子侵入而造成的鋼筋銹蝕。在相同條件下，保護層愈厚，其完全碳化的時間越長，氯離子侵入的時間也就越長，鋼筋的銹蝕程度越輕。當然一味的增加厚度，也會使混凝土總體的體積和重量增加許多，而鋼筋并未隨之增加，對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定產(chǎn)生影響，容易導(dǎo)致脆性破壞。而且在混凝土硬化的過程中，鋼筋不能有效地控制溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力，容易產(chǎn)生裂縫，大大地削弱了保護層的作用。

2.3 裂縫的影響

人們普遍的認為，混凝土產(chǎn)生的裂縫增加了二氧化碳、水分和氧氣的侵入途徑，加快了鋼筋的銹蝕速度。另外，一些試驗研究及實踐工程認為裂縫的產(chǎn)生僅僅是加速鋼筋的銹蝕，并且使該處的鋼筋產(chǎn)生活化現(xiàn)象。首先，裂縫能夠加速鋼筋銹蝕。在早期，裂縫寬度的影響較為顯著，其直接影響著鋼筋去鈍化的時間。但鋼筋銹蝕一旦開始，其銹蝕速度主要取決于尚未開裂位置的混凝土保護層的質(zhì)量以及滲透性，保護層質(zhì)量愈好，滲透性愈小，鋼筋銹蝕的速度也就越小。在結(jié)構(gòu)設(shè)計使用壽命期內(nèi)，當鋼筋銹蝕速度小到一定程度時，可以看作是鋼筋處在鈍化或不銹蝕狀態(tài)。日本的研究人員通過二十年的觀察發(fā)現(xiàn)：當裂縫的寬度小于0.1mm時，其在初期對鋼筋銹蝕的影響較小，后期則不產(chǎn)生影響;如果裂縫的寬度大于0.25mm時，其初期對鋼筋銹蝕的影響比較大，10年后影響將逐漸降低。另外，裂縫對鋼筋銹蝕的影響程度又與所處的環(huán)境條件有很大的聯(lián)系，常年處于潮汐區(qū)和浪濺區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋要比海洋水下結(jié)構(gòu)銹蝕程度嚴重得多。

2.4 CO2及pH值的影響

大氣環(huán)境中的CO2與混凝土孔隙水中的堿性物質(zhì)

Ca（OH）2發(fā)生中和反應(yīng)，生成碳酸鈣。由于Ca（OH）2在孔隙水溶液中是處于過飽和狀態(tài)的。因此在剛剛開始反應(yīng)的時候，孔隙水溶液的pH值能夠維持一定時間的堿性狀態(tài)。隨著孔隙中的Ca（OH）2不斷地消耗，碳酸鈣不斷的生成并在水溶液中沉淀，孔隙水溶液的pH值會因此而逐漸降低。當堿度降低到一定程度的時候，鋼筋鈍化膜中的FeO和Fe（OH）2開始慢慢地分解，鈍化膜隨之開始破壞，鋼筋開始銹蝕。尤其是當pH值當降至4以下的時候，鋼筋銹蝕的速度急劇地增加。研究表明，鋼筋的鈍化膜從pH=11.8的時候便開始不穩(wěn)定并逐漸的產(chǎn)生破壞。因此在材料上應(yīng)盡量選取水化后能夠產(chǎn)生較多Ca（OH）2的水泥品種，如：早強硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥等。

2.5 濕度和溫度的影響

濕度和溫度是影響鋼筋銹蝕的兩個重要的外界因素。而且相對濕度又對氧氣在混凝土中的擴散速度有一定的影響。因此，當環(huán)境中空氣的濕度達到50%-60%時就能使金屬發(fā)生電化學(xué)腐蝕。[3]

由此可見，相對濕度對于鋼筋的銹蝕速度有著雙重作用。另外，濕度除了影響著鋼筋電化學(xué)銹蝕速度并且還影響著混凝土碳化的速度，從而間接地影響著鋼筋的銹蝕。研究證明，處在完全飽和或完全干燥狀態(tài)的混凝土一般不會發(fā)生碳化現(xiàn)象。實地調(diào)查研究表明，當鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件處于干燥環(huán)境下的時候，鋼筋基本上不會產(chǎn)生銹蝕，甚至在幾十年內(nèi)也不會產(chǎn)生該現(xiàn)象，而當處在干濕交替環(huán)境（潮汐區(qū)、浪濺區(qū)等）或漏雨、滲水部位的鋼筋，其銹蝕速度一般也比較快。

關(guān)于溫度的影響，至今存在不同的觀點，阿倫尼烏斯（Arrhenius）定律指出：環(huán)境中溫度每升高10℃，其反應(yīng)速率約提高2-3倍。因此有的研究人員提出：環(huán)境溫度每升高10℃，鋼筋銹蝕速率將會增大5-10倍。如果環(huán)境溫度小于10℃時，鋼筋銹蝕的速度發(fā)展相對來說還是比較緩慢的。

溫度和濕度的增加對于碳化和氯離子情況下的鋼筋銹蝕速度有明顯的影響，溫度升高能夠使銹蝕電流密度增加，研究表明：環(huán)境溫度每升高10℃，對于碳化情況下的銹蝕電流密度提高0.45倍;對于氯離子情況下的銹蝕電流密度提高2.19倍。環(huán)境濕度每提高10%，對于碳化情況下的銹蝕電流密度提高1.16倍;對于氯離子情況下的銹蝕電流密度提高1.58倍。研究表明：氯離子侵蝕下鋼筋銹蝕速度明顯大于碳化情況下的銹蝕速度。溫度及相對濕度對鋼筋銹蝕速度的影響見圖1。

圖1 ?溫度、相對濕度鋼筋腐蝕速度的影響

3 結(jié)束語

通過對上述分析可以得知，鋼筋銹蝕的影響因素有多種。但是影響鋼筋銹蝕的因素并不是獨立存在的一種，而是由多種影響因素共同作用所產(chǎn)生的影響。因此，分析鋼筋銹蝕機理以及影響因素，采取合理鋼筋銹蝕防治措施，具有十分重要的研究意義。

參考文獻：

[1]劉冰梅.淺議混凝土中鋼筋的銹蝕[J].山西建筑，2004，30（21）：94-95.

[2]趙宏沿.一般大氣條件下鋼筋混凝土構(gòu)件剩余壽命預(yù)測[D].清華大學(xué)，1993.

[3]Shalon，R.Reportonbehaviorofconereteinhotelimates，part11.HardenedConerete，MaterialsandStrueture，1980（13）：255-264.