混凝土中鋼筋的腐蝕機理及影響因素分析★

劉祥伍 陳明政

(重慶科技學院建筑工程學院，重慶 401331)

混凝土中鋼筋的腐蝕機理及影響因素分析★

劉祥伍 陳明政

(重慶科技學院建筑工程學院，重慶 401331)

鋼筋腐蝕是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載力及耐久性面對的一個難題，通過查找大量的文獻探討了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋腐蝕的機理以及腐蝕對結(jié)構(gòu)造成的破壞形式，分析了影響鋼筋腐蝕的因素，最后從施工的角度上提出了防止鋼筋銹蝕的建議。

鋼筋，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，耐久性，腐蝕機理

鋼筋混凝土是利用混凝土受壓而鋼筋受拉的一種復合材料，它最早使用是在19世紀末，到目前為止已經(jīng)使用了一百多年，這種材料的發(fā)展也經(jīng)過了幾個階段，目前它被廣泛應用于房屋建筑、橋梁工程和水利工程等方向[1]。然而工程中使用鋼筋混凝土材料面臨的一個挑戰(zhàn)就是它的耐久性問題，而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)失效主要就是由鋼筋銹蝕引起的。國內(nèi)外的工程由于鋼筋銹蝕導致在服役中進行維修甚至拆除而導致的損失相當嚴重[2,3]。筆者旨在探討鋼筋銹蝕機理及鋼筋腐蝕造成的破壞形式并提出在工程中防止鋼筋腐蝕的一些建議。

1 鋼筋銹蝕機理

大量的研究表明[4,5]，引起混凝土中的鋼筋銹蝕機理有兩種：氯離子侵蝕引起的鋼筋腐蝕機理和混凝土碳化引起的鋼筋銹蝕機理。這兩種鋼筋銹蝕機理導致的鋼筋腐蝕情況也有差異，當氯離子被均勻地覆蓋在鋼筋外部輪廓時，鋼筋的腐蝕形態(tài)比較勻稱，鋼筋只有在輪廓某一部分有氯離子吸附時容易發(fā)生點蝕，這時鋼筋在發(fā)生點蝕處容易引起應力集中而發(fā)生脆性破壞；鋼筋因混凝土碳化而腐蝕呈均勻腐蝕狀態(tài)[6]。

1.1氯鹽侵蝕引起的鋼筋腐蝕

根據(jù)王永霖的論文查找了大量的資料，氯離子侵蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)引起的鋼筋銹蝕通過4個作用完成[5]：1)局部減弱鋼筋鈍化膜附近混凝土孔隙液原有的堿性，當堿性減弱到一定的值后，鋼筋鈍化膜被破壞導致鋼筋開始銹蝕；2)氯離子擊穿存在缺陷的鈍化膜與鐵元素發(fā)生反應從而使顯露出的部分成為腐蝕電池的陽極，而鈍化膜沒有被擊穿的部分將作為電池的陰極，如此就形成了陽極小而陰極大的腐蝕電池；3)催化作用。Cl-在反應過程中并沒有真正的參與反應，它只是起到搬運陽極產(chǎn)物的作用，由于它的催化作用，鋼筋銹蝕速率會隨著反應的進行越來越快；4)導電作用。氯離子能和其他離子(Na+,Ca+)一起參與導電從而提高了電解質(zhì)溶液的導電能力，這樣提高了腐蝕電池的效率。Cl-侵蝕引起的鋼筋銹蝕反應式如下：

陽極反應式：

Fe+2Cl-→Fe2++2Cl+2e

Fe+2Cl-+2OH-→Fe(OH)2+2Cl-

陰極反應式：

4e+2H2O+O2→4OH-

當混凝土內(nèi)氧氣富足的情況下，陽極會發(fā)生二次反響：

2H2O+O2+4Fe(OH)2→4Fe(OH)3

1.2混凝土碳化引起的鋼筋銹蝕

大氣中的二氧化碳進入到混凝土內(nèi)與水泥漿體中的Ca(OH)2等發(fā)生反應叫做混凝土的碳化，混凝土碳化引起的鋼筋銹蝕分兩個步驟[4-6]：

1)二氧化碳(CO2)的溶解。

二氧化碳進入混凝土內(nèi)部后溶解于水中形成碳酸，因此混凝土的碳化必須在有水的條件下才能發(fā)生，相關(guān)的研究表明混凝土碳化速率最大時的空氣相對濕度在50%～70%。

2)混凝土孔隙液的中性化。

混凝土孔隙液中的氫氧化鈣(Ca(OH)2)與溶于水中的CO2發(fā)生反響形成碳酸鈣(CaCO3)，混凝土內(nèi)原有環(huán)境的高堿性因為孔隙液中氫氧化鈣的消耗以及碳酸鈣的沉積而減弱，堿性減弱到一定的程度鋼筋鈍化膜發(fā)生毀壞，從而導致混凝土中鋼筋銹蝕,混凝土碳化示意圖見圖1。

2 鋼筋銹蝕造成結(jié)構(gòu)的破壞形式

鋼筋銹蝕生成的銹蝕產(chǎn)物覆蓋在鋼筋外部輪廓使得銹蝕后的鋼筋體積比原本的鋼筋體積大，在鋼筋和混凝土的接壤面上因為鋼筋體積膨脹導致環(huán)向擠壓應力，又稱鋼筋銹蝕膨脹力，當鋼筋腐蝕嚴重時膨脹力會很大，最終導致混凝土開裂。研究表明鋼筋銹蝕從三方面影響了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載力[6,7]，介紹如下：

1)受力鋼筋力學性能退化而破壞。

鋼筋力學性能的退化表現(xiàn)在兩個方面：首先是鋼筋腐蝕后導致受力鋼筋的截面面積變小從而使鋼筋的屈就強度減小，減小了處于服役中的結(jié)構(gòu)的承載能力，這在預應力結(jié)構(gòu)中暗示十分明顯，預應力鋼絲、鋼絞線的強度都很高且截面面積小，一旦鋼絞線受腐蝕，預應力結(jié)構(gòu)的承載能力會大幅度降低；其次表現(xiàn)在腐蝕后的鋼筋塑性變形會退化，相關(guān)的文獻資料表明，銹蝕嚴重的鋼筋會導致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)的改變。

2)鋼筋與混凝土之間粘結(jié)機能的低沉。

鋼筋銹蝕產(chǎn)生的銹蝕產(chǎn)物疏松地覆蓋在鋼筋表面，這樣使鋼筋與混凝土的界面被隔離開來，加之鋼筋與混凝土的粘結(jié)機能很大水平上取決于鋼筋的變形肋，鋼筋腐蝕伴隨著變形肋的腐蝕，這樣導致鋼筋與混凝土界面的粘結(jié)力變小，容易使鋼筋在受力時發(fā)生滑移，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的剛度產(chǎn)生不利影響。

3)保護層的破壞。

鋼筋腐蝕后發(fā)生體積膨脹導致包裹鋼筋的混凝土保護層受到擠壓應力，當擠壓應力超過混凝土的抗拉極限強度時，會導致保護層開裂以致剝落，使鋼筋直接袒露在大氣環(huán)境中從而加快了鋼筋的腐蝕速度。

3 鋼筋腐蝕的影響因素

鑒于以上的分析，混凝土中鋼筋腐蝕不僅與鋼筋自身因素有關(guān)，還與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境、混凝土的質(zhì)量以及保護層厚度有關(guān)。

1)鋼筋本身的因素。

因為混凝土中鋼筋腐蝕的原理是電化學腐蝕，鋼筋材料本身存在的差異性，比如鋼筋內(nèi)部化學成分的差異容易形成腐蝕原電池。晶格結(jié)構(gòu)的差異也對腐蝕電池的形成有很大影響，這種影響尤其在預應力結(jié)構(gòu)中晶體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)的更明顯，施加預應力的巨細不同，預應力鋼筋的腐蝕水平也有差異。

2)結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境。

3)混凝土的質(zhì)量。

混凝土的強度、水灰比、顆粒級配、水泥品種以及混凝土的養(yǎng)護時間等因素都對混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕有影響。水泥品種及水泥用量直接影響到混凝土的強度，混凝土的抗壓強度越高外界環(huán)境中氯離子在混凝土內(nèi)的擴散速度越慢[8]，混凝土抗碳化能力與混凝土的強度等級有線性相關(guān)的特點。水灰比、顆粒級配和混凝土的養(yǎng)護時間都影響到混凝土的密實度，密實度越小混凝土的密實度越好，氯離子在混凝土內(nèi)擴散系數(shù)以及二氧化碳的擴散速度越小。

4)鋼筋保護層厚度。

保護層直接將鋼筋與外界隔離開來，防止了外界環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)直接與鋼筋接觸，它是防止鋼筋銹蝕的一道屏障。庇護層的厚度越大外界環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)的擴散路徑越長，腐蝕介質(zhì)運輸?shù)戒摻钔廨喞臅r間就越長。

4 結(jié)論與建議

由于鋼筋腐蝕會導致結(jié)構(gòu)承載能力的降低甚至會造成結(jié)構(gòu)耐久性失效，因此采取有效的措施來防止鋼筋銹蝕是必要的，結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境不是人力可以解決的但是可以從施工過程以及材料本身來采取措施。

1)工程結(jié)構(gòu)中可以加強鋼筋的耐腐蝕性，在鋼筋表面鍍鋅或者其他耐腐蝕的材料來防止鋼筋銹蝕。

2)合理控制混凝土的施工配合比。在混凝土的和易性滿足施工要求時降低水灰從而提高混凝土的強度，保證骨料級配連續(xù)并且控制粗骨料的最大粒徑，這樣就有效地提高了混凝土的密實度。

3)適當加大混凝土保護層的厚度?；炷帘Ｗo層越大，混凝土碳化到鋼筋外輪廓的時間明顯被耽誤[9]。庇護層的厚度越大外界環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)的擴散路徑越長，腐蝕介質(zhì)運輸?shù)戒摻钔廨喞臅r間就越長。

4)嚴格規(guī)范混凝土施工過程中的工藝流程，混凝土的攪拌要均勻且嚴格控制振搗時間，嚴格把握混凝土施工的每一個施工環(huán)節(jié)。

[1] 金偉良.腐蝕混凝土結(jié)構(gòu)學[M].北京：科學出版社，2011.

[2] 馮乃謙.日本混凝土耐久性問題的歷史發(fā)展及其對策[J].混凝土，2003(7):14-17.

[3] 夏 寧，于孝明，任青文.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究現(xiàn)狀[J].水利水電科技進展，2005,25(4):63-66.

[4] 毋 銘.混凝土中鋼筋的腐蝕機理及腐蝕速率實用預測模型研究[D].南寧：廣西大學碩士學位論文，2013.

[5] 王永霖.無機鹽溶液對鋼筋銹蝕的影響[D].重慶：重慶大學碩士學位論文，2015.

[6] 薛 斌，孫啟榮，王辰宇，等.腐蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀及展望[J].能源與環(huán)保，2017,39(4):174-179.

[7] 陳麗金.混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋腐蝕的產(chǎn)生、危害與修復技術(shù)[J].水泥與混凝土，2003(1):27-30.

[8] 周 劍.混凝土氯離子擴散性能影響因素的試驗研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學碩士學位論文，2010.

[9] 李雯霞，周 琦.混凝土碳化對鋼筋的腐蝕及影響因素[J].甘肅科技，2008,24(9):132-134.

Corrosionmechanismofsteelreinforcementinconcreteanditsinfluencefactoranalysis★

LiuXiangwuChenMingzheng

(ChongqingUniversityofScienceandTechnology,SchoolofCivilEngineering,Chongqing401331,China)

It’s steel corrosion that durability of reinforced concrete structures is face with a difficult problem. In this paper, the corrosion mechanism of reinforced concrete structures and the destruction of structures caused by corrosion are discussed. And the factors affecting the corrosion of steel are analyzed. At last, to prevent steel corrosion, some proposals are put forward from the perspective of construction.

steel, reinforced concrete structures, durability, corrosion mechanism

TU375

A

1009-6825(2017)27-0041-03

2017-07-14★:重慶市自然科學基金(cstc2016jcyjA0934)；重慶科技學院研究生科技創(chuàng)新項目(YKJCX1620614)

劉祥伍(1992- )，男，在讀碩士； 陳明政(1977- )，男，教授