混凝土中鋼筋的腐蝕機(jī)理及影響因素分析

何昌亮

1 前言

由于侵蝕性物質(zhì)（如氯離子，二氧化碳等）對(duì)混凝土的侵蝕和混凝土碳化所引起的鋼筋的腐蝕，是使混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)性能劣化的主要原因。鋼筋的腐蝕將導(dǎo)致鋼筋表面鈍化膜破壞，引起鋼筋截面損失，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力減小，而且會(huì)引起混凝土保護(hù)層的破裂與脫落，嚴(yán)重時(shí)，將導(dǎo)致鋼筋結(jié)構(gòu)承載能力達(dá)不到規(guī)定要求，發(fā)生事故，造成巨大的人力物力損失。因此，鋼筋腐蝕對(duì)于混凝土的安全性以及承載能力影響巨大，對(duì)于混凝土中鋼筋的腐蝕機(jī)理研究意義重大。影響鋼筋腐蝕的因素眾多，主要包括空氣的相對(duì)濕度，氧氣濃度，環(huán)境濕度，混凝土保護(hù)層的厚度等。在陰極，陽極和電阻三種控制下，鋼筋發(fā)生腐蝕。目前，關(guān)于鋼筋腐蝕的研究方向主要是陰極反應(yīng)或離子傳輸。

2 腐蝕機(jī)理

在新澆筑的建筑中，混凝土呈高堿性，PH值通常大于12.5，能保證鋼筋表面鈍化膜的穩(wěn)定性，保護(hù)鋼筋不受侵蝕性物質(zhì)的腐蝕，但是氯離子和二氧化碳等侵蝕性物質(zhì)的腐蝕或混凝土自身碳化會(huì)使混凝土失去對(duì)鋼筋的保護(hù)作用，產(chǎn)生去鈍化效應(yīng)，使鋼筋表面的鈍化膜被破壞。當(dāng)鋼筋表面同時(shí)存在氧氣和水時(shí)，就會(huì)對(duì)鋼筋產(chǎn)生腐蝕作用。此時(shí)，去鈍化的鋼筋作為陽極，為氧氣的還原反應(yīng)提供電子，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)過混凝土中的縫隙流到陽極區(qū)；鈍化膜完好的鋼筋作為陰極，為氧氣的還原反應(yīng)提供場(chǎng)所，陽極反應(yīng)產(chǎn)物與陰極反應(yīng)產(chǎn)物可以進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物為氫氧化鐵和氫氧化亞鐵。反應(yīng)的電化學(xué)方程式為：

陰極： O2+4e-+2H2O→4OH

陽極： Fe→Fe2++2e

在陽極區(qū)發(fā)生的二次反應(yīng)的方程式為：

Fe2++2OH-→Fe（OH）2

4Fe（OH）2+O2+2H2O→4Fe（OH）3

2.1 氯離子引起鋼筋腐蝕的機(jī)理

氯離子的侵蝕是引起鋼筋腐蝕最重要的原因之一。研究表明，氯化物的存在會(huì)提高混凝土的吸濕性，使混凝土內(nèi)部離子通道增加，電阻率降低，加速鋼筋腐蝕。氯離子進(jìn)去混凝土的方式主要有以下兩種：一是界環(huán)境的引入，比如海水等；二是混凝土原材料的引入，比如摻和料，拌合水等。

混凝土中的氯離子主要分有兩種，分別為水溶性和酸性。水溶性的氯離子可以在混凝土中的空隙中自由移動(dòng)且能在鋼筋鈍化膜表面累積。而酸溶性氯離子因可以與混凝土中的鋁酸三鈣產(chǎn)生結(jié)合，無法溶于水中自由移動(dòng)。當(dāng)鋼筋表面的氯離子濃度存在一臨界值，當(dāng)其表面的氯離子濃度高于此值時(shí)，鋼筋表面的鈍化膜就會(huì)被侵蝕。若氯離子在鋼筋表面均勻分布，鋼筋將會(huì)發(fā)生均勻侵蝕。若氯離子聚集在鋼筋表面的某一區(qū)域時(shí)，鋼筋將會(huì)發(fā)生點(diǎn)蝕。

研究表明，自由氯離子會(huì)在鋼筋表面與鈍化膜結(jié)合，產(chǎn)生易溶于水的絡(luò)合物，后與堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成鐵的水合物并將氯離子釋放出來。在這個(gè)過程中，氯離子起催化劑的作用，持續(xù)參加到鈍化膜的溶解過程，化學(xué)反應(yīng)方程式為

Fe2++2Cl-=FeCl2

FeCl2+2OH-=Fe（OH）2+2Cl-

2.2 混凝土碳化引起鋼筋腐蝕的機(jī)理

對(duì)于暴露在空氣環(huán)境中的混凝土，由于混凝土內(nèi)部存在無數(shù)細(xì)小的空隙，空氣中的二氧化碳會(huì)隨著時(shí)間的推進(jìn)逐漸向混凝土的內(nèi)部擴(kuò)散，并溶解在混凝土中縫隙內(nèi)的液體中，并形成酸性液體，進(jìn)而與混凝土中的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，造成混凝土縫隙中空隙溶液PH值的下降，當(dāng)其空隙液PH值低于12.5時(shí)，鋼筋表面的鈍化膜將會(huì)遭到破壞。除此之外，混凝土的碳化將使混凝土內(nèi)的固化氯離子轉(zhuǎn)化為自由氯離子，對(duì)鋼筋的腐蝕起推動(dòng)作用。一般來說，混凝土的碳化所引起的鋼筋腐蝕形態(tài)為均勻腐蝕。

鋼筋腐蝕過程的方程式為

（1）在酸性溶液條件下

CO2+H2O→2H++CO32-

（2） 混凝土空隙溶液中性化

Ca（OH）2+2H++CO32-→CaCO3+2H2O

在二氧化碳充足的條件下，將發(fā)生以下反應(yīng)

CaCO3+CO2+H20→Ca（HCO3）2

因?yàn)榛炷恋奶蓟磻?yīng)需要水參與，所以混凝土的水飽和度只有在一定條件下，混凝土才會(huì)發(fā)生碳化反應(yīng)。但是。二氧化碳在混凝土中以氣體的形式擴(kuò)散，因此在混凝土中需要聯(lián)通的空隙作為二氧化碳的擴(kuò)散通道，因而完全潤(rùn)濕的混凝土不能為二氧化碳提供擴(kuò)散通達(dá)，因此不能發(fā)生碳化。根據(jù)研究表明，當(dāng)空氣的相對(duì)濕度在50%至70%范圍內(nèi)時(shí)，混凝土的碳化速率較快。

3 鋼筋腐蝕的影響因素

3.1 結(jié)構(gòu)影響因素

（1）水泥的種類及活性摻和料。不同生產(chǎn)工藝生產(chǎn)出來的水泥，其成分存在很大的差異，對(duì)水泥水化產(chǎn)物的成分及其含量產(chǎn)生的影響也存在很大不同，因而對(duì)于混凝土的強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響。其中，活性摻和料能夠參與到水泥的水化過程中，降低混凝土中聯(lián)通空隙的數(shù)量，阻斷二氧化碳?xì)怏w的傳播，提高混凝土中水化硅酸鈣凝膠的含量，因而混凝土的強(qiáng)度得到提升。

（2）混凝土碳化程度和氯離子含量。前文提到，混凝土內(nèi)鋼筋腐蝕的原因主要有兩個(gè)，一是氯離子的侵蝕；二是混凝土的碳化。當(dāng)混凝土表面的自由氯離子濃度超過臨界氯離子濃度是，鋼筋表面的鈍化層就會(huì)被氯離子侵蝕，產(chǎn)生破壞。鋼筋的腐蝕速度隨表面氯離子含量的提高而加快，且容易發(fā)生點(diǎn)蝕?；炷撂蓟瘯?huì)導(dǎo)致混凝土的中性化。當(dāng)鋼筋表面的混凝土空隙中溶液的PH值小于臨界值時(shí)，鋼筋的鈍化膜開始遭到破壞。根據(jù)施惠生等人對(duì)氯離子含量對(duì)鋼筋腐蝕速率的影響表明，隨著混凝土中氯離子含量的增加，鋼筋越早開始被腐蝕，且進(jìn)入穩(wěn)定期后的腐蝕電流密度越大。

（3）結(jié)構(gòu)配筋。采用鋼筋的種類和結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)鋼筋的腐蝕產(chǎn)生影響。在一般條件下，縱筋的腐蝕比箍筋的腐蝕要小。與普通鋼筋相比，預(yù)應(yīng)力鋼筋的腐蝕速率要小。蔣曉靜等人通過人工加速腐蝕試驗(yàn)，對(duì)于不同那個(gè)等級(jí)鋼筋的腐蝕行為進(jìn)行研究，表明鋼筋的種類對(duì)其腐蝕速率有明顯影響。此外，鋼筋的制備工藝，成分對(duì)鋼筋的腐蝕形態(tài)也有明顯影響。

（4）混凝土的電阻率?；炷恋碾娮杪手饕突炷猎希炷恋乃柡统潭?，氯離子含量，碳化程度以及溫度等因素有關(guān)。電阻率反映的是混凝土內(nèi)部粒子通道的數(shù)量。鋼筋的腐蝕速率隨著混凝土電阻率的減小而增大。

（5）混凝土保護(hù)層的厚度。環(huán)境中的寢室物質(zhì)必須經(jīng)過鋼筋表面的保護(hù)層到達(dá)鋼筋表面才會(huì)對(duì)其產(chǎn)生腐蝕作用，因此鋼筋的保護(hù)層越厚，寢室物質(zhì)越難到達(dá)鋼筋表面。因此，增加混凝土保護(hù)層的厚度可以減緩鋼筋的腐蝕。施惠生等人通過統(tǒng)計(jì)分析的方法，對(duì)室外暴露原件的腐蝕速率進(jìn)行分析，研究結(jié)果表明：原件的腐蝕速率隨著保護(hù)層厚度的增加而減小。

3.2 環(huán)境影響因素

（1）環(huán)境溫度。根據(jù)Arrhrnius方程，化學(xué)反應(yīng)速率會(huì)雖溫度的提高而增大。但由于鋼筋腐蝕過程較為復(fù)雜，目前還有統(tǒng)一性的結(jié)論證明溫度對(duì)鋼筋腐蝕速率的影響。蔣小靜等通過溫度對(duì)混凝土腐蝕速率的影響的研究表明，在陽極控制的條件下，反應(yīng)速率和陽極溫度有關(guān)，且當(dāng)溫度在68℃以下時(shí)，隨著溫度的增加，腐蝕速率呈指數(shù)形式增加。

（2）結(jié)構(gòu)荷載。結(jié)構(gòu)承擔(dān)的荷載將直接對(duì)裂縫寬度，鋼筋的應(yīng)力以及間距產(chǎn)生影響。Yoon等研究了裂縫寬度和鋼筋腐蝕速率的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)氯離子會(huì)引起裂縫處鋼筋的點(diǎn)蝕。在一定的應(yīng)力和侵蝕性物質(zhì)的作用下，金屬會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕，引起結(jié)構(gòu)的破壞。

（3空氣的相對(duì)濕度?？諝獾南鄬?duì)濕度對(duì)混凝土的水飽和度產(chǎn)生直接影響，且混凝土的水飽和度隨著空氣相對(duì)濕度的增加而增大?；炷恋乃柡投纫矔?huì)影響混凝土電阻率的降低。其次，混凝土中氧氣的擴(kuò)散速率會(huì)隨著空氣相對(duì)濕度的增大而減小，使陰極的反應(yīng)速率降低。

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