鋼筋銹蝕引起混凝土保護(hù)層脹裂事故分析

王晨陽(yáng)

（中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100040）

0 引言

隨著施工企業(yè)從規(guī)模化發(fā)展逐步向創(chuàng)品牌方向演變，工程質(zhì)量的優(yōu)劣已成為最重要的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，且是企業(yè)的生存命脈。近年來(lái)，影響結(jié)構(gòu)耐久性的質(zhì)量事故頻發(fā)，不僅關(guān)系到施工企業(yè)的生死存亡，更給業(yè)主的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了巨大損失。鋼筋銹蝕導(dǎo)致混凝土保護(hù)層脹裂，是影響結(jié)構(gòu)耐久性的重要因素，本文通過(guò)對(duì)某工程地下結(jié)構(gòu)保護(hù)層大面積脹裂事件的調(diào)查、分析、處理、總結(jié)，從不同角度闡述了鋼筋銹蝕的原因和機(jī)理，并對(duì)避免鋼筋銹蝕的預(yù)控措施進(jìn)行總結(jié)。

1 工程實(shí)例

某工程地處江蘇省徐州市，始建于 2007-2009 年， 總建筑面積為 41 萬(wàn) m2，車庫(kù)總建筑總面積 4.5 萬(wàn) m2，結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，防火分類為一類，耐火等級(jí)為一級(jí)，抗震設(shè)防烈度為 7 度，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為 50 年。地下室混凝土強(qiáng)度 C30，地下室框架梁柱鋼筋保護(hù)層厚度 35 mm，墻板混凝土保護(hù)層厚度 25 mm。

2017 年，地下車庫(kù)及主樓地下室開始陸續(xù)出現(xiàn)大面積混凝土保護(hù)層脹裂現(xiàn)象，分布在柱側(cè)、板底、梁底、墻面等部位。主要為兩種情況，情況一為嚴(yán)重脹裂，即耐水膩?zhàn)用撀浠蚩展拈_裂，銹蝕鋼筋外露，如圖 1、圖 2 所示；情況二為一般脹裂，即耐水膩?zhàn)虞p微的開裂，鏟掉膩?zhàn)樱蕹炷帘Ｗo(hù)層，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部鋼筋已銹蝕，如圖 3、圖 4 所示。立即組織相關(guān)結(jié)構(gòu)專家進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察，對(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)體質(zhì)量進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，并委托第三方試驗(yàn)室對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、混凝土中氯離子含量進(jìn)行取樣復(fù)試。

圖1 銹脹（情況一）

圖2 清理后（情況一）

圖3 銹脹（情況二）

圖4 清理后（情況二）

2 原因分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察，剔除脹裂部位混凝土保護(hù)層，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部鋼筋銹蝕嚴(yán)重，基本確認(rèn)保護(hù)層脹裂為混凝土內(nèi)部鋼筋表層發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)后銹蝕膨脹導(dǎo)致，如圖 5 所示。

圖5 鋼筋銹蝕

2.1 理論分析

混凝土為高堿性物質(zhì)（pH 至約為 13），鋼筋在高堿性環(huán)境下表面會(huì)形成氧化鐵鈍化膜，厚度約為 200～600 nm。鈍化膜為致密、穩(wěn)定的共格結(jié)構(gòu)，水和氧氣無(wú)法滲入，內(nèi)部無(wú)法形成腐蝕電池，確保鋼筋在未受外界因素影響下不會(huì)銹蝕。

鋼筋銹蝕從化學(xué)原理角度分析主要有兩方面原因，一是氯離子去鈍化和搬運(yùn)作用，二是酸性物質(zhì)（如二氧化碳）侵入，如圖 6 所示。

圖6 混凝土中鋼筋腐蝕機(jī)理

鋼筋銹蝕從施工角度分析主要有 5 方面原因，即結(jié)構(gòu)裂縫、混凝土碳化深度大、混凝土中氯離子含量高、鋼筋保護(hù)層厚度小、混凝土密實(shí)性差。

1）結(jié)構(gòu)裂縫。在荷載因素或非荷載因素（施工、構(gòu)造和環(huán)境等）作用下，使結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生裂縫，鋼筋表層鈍化膜遭到破壞，氧氣、水分和腐蝕性介質(zhì)侵入，造成鋼筋銹蝕。調(diào)查表明，在潮濕環(huán)境中，裂縫寬度達(dá)到 0.2 mm 即可引起鋼筋銹蝕。

2）混凝土碳化?；炷恋亩嗫仔詷?gòu)造，使其內(nèi)部存在大小不同的毛細(xì)管、空隙、氣泡，具有一定的透氣性。混凝土硬化后，多孔性構(gòu)造形成，空氣中 CO2順勢(shì)借助其構(gòu)造特點(diǎn)侵入內(nèi)部，與堿性化合物有效結(jié)合后生成鹽和水：Ca（OH）2+CO2=CaCO3+H2O，使混凝土 pH 值下降，表面碳化。當(dāng)保護(hù)層混凝土完全碳化后，高堿性條件下形成的鈍化膜即遭到破壞，此時(shí)氧氣、水分和腐蝕性介質(zhì)侵入，致使鋼筋逐步銹蝕。

3）氯離子含量。氯離子是混凝土中的腐蝕性有害因子，高性能陽(yáng)極活化劑，主要存在于水泥、海砂、水和外加劑等原材料中，相對(duì)于OH-、O2- 等其他陰離子，其優(yōu)先被吸附性更強(qiáng)。當(dāng)氯離子擴(kuò)散至鋼筋表層鈍化膜附近時(shí)將被吸附，使周邊 pH 值降低，逐步侵蝕破壞鈍化膜，當(dāng)氯離子含量達(dá)到一定濃度時(shí)，所形成的的氯化物將直接造成鋼筋銹蝕［1］。

4）鋼筋保護(hù)層厚度?；炷帘Ｗo(hù)層是指結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，最外層鋼筋的外緣至混凝土表面之間的混凝土層，具有防止鋼筋受到空氣、水和腐蝕性介質(zhì)侵襲的作用。當(dāng)鋼筋混凝土保護(hù)層厚度過(guò)小時(shí)，宜產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂縫、露筋等情況，此時(shí)將降低保護(hù)層的防護(hù)作用，增大鋼筋銹蝕概率［2］。

5）混凝土密實(shí)性。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)鋼筋銹蝕的影響因素主要為混凝土密實(shí)度。混凝土澆筑過(guò)程中由于震搗不到位，產(chǎn)生露筋、蜂窩、麻面等情況，使得混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)質(zhì)地松散，孔隙較多，空氣中的 H2O、CO2及其它腐蝕性介質(zhì)可直接與鋼筋表面接觸，并與之發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致鋼筋電化學(xué)腐蝕［3］。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)外部環(huán)境、內(nèi)部實(shí)體質(zhì)量情況進(jìn)行了全面詳細(xì)的勘察檢測(cè)，結(jié)果如下。

1）地下室環(huán)境潮濕，空氣流通性差，排風(fēng)系統(tǒng)常年處于關(guān)閉狀態(tài)。

2）車庫(kù)框架梁、板、柱未進(jìn)行抹灰施工，混凝土飾面層只有一道膩?zhàn)油苛稀?/p>

3）現(xiàn)場(chǎng)對(duì)問(wèn)題區(qū)域混凝土強(qiáng)度進(jìn)行回彈檢測(cè)，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，但碳化深度過(guò)大，部分大于保護(hù)層厚度。

4）現(xiàn)場(chǎng)對(duì)問(wèn)題區(qū)域構(gòu)件飾面層進(jìn)行剔除，發(fā)現(xiàn)部分構(gòu)件存在結(jié)構(gòu)裂縫。

5）現(xiàn)場(chǎng)對(duì)問(wèn)題區(qū)域鋼筋保護(hù)層厚度進(jìn)行檢測(cè)，保護(hù)層厚度過(guò)小，不滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，部分區(qū)域露筋情況嚴(yán)重。

2.3 試驗(yàn)室檢測(cè)

委托國(guó)家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對(duì)問(wèn)題區(qū)域結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行鉆心取樣，檢測(cè)混凝土強(qiáng)度，并對(duì)銹脹區(qū)域混凝土氯離子含量進(jìn)行取樣檢測(cè)。

2.3.1 混凝土強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)論

對(duì) 15 個(gè)混凝土芯樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度成批推定，抗壓強(qiáng)度平均值為 53.3 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為 5.60 MPa，k1為 1.222，k2為 2.566，抗壓強(qiáng)度下限值為 38.9 MPa，上限值為 46.5 MPa，因上下限的差值大于 0.10fcu，cor，m， 應(yīng)按單個(gè)進(jìn)行評(píng)定，該批混凝土強(qiáng)度推定值為 45.8～65.9 MPa，均達(dá)到混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)（C30）要求。證明混凝土質(zhì)量合格，且未發(fā)生性質(zhì)變化，非保護(hù)層脹裂原因。

2.3.2 混凝土中氯離子含量檢測(cè)結(jié)論

地下車庫(kù)構(gòu)件混凝土氯離子占砂漿質(zhì)量百分比為 0.023 %。因混凝土配合比相關(guān)資料缺失，無(wú)法獲得混凝土中凝膠材料與砂漿的材料質(zhì)量比，因而無(wú)法準(zhǔn)確得出氯離子占凝膠材料總量的百分比。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，常規(guī) C30 混凝土中凝膠材料與砂漿的材料質(zhì)量比不會(huì)小于 1/4，可知該混凝土中氯離子占凝膠材料總量的百分比不會(huì)超過(guò) 0.092 %，滿足 GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［4］中室內(nèi)干燥環(huán)境（環(huán)境類別為一類）規(guī)定的最大氯離子含量限值 0.30 % 的要求。因此，可以證明鋼筋銹蝕非氯離子化學(xué)反應(yīng)造成。

2.4 綜合分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察、實(shí)體檢測(cè)，并結(jié)合第三方檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析，該工程地下結(jié)構(gòu)鋼筋保護(hù)層過(guò)小，碳化深度過(guò)大，使鋼筋表層鈍化膜遭到破壞；地下室環(huán)境潮濕、空氣流動(dòng)性差，是形成鋼筋銹蝕的有利因素；且結(jié)構(gòu)表面未進(jìn)行抹灰施工，使空氣中的水分、氧氣和腐蝕性介質(zhì)更易侵入混凝土內(nèi)部，與鋼筋表層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，最終造成鋼筋銹蝕，導(dǎo)致混凝土保護(hù)層大面積脹裂。

3 預(yù)防措施

為避免鋼筋銹脹問(wèn)題的發(fā)生，施工過(guò)程中，需加強(qiáng)對(duì)結(jié)構(gòu)裂縫、混凝土碳化深度、混凝土中氯離子含量、鋼筋保護(hù)層厚度、混凝土密實(shí)性的質(zhì)量控制。交付使用后，需保證地下室環(huán)境干燥，通風(fēng)良好。

1）混凝土原材料控制。通過(guò)對(duì)施工配合比調(diào)控，降低水膠比，添加減水劑和引氣劑，選用級(jí)配良好、含砂率低的骨料，改善成型混凝土內(nèi)部物理構(gòu)造，提高混凝土結(jié)構(gòu)各項(xiàng)性能指標(biāo)。

2）混凝土施工過(guò)程控制。施工過(guò)程嚴(yán)格落實(shí)關(guān)鍵工序管理，加強(qiáng)混凝土澆筑振搗、收面及養(yǎng)護(hù)措施控制，避免蜂窩、麻面等質(zhì)量通病的產(chǎn)生，提高混凝土密實(shí)性。

3）鋼筋保護(hù)層厚度控制。鋼筋施工過(guò)程中，墊塊的材質(zhì)、數(shù)量和分布要符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，并加強(qiáng)定位筋的設(shè)置，混凝土澆筑過(guò)程中嚴(yán)格旁站。

4 結(jié)語(yǔ)

鋼筋銹蝕對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性影響極大，表觀現(xiàn)象為混凝土保護(hù)層脹裂，裝修飾面層脫落，內(nèi)在現(xiàn)象為鋼筋截面減小、應(yīng)力集中、橫肋銹損，嚴(yán)重降低結(jié)構(gòu)耐久性，造成極大結(jié)構(gòu)安全隱患。因此，在施工過(guò)程中需從方案設(shè)計(jì)、原材料檢驗(yàn)、工藝質(zhì)量控制、結(jié)果驗(yàn)收等方面，嚴(yán)格把控。發(fā)現(xiàn)問(wèn)題或隱患后，要綜合各種影響因素全面分析，科學(xué)有效地采取處理措施，最終達(dá)到保證結(jié)構(gòu)安全、延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)耐久性的目的。Q