聞 建

（江漢大學 機電與建筑工程學院，湖北 武漢 430056）

0 引言

鋼筋混凝土耐久性的喪失，除了凍融、裂縫、海水腐蝕、沖刷磨損、堿—骨料反應(yīng)等一般混凝土損壞形式之外，主要是鋼筋在混凝土中的銹蝕破壞。鋼筋的銹蝕破壞導致混凝土的損傷表現(xiàn)為膨脹、開裂以及最終保護層剝落等形式。除保護層喪失外，由于鋼筋和混凝土失去黏結(jié)力，以及鋼筋橫截面損失引起的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)損傷，以致有時到了結(jié)構(gòu)的破壞已經(jīng)不可避免。因此，鋼筋銹蝕已經(jīng)成為影響混凝土耐久性的主要因素，特別在氯鹽環(huán)境中，鋼筋銹蝕是首要因素。

1 鋼筋銹蝕機制

混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋腐蝕可分為自然電化學腐蝕和雜散電流腐蝕，對于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，還可能發(fā)生應(yīng)力腐蝕和氫脆腐蝕。一般混凝土結(jié)構(gòu)中發(fā)生的通常為自然電化學腐蝕［1］。

自然電化學腐蝕其發(fā)生的根本原因是源于腐蝕電池的形成，腐蝕電池可能以兩種形式產(chǎn)生：

1）混凝土中的兩種不同金屬（如鋼筋和鋁導管），或鋼材的表面特性有明顯差異時，可形成組分電池。

2）由于在鋼筋附件溶解離子的濃度差，如堿和氯化物，從而形成濃差電池。

腐蝕電池的結(jié)果是兩種金屬中的一種（或一種金屬時金屬的某些部分）成為陰極，另一種（或其他部分）成為陽極。腐蝕電池的基本化學反應(yīng)如下所述：

進一步，F(xiàn)e2+和2(OH)-結(jié)合生成Fe(OH)2，由于Fe(OH)2不穩(wěn)定，將進一步生成氫氧化鐵，即

氫氧化鐵進一步氧化生成鐵銹（Fe2O3·Fe3O4·H2O）。金屬鐵轉(zhuǎn)變?yōu)殍F銹時，體積增大，其增量因氧化狀態(tài)不同，一般要增加2～4倍，最多可增大6倍。這種體積增大可引起混凝土膨脹和開裂，一旦造成鋼筋外露，會進一步加速鋼筋的惡性銹蝕，直至構(gòu)件喪失承載能力。對于應(yīng)力高、直徑細的高強鋼絲，則常因鋼絲表面局部缺陷或銹坑處形成應(yīng)力集中而發(fā)生脆斷。

一般來講，混凝土孔隙液具有很高的堿性（pH值為12.5～13.5），鋼筋在這種介質(zhì)中，表面受到一層非常致密的鈍化膜（Ca(OH)2堿性薄膜，厚度為200～1000 nm）保護，只有當鈍化膜的保護作用消失后，鋼筋才有可能銹蝕。

當混凝土孔隙液中不存在氯離子，只要孔隙液的pH值保持在11.5以上，鈍化膜就處于穩(wěn)定狀態(tài)，但在某些情況（如混凝土有很高的滲透性，孔隙液中的堿和大部分氫氧化鈣或者被碳化、或者被溶解），空氣中的二氧化碳和混凝土孔隙中的氫氧化鈣進行中和反應(yīng)，生成碳酸鈣，臨近鋼筋的混凝土pH值會下降到11.5以下，鈍化膜變得不穩(wěn)定而被破壞，失去對鋼筋的保護作用。

當混凝土孔隙液中存在氯離子，即使孔隙液的pH值保持在11.5以上，在鋼筋表面氯離子含量增加到某一臨界值時，也具有局部破壞鈍化膜的能力。氯離子含量的臨界值為n(Cl-):n(OH-)物質(zhì)的量比，當其大于6時，難溶解的氫氧化鐵可轉(zhuǎn)變成易溶的氯化鐵，形成鐵與氯化物的復合物，即綠銹（FeCl2·4H2O），致使鈍化膜局部破壞。在此破壞過程中，氯離子雖然不構(gòu)成腐蝕產(chǎn)物，在腐蝕過程中也不消耗，但是作為腐蝕的中間產(chǎn)物促進了腐蝕的發(fā)生，對鋼筋的腐蝕起到了催化和搬運的作用。氯離子的催化反應(yīng)可用式（4）、（5）表示：

2 鋼筋銹蝕后對鋼筋混凝土構(gòu)件的影響

視鋼筋銹度不同，鋼筋銹蝕后對鋼筋混凝土構(gòu)件的影響如表 1［2］所示。

表1 鋼筋銹蝕對鋼筋混凝土構(gòu)件的影響

3 影響鋼筋銹蝕的主要因素

3.1 碳化深度的影響

混凝土碳化會導致混凝土堿度降低，破壞鋼筋鈍化膜，使鋼筋易于腐蝕。中國建筑科學研究院混凝土研究所曾用快速碳化試驗法對200組不同水泥用量、不同水灰比的普通混凝土及輕集料混凝土進行試驗，測得鋼筋銹蝕失重率（A）與混凝土碳化深度（D）的函數(shù)關(guān)系，經(jīng)回歸分析得到公式（6）［3］：

式中，A為混凝土保護層厚度為20 mm時鋼筋銹蝕失重率（%）；D為混凝土快速碳化試驗時，齡期為28 d的混凝土碳化深度（mm）。

3.2 Cl-含量的影響

有研究表明，混凝土內(nèi)氯離子含量越高，則鋼筋銹蝕電位越高，且鋼筋的銹蝕速率也越大。文獻［4］的作者建立了氯離子濃度與混凝土內(nèi)鋼筋平均銹蝕速率Imean的關(guān)系式：

3.3 水灰比和保護層厚度的影響

通常，水灰比大，則混凝土的孔隙率大，密實程度差，水分、腐蝕性介質(zhì)（CO2、O2、Cl-）容易侵入到混凝土內(nèi)部，使得混凝土內(nèi)鋼筋的銹蝕速率提高。

中國建筑科學研究院提出的不同保護層厚度下鋼筋失重率的換算系數(shù)如表2［5］所示。

表2 不同保護層厚度下鋼筋失重率的換算系數(shù)

3.4 裂縫的影響

混凝土保護層開裂為氧氣、水、氯化物提供了方便的通道，較小的裂紋就能形成一個加速腐蝕和開裂的條件。如果混凝土的滲透性很低，垂直于鋼筋的橫向裂縫通常不會引起鋼筋的持續(xù)腐蝕，這是因為暴露于裂縫的那部分鋼筋承擔了陽極的作用。如果平行于鋼筋的方向形成縱向裂縫，則腐蝕會繼續(xù)持續(xù)下去，因為沿裂縫很多位置失去了惰性，并且整個裂縫長度上氧氣和水分很容易侵入。

3.5 應(yīng)力狀態(tài)與應(yīng)力水平的影響

研究表明，應(yīng)力鋼筋在電化學反應(yīng)方面比無應(yīng)力鋼筋更活躍，這是因為應(yīng)力腐蝕和常規(guī)腐蝕不同，它會在金屬局部區(qū)域加速腐蝕，從而引起結(jié)構(gòu)局部加速破壞，給結(jié)構(gòu)帶來突發(fā)性的災(zāi)難性影響。

4 鋼筋銹蝕的防治措施

鋼筋銹蝕的防治是一個系統(tǒng)問題，應(yīng)該在設(shè)計、施工、檢測等主要工作環(huán)節(jié)中，有針對性地采取措施加以控制，以確保鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)安全，使用時間達到或超過設(shè)計使用年限。從前述分析可知，提高鋼筋防治鋼筋銹蝕的關(guān)鍵，是防止或延緩腐蝕介質(zhì)（二氧化碳、氯離子、水和氧）通過混凝土保護層向鋼筋表面滲透和擴散。

4.1 防止鋼筋混凝土構(gòu)件表面過早碳化

式中，D為混凝土碳化深度（mm）；η1為水泥用量影響系數(shù)，對普通混凝土（輕集料混凝土）：η1=253C-0.954(η1=582C-1.107)，C 為每立方米混凝土的水泥用量（kg）；η2為水灰比(W/C)影響系數(shù)，對普通混凝土（輕集料混凝土）：η2=4.15(W/C)-

中國建筑科學研究院提出的混凝土在二氧化碳體積分數(shù)為20%，標準養(yǎng)護為28 d時快速碳化的多系數(shù)方程［3］為1.03（η2=0.017+2.06(W/C)）；η3為粉煤灰取代量影響系數(shù)，對普通混凝土（輕集料混凝土）：η3=0.968+0.32F（η3=1.006+0.17F），F(xiàn) 為粉煤灰等量取代水泥的質(zhì)量分數(shù)（%），如10%，以10代入；η4為水泥品種影響系數(shù)；η5為集料品種影響系數(shù)；η6為養(yǎng)護方法影響系數(shù)；K為碳化速度系數(shù)，對普通混凝土取2.32，對輕集料混凝土取4.18；t為標準養(yǎng)護天數(shù)，取28。

由公式（10）可知，增加水泥用量、降低水灰比、控制粉煤灰最大取代量、選用不含混合材的硅酸鹽水泥或少含混合材的普通硅酸鹽水泥、控制骨料粒徑和級配、良好的養(yǎng)護方式等可以提高混凝土的抗碳化性能。

4.2 控制最大氯化物允許用量

混凝土組成部分中不可避免含有少量氯離子（非常有限，一般不至于導致鋼筋銹蝕），氯離子其他的外部來源如去冰鹽、或者結(jié)構(gòu)暴露在海水及浪濺區(qū)內(nèi)。因此，須控制氯離子的允許含量，文獻［6］的耐久性規(guī)定以及美國ACI318建筑法規(guī)中均規(guī)定了最大氯離子含量限值。

4.3 其他經(jīng)濟有效的措施

其他經(jīng)濟有效的措施，如適當增大混凝土保護層厚度；采取摻加減水劑以減小水灰比、加添優(yōu)質(zhì)摻合料、振搗密實和良好的養(yǎng)護等措施，以提高混凝土的密實性。在腐蝕環(huán)境較為惡劣的條件下，設(shè)計中應(yīng)盡量避免采用形狀復雜、尺寸單薄的構(gòu)件等。此外，在嚴重腐蝕環(huán)境下，采取在混凝土中摻加緩蝕劑，如可采用聚合物水泥乳膠砂漿等涂料密封混凝土表面，以及采用噴敷樹脂的防銹鋼筋等措施。

5 結(jié)語

鋼筋銹蝕對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)以及預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性影響極大，其現(xiàn)象表現(xiàn)為鋼筋的有效面積減小、鋼筋應(yīng)力集中、疏松鐵銹層對鋼筋與混凝土界面的潤滑作用、鋼筋橫肋銹損、銹蝕產(chǎn)物體積膨脹等。因此，需要根據(jù)鋼筋銹蝕的基本原理以及各種因素的影響規(guī)律，科學地采取措施來保護鋼筋，達到保證結(jié)構(gòu)安全、延長結(jié)構(gòu)使用壽命的目的。

［1］張譽，蔣利學.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性概論［M］.上海：上?？茖W技術(shù)出版社，2003.

［2］孟文清.建筑工程質(zhì)量通病分析與防治［M］.鄭州：黃河水利出版社，2005.

［3］龔洛書，蘇曼青，王洪琳.混凝土多系數(shù)碳化方程及其應(yīng)用［J］.混凝土，1985（6）：10-15.

［4］Elsener B，Hug A，Buirchler D.Evaluation of localized corrosion rate on steel in concrete by galvanostatic pulse technique［C］//Page C L，Bamforth P S，F(xiàn)igg J W.Corrosion of Reinforcement in Concrete Construc?tion.Cambridge：SCI，1996：264-272.

［5］李惠強.建筑結(jié)構(gòu)診斷鑒定與加固修復［M］.武漢：華中科技大學出版社，2002.

［6］中華人民共和國建設(shè)部，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB50010—2002 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.