混凝土橋梁鋼筋銹蝕的原因分析及預防措施

付美樓

混凝土對鋼筋的保護，主要是依靠硅酸鹽水泥在水化過程中產生的堿Ca(OH)2來提高混凝土液相pH值，使鋼筋處于強堿環境中，其表面便產生致密氧化膜，使鋼筋處于鈍化狀態。鋼筋鈍化的本質就是在金屬表面形成起保護作用的平衡電層，并使表面的電化學電位升高或保持恒定，從而抑制金屬離子水化過程的進行。而隨著時間的推移，橋梁受外界環境因素影響，混凝土中鋼筋的平衡電位遭受破壞，從而引起鋼筋銹蝕，這一影響過程屬于電化學過程，只有充分了解和掌握這些影響因素，才能有效預防和減緩鋼筋銹蝕問題。

1 鋼筋銹蝕的原因

1.1 混凝土的pH值

混凝土主要依靠硅酸鹽水泥在水化過程中產生的堿來提高混凝土液相pH值，其水化過程如下:

鋼筋銹蝕速度與混凝土液相pH值有密切關系，許多專家和學者在理論和試驗基礎上提出當pH＜9.8時鋼筋不可能形成鈍化膜;當9.8＜pH≤11.5時，鋼筋處于不完全鈍化狀態，有發生局部腐蝕的可能;當pH＞11.5時鋼筋才能生產較致密、完整的鈍化膜，從而抑制鐵變成離子活動狀態。

1.2 混凝土的碳化

混凝土碳化反應過程如下:

混凝土在這一碳化過程中會使pH值下降，當pH＜11時，混凝土中鋼筋表面的鈍化膜就會被破壞，一旦鋼筋鈍化膜被破壞，鋼筋中的鐵離子就處于活化狀態，很容易被孔隙中的氧氧化。當氧化不完全時生成Fe2O4(黑銹)體積膨脹2倍，當氧化進一步進行時，Fe2O4變成Fe2O3鐵銹，體積膨脹 4倍。

1.3 混凝土中Cl-(氯離子)的作用

Cl-(氯離子)主要來源于混凝土添加劑和防凍劑，其破壞作用機理如下:1)Cl-有很高的活性和較小的半徑，它能穿透或破壞鋼筋表面的鈍化膜。2)Cl-和鋼筋反應生成FeCl2，該產物溶解性強，在遠離鋼筋表面處生成Fe(OH)2，一方面腐蝕產物不對金屬表面有覆蓋保護作用;另一方面Cl-并不消耗，而是繼續重復起破壞作用。3)Cl-自身濃度差異及所造成的pH值差異，使鋼筋出現更多的濃度腐蝕電池。4)Cl-的存在增加了混凝土的導電性能，從而提高了腐蝕電池的導電率。5)Cl-的存在還能影響水泥的水化過程，使水泥固化不完全，從而影響混凝土質量。

1.4 與混凝土本身有關的因素

1)混凝土的微觀結構。2)水灰比和滲透率的關系。3)混凝土裂縫的存在。

1.5 空氣中的氧和水的作用

1)空氣中的氧主要起陰極去極化作用，氧能從陰極上取走電子，從而保證電極過程的持續進行，其反應過程如下:

2)空氣中的水起到電解質作用，同時還參與化學反應，其反應過程如下:

3)鋼筋的銹蝕或混凝土碳化均會破壞混凝土的保護層，保護層破壞后導致鋼筋與空氣接觸面加大，空氣中的氧和水加速腐蝕鋼筋，且該腐蝕作用具有強烈的擴散控制作用。

1.6 鋼筋材質的影響

不同類型的鋼筋，其腐蝕敏感性不同，這主要是由于鋼筋的化學成分、組織結構、熱處理工藝不同，在外界條件下形成微電池的情況及微電池效應不同。

1.7 應力腐蝕

處在應力狀態的鋼筋很容易引起鋼筋微小裂紋，鋼筋中微小裂紋及薄弱處極容易引起應力集中，從而加劇腐蝕發展。預應力鋼筋更容易腐蝕，而且應力腐蝕比一般腐蝕更危險。

1.8 設計方面

設計方面主要包括對橋梁所處環境考慮不周、結構計算時不全面或部分漏算、計算模型不合理、結構受力假設與實際受力不符、荷載少算或漏算、內力與配筋計算錯誤、結構設計時不考慮施工的可能性、設計斷面不足、鋼筋設置偏少或布置錯誤、構造處理不當、設計圖紙交代不清等造成橋梁使用過程中出現裂紋或保護層不足等而引起鋼筋銹蝕。

1.9 施工方面

無論是既有橋梁還是新建橋梁許多鋼筋銹蝕問題主要來源于施工方面。如為縮短工期不適當使用外加劑，導致混凝土中Cl-嚴重超標;為增加混凝土的流動性，隨意調整水灰比，導致水泥水化后混凝土孔隙率增加;另外還包括施工中常見的問題:如混凝土攪拌不均，攪拌時間過長，振搗不充分，配筋混亂，模板移動，施工縫處理不當等。

1.10 維修管理

1)維修管理工作者對橋梁裂紋、裂縫認識程度、重視程度不夠，甚者對橋梁保護層脫落鋼筋銹蝕較為嚴重也未及時維修。2)維修經費不足，管理模式不斷變化，管理機構不斷調整，是橋梁得不到及時維修的又一重要因素，這些因素造成許多橋梁裂紋、鋼筋銹蝕等病害加劇發展，橋梁長期帶病作業，嚴重影響橋梁的使用安全和耐久性。

1.11 其他因素

橋梁所處環境不同，混凝土中鋼筋銹蝕程度也不同，如橋梁處在有強烈電磁場環境時，很容易引起鋼筋去極化作用;在潮濕環境和干燥環境，在污染環境和非污染環境，鋼筋銹蝕程度不同。

2 鋼筋銹蝕危害性

1)大量的試驗研究表明，當鋼筋銹蝕導致梁體出現縱向裂縫時，鋼筋截面減小率在0%～10%間;而當梁體混凝土保護層部分剝離時，截面減小率在5%～10%間;當保護層全部剝離時，截面減小率在15%～25%間。鋼筋銹蝕，導致鋼筋受力截面積減少，從而使鋼筋的力學性能下降。2)鋼筋銹蝕削弱了鋼筋與混凝土之間的結合強度，從而削弱了鋼筋抗拉抗剪強度，導致其不能把鋼筋所受的應力有效地傳遞給混凝土。3)鋼筋銹蝕產物引起體積膨脹，膨脹后的體積是其基體體積的2倍～4倍，隨著鋼筋的不斷銹蝕，該產物在混凝土內不斷積聚，對混凝土的擠壓逐漸增大，混凝土保護層在這種擠壓的作用下發生開裂、變形及剝離。4)鋼筋的銹蝕使鋼筋與混凝土結合強度逐漸喪失，直接影響著橋梁的使用安全和耐久性。

3 橋梁鋼筋銹蝕的預防措施

3.1 設計方面

設計人員應充分考慮環境及相關不利因素，充分考慮施工的可能性，加強對施工圖的審查和復核，必要時對一些特殊工藝、使用材料加以附注說明和限制，減少設計方面帶來的不利影響。

3.2 施工方面

1)采用高性能混凝土。高性能混凝土是一種新型高技術混凝土，具有強烈的抗滲性能，是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎上采用現代混凝土技術制作的混凝土。2)采用纖維混凝土。就是在混凝土中摻入纖維的混凝土，其優點是纖維的加入大大地減輕了混凝土的塑性裂縫及龜裂，摻入纖維的種類有金屬纖維、無機纖維、有機纖維。3)采用商品混凝土。商品混凝土能嚴格控制原材料質量和配合比，能保證混凝土的質量要求，具有高流動性、坍落度損失小、不泌水、不離析、可泵性好等性能。4)普通混凝土可采用如下方法:a.降低水灰比。b.摻外加劑。c.選擇合適的材料。d.減少Cl-(氯離子)進入。e.保護層的厚度。f.加強養護。

3.3 維修管理

1)正確認識裂縫?；炷两Y構的裂縫是不可避免的，細微裂縫對結構使用影響不大，但其超過一定限值就應及時采取措施，《鐵路橋隧建筑物大維修規則》規定預應力混凝土梁下緣豎向及腹板主拉應力方向不允許有裂縫存在，梁體縱向及斜向裂縫不大于0.2 mm，橫隔板裂縫不大于0.3 mm;普通鋼筋混凝土梁及框架主筋附近豎向裂縫不大于0.25 mm，腹板豎向及斜向裂縫不大于0.3 mm;裂縫超過以上限值，就應高度重視，及時采取加固或修補措施。2)加強鋼筋混凝土狀態的檢測。檢測內容主要包括混凝土保護層、電阻率、含水量、碳化深度以及鋼筋銹蝕電位和截面損失的檢測，應通過多種檢測方法來對橋梁的綜合狀態進行評估，以便及時采取加固措施。3)加強日常檢查和維護。主要包括橋面排水系統，梁體混凝土裂紋、剝離、滲漏，鋼筋銹蝕等的檢查和維護，確保橋梁梁體各項參數正常。

4 結語

預防和延緩混凝土中鋼筋銹蝕問題是一項系統工程，涉及設計、施工、監理、維護管理等單位，在各個環節均應加強領導和組織管理、落實責任，做到層層把關，嚴格按照國家相關標準、規范進行設計、施工、監理和維護管理，是預防和延緩鋼筋銹蝕的重要手段，同時也是保證結構使用安全和耐久性的前提和基礎。

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