淺析鋼筋混凝土在工程中的銹蝕與防護

王子安，謝東呈，李兆燦

山東科技大學

淺析鋼筋混凝土在工程中的銹蝕與防護

王子安，謝東呈，李兆燦

山東科技大學

文章提出鋼筋混凝土發生銹蝕主要是由于混凝土的碳化和氯離子的影響，分析并闡述了在一般及海洋環境下，鋼筋混凝土銹蝕開裂的發展過程，進而對鋼筋混凝土的銹蝕提出了一些防治措施。

鋼筋混凝土；混凝土碳化；氯離子侵蝕；防治措施

1　引言

鋼筋混凝土是在工程中被廣泛使用的材料，有著原料來源廣泛、價格低廉、結構輕質耐用、施工工藝成熟等特點，但其銹蝕一直是一個困擾人們的問題。據不完全統計，每年因鋼筋混凝土銹蝕直接造成的經濟損失就達國民生產總值的1.25%，因鋼筋混凝土銹蝕造成的工程事故更是頻發，給人們的人身和財產安全帶來了巨大的威脅。研究鋼筋混凝土的銹蝕機理，從各個方面進行防治，因而具有極大的學術價值和現實意義。

2　鋼筋混凝土銹蝕的機理

（1）混凝土的碳化

由于混凝土本身是弱堿性的，其PH值在12-13，能使鋼筋處于一個鈍化的狀態，起到一個保護層的作用。空氣中的CO2滲透到混凝土內，會發生一個化學反應，過程如下：

Ca（OH）2+CO2=CaCO3+H2O.

這就是混凝土的碳化作用。它會降低混凝土的堿性，使間隙中的氯離子的含量大大增加，加大鋼筋在空氣中銹蝕的程度。

（2）氯離子的侵蝕

氯離子是通過摻加含氯鹽外加劑混入或者混凝土的宏觀、微觀空隙進入的。它會降低混凝土的堿性，破壞鋼筋表面的鈍化膜，還會對暴露的鐵基體形成腐蝕電池，形成電化學反應，對鋼筋的危害極大，同時產生陽極去極化作用。在鋼筋銹蝕過程中，氯離子在加速銹蝕速度時并不被消耗，一直參與破壞作用，增強混凝土的導電性，與水泥作用加劇鋼筋銹蝕。如何減少混凝土中游離氯離子以減緩鋼筋銹蝕，是當前的一個重要課題。

一般來說，混凝土碳化是鋼筋腐蝕的前提條件。鋼筋混凝土的銹蝕還與水泥的品種和摻和料、混凝土的密實性和保護層厚度、混凝土液相PH值等因素有關。

3　鋼筋混凝土銹蝕的發展過程

鋼筋混凝土保護層的開裂是鋼筋混凝土破壞的主要原因。鋼筋銹蝕會使自身的體積增大1-5倍，當混凝土膨脹時產生的拉應力大于混凝土的抗拉強度時，混凝土表面便會出現裂縫。內部的鋼筋的布設和受力形式主要有箍筋和縱筋。箍筋主要是承受剪力，使構件滿足斜截面抗剪強度，并聯結受力主筋和受壓區混凝土使其共同工作；縱筋一般就是指縱向的鋼筋，指與梁跨度平行或柱身平行的鋼筋。

（1）先是箍筋銹蝕較快，隨著箍筋銹蝕處體積的不斷增大，混凝土將產生銹脹應力，使銹蝕處應力較為集中，并逐漸向四周擴展，當混凝土的銹脹應力大于混凝土的抗剪強度時，表面出現初始裂紋，但此時的裂紋還屬于初始裂紋，肉眼無法看到。

注：傳統意義上的結構開裂指的是混凝土表面的裂縫是清晰可見的，但實際上初始裂紋的出現便說明混凝土已經開裂了。

（2）之后是縱筋的銹蝕，這時的混凝土表面裂紋開始貫通，并且失去了箍筋的支承作用，箍筋的銹蝕程度大大加快，保護層出現剝落，結構最終破壞。

一般來說，海洋環境條件下服役的鋼筋混凝土結構的水平承載性狀具有明顯的時變效應，暴露條件越惡劣，其時變效應越明顯。隨著暴露時間的延長，抗剪性能和抗彎性能都有下降，對比結構剪矩和彎矩，暴露時間對水平位移的影響更加明顯。

4　鋼筋混凝土銹蝕的防治.

隨著現代科技的發展，人們急于尋找更加安全實用的新型建筑材料來滿足不斷增長的建筑材料需求。鋼筋混凝土雖易銹蝕，但其高強耐用的工作性能和方便實用的經濟性能仍被人們所看好。漸漸地，改良型混凝土出現在了人們的面前，人們發現，在施工和維護中通過改善配比和添加外加劑的方法，可以有效消除氯離子帶來的不利影響，緩解混凝土碳化，因而成為了改善混凝土的有利手段。

（1）配制混凝土時，根據建筑物的地理環境以及氣候環境，選用合適的水泥品種。比如說，對于有蒸氣養護的構件或地下工程以及海中工程選用粉煤灰水泥，有凍融和干濕作用的海港工程或水利工程選用抗硫酸鹽硅酸鹽水泥，等。

（2）外加劑的使用，可以根據不同的需求選擇不同的品種。混凝土外加劑主要包括：粉煤灰等改善混凝土密實性的礦物摻和料；亞硝酸鹽類無機阻銹劑；新型有機高分子阻銹劑，如橡膠集料等。

①摻入一定量的粉煤灰。粉煤灰浸水后的PH大于7，一方面能與氯離子發生化學反應，同時還會填滿混凝土的孔隙，改善混凝土的顆粒級配，使雜質難以進入，減緩混凝土的銹蝕。

②摻入足量的NO2-，能夠加快混凝土表面鈍化膜的形成，形成保護層，進而起到阻銹作用，工程上可摻入足量的NaNO2。若摻入NO2-過少，其本身為酸性物質，會加速鋼筋銹蝕，因而應該慎重使用。一般來說，對于含碳量低、原電池反應較不活躍的鋼筋，Na-NO2阻銹作用較大；對于含碳量高、原電池反應活躍的鋼筋，NaNO2加速銹蝕的作用較大。

③新型有機高分子阻銹劑尚處于起步階段。目前使用較廣泛的是橡膠集料，這種材料和粉煤灰一樣，會充滿混凝土的空隙，減緩雜質侵入。如何選用合適的阻銹劑減緩銹蝕，也是當前的一個重要的研究方向。

④盡量減少鋼筋中的碳原子含量。低碳鋼的使用，不僅會加強結構的堅固程度，也會降低鋼筋的銹蝕速率

（3）在混凝土表面添加保護層。目前使用較廣泛的是環氧樹脂。環氧樹脂作為防腐蝕材料不但具有密實、抗水、抗滲透好、強度高等特點，同時具有附著力強，常溫操作，施工簡便等良好的工藝性，而且價格適中。當混凝土受侵蝕較嚴重時，可將該部分鑿除，徹底清理內部的雜質，并用環氧基液填補。當鋼筋混凝土所處環境較潮濕且易腐蝕時，建議直接涂上環氧基液做保護層。

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