混凝土中鋼筋銹蝕與結構耐久性相關情況研究

(重慶交通大學 重慶 400074)

一、引言

鋼筋混凝土工程作為世界上應用最為普遍、范圍最廣的結構形式,其混凝土中鋼筋銹蝕導致結構物破壞或失穩的問題，已成為當今世界土木工程界普遍關注的重大課題。

二、混凝土中鋼筋銹蝕對結構耐久性的影響

近年來，建筑行業飛速發展，鋼筋混凝土結構被大量使用，所以結構的耐久性越來越被關注，其中鋼筋銹蝕更是首要關注的問題。鋼筋銹蝕對結構損壞大致的分為三個階段，第一階段是銹斑、銹片偶現在鋼筋表面的局部地方；第二階段是整體鋼筋外部都銹蝕了，并且發生膨脹形式，與保護層逐漸脫離開，產生層裂現象；第三階段表現為鋼筋銹蝕并且進一步膨脹，混凝土構件本身發生破壞，出現順著鋼筋方向脹裂現象，混凝土逐漸與鋼筋脫離，最后鋼筋還在不斷銹蝕，其有效面積逐漸減少，結構構件自身的承載力不斷減少，直到鋼筋混凝土構件喪了失承載的能力。據資料表明，在我國內，由于鋼筋銹蝕致使結構耐久性減少而倒塌的民用建筑中不在少數。

大致來說，鋼筋的銹蝕對混凝土結構力學方面的影響主要體現在三方面[1～3]：(1)對于鋼筋，鋼筋銹蝕減小了鋼筋的有效截面，改變了鋼筋力學性能，降低了鋼筋的剛度，增大了變形，從而改變了破壞模式。(2)對于混凝土，鋼筋銹蝕形成了銹脹應力，體積增至原來的2-4倍，銹脹開裂，最終導致保護層混凝土剝落，受拉區混凝土面積的減少,使參與受拉的混凝土減小和縱向受拉鋼筋中的應力變得均勻，受壓區混凝土的減少,使受壓區有效受壓高度減少，導致混凝土有效面積減小，降低了結構的承載力。(3)對于鋼筋混凝土結構，進一步的腐蝕導致鋼筋尺寸的顯著減小，這反過來加寬了混凝土覆蓋層中的裂紋，并因此降低了混凝土結構件的粘結應力，即粘結的殘余強度和彎曲強度，最終導致延性破壞轉變為不明顯的脆性破壞[4]。這三方面影響嚴重危害到結構的耐久性，降低建筑物的使用壽命。因此了解鋼筋銹蝕的機理和采取必要的防治措施是很重要的。

三、混凝土中的鋼筋銹蝕機理

鋼筋表面發生的銹蝕分為化學銹蝕和電化學銹蝕，化學銹蝕是銹蝕沒有電子的流動，鋼筋表面與氣體或介質溶液接觸發生的銹蝕，這只是銹蝕現象的一小部分。而化學銹蝕是鋼筋表面與銹蝕介質發生電化學反應而引起的銹蝕，并且絕大部分銹蝕都屬于電化學銹蝕。研究表明[5～6]，該鈍化膜中含有大量Si-O，可以有效阻隔鋼筋和外界物質接觸，這正是混凝土中的鋼筋在正常情況下不受腐蝕的主要原因。但是這種鈍化膜只能高堿環境下產生，如果PH值降到11.5左右，鈍化膜就會位于活性狀態，性狀不再穩定；當PH值降低到9-10，鈍化膜被完全破壞，不起作用，鋼筋沒有介質與阻隔，銹蝕就有條件發生[7]。

所以分析混凝土堿性降低就成為了關鍵的步驟，查閱大量相關資料，了解到混凝土堿性降低的情況主要是由兩種原因引起的(1)混凝土發生碳化(2)氯離子侵蝕。就是當混凝土碳化程度達到一定量值時，就使得鋼筋鈍化膜周圍的混凝土堿性降低，鈍化膜就會遭到破壞，如果此時鋼筋表面存在水分和氧氣，則鋼筋表面將發生電化學反應。導致鐵銹體積膨脹,對周圍混凝土產生壓力,將使混凝土沿鋼筋方向開裂,使保護層逐漸脫落,而裂縫及保護層的脫落又進一步導致更劇烈的銹蝕。

四、鋼筋銹蝕影響因素和防治措施

根據鄭州大學的尚琛煦等人的研究[5～6]，表明鋼筋銹蝕影響因素有：鋼筋材質，鋼筋應力狀態，水泥品種，混凝土密實度，裂縫對鋼筋腐蝕的影響，混凝土中性化(碳化)，氯離子含量，保護層厚度，濕度等。基本原理如下：

鋼筋的材質對銹蝕產生的影響是由于鋼筋的不均勻性會導致電位差和形成腐蝕電池，從而也是銹蝕產生的一個有利條件[8]。

水泥品種就是水泥的組成成分的不同對銹蝕也有一定的影響，同一環境中，混凝土強度等級越低，鋼筋銹蝕越嚴重。

混凝土的碳化是指大氣中的CO2不斷的向混凝土內部擴展，與混凝土中的碳水化合物發生化學反應的過程，破壞了鋼筋的鈍化保護膜。

環境溫度、濕度因素。當溫度小于10℃時，銹蝕的反掌速度緩慢。研究表明，濕度越大，鋼筋銹蝕越快。

混凝土的組成成分在一定的情況下也是影響鋼筋銹蝕的因素?；炷恋拿軐嵍仍礁?，鋼筋的銹蝕就會相對慢一些。

鋼筋混凝土中的外部添加劑也是影響鋼筋銹蝕的一個關鍵。摻入外加劑，可以有效的提高極化電阻，降低銹蝕電流和銹蝕速率。

保護層厚度越厚越可以阻止外界腐蝕介質的滲入，氧氣和水的滲透路徑越長，開始銹蝕的時間越晚，銹蝕速度越慢[9]。

因為鋼筋銹蝕是多因素綜合作用的結果，所以防止鋼筋銹蝕也須從多方面考慮。鋼筋銹蝕的預防措施主要有常規措施和特殊措施兩類。

設計時采取的措施：首先應充分考慮護筋措施,盡可能增加保護層厚度。在結構選型和細部設計時,應盡量在混凝土面上的接縫和密封處做好排水措施、減少其受潮和潮濕的表面積。

施工時采取的措施：做好鋼筋的存放處理，注意防水防潮，當出現銹蝕時，應進行防銹處理，若銹蝕嚴重則報廢處理。

特殊措施是當設計有誤，或環境原因，即常規措施不能起到保護作用時所采用的，包括以下等措施：(1)采用耐銹蝕鋼筋。(2)采用靜電噴涂粉末環氧樹脂鋼筋。(3)在混凝土拌合物中摻阻銹劑。(4)采用陰極保護措施。(5)在構件表面涂覆蓋層。

五、結論與展望

綜上所述，可知鋼筋銹蝕會降低混凝土結構的耐久性，給混凝土建筑物帶來嚴重的危害，但在實際的建筑施工中，根據鋼筋銹蝕的機理和影響鋼筋銹蝕的多種因素，采取科學的防銹措施是能夠防止和推遲混凝土中的鋼筋銹蝕，從而提高混凝土的使用性和耐久性。因此，在未來我們可以多關注于防銹新材料的研究，和施工控制管理的增強，盡量減少銹蝕的發生，增強結構的安全性，避免人員傷亡和經濟的損失。