混凝土中鋼筋銹蝕與結(jié)構(gòu)耐久性研究

王 瑋

（南京市公共工程建設(shè)中心，江蘇 南京210019）

1 研究背景

建筑構(gòu)件的功能和特性主要包括其安全特性、通用特性以及結(jié)構(gòu)的耐久程度等三個主要層面。這當中耐久程度有關(guān)的要求是指在正常維護條件下結(jié)構(gòu)不發(fā)生嚴重的風化、腐蝕、脫落、碳化，鋼筋不發(fā)生銹蝕等[1-2]。由于結(jié)構(gòu)的耐久性不足而造成混凝土結(jié)構(gòu)的失效已成為實際工程中的重要問題。各種因素對混凝土耐久性的影響程度是不同的。在某年的第2屆世界水泥混凝土結(jié)構(gòu)的耐久程度國際討論大會上，世界知名學者梅塔博士（P.K.Mheta）把影響混凝土耐久性的因素按如下因素進行了排列：鋼筋銹蝕、凍融破壞和可能出現(xiàn)侵蝕的外部環(huán)境帶來化學以及物理方面的效應。國際上以及國內(nèi)建筑領(lǐng)域的水泥混凝土結(jié)構(gòu)的耐久程度相關(guān)的調(diào)查報告指出，鋼筋部位出現(xiàn)銹蝕屬于鋼筋水泥混凝土結(jié)構(gòu)的耐久程度受到削弱以及破壞的最重要的原因之一。

2 鋼筋部分發(fā)生銹蝕現(xiàn)象的原理

2.1 銹蝕現(xiàn)象發(fā)生的原理

我們分析金屬材料發(fā)生腐蝕現(xiàn)象的各種原理，發(fā)現(xiàn)可以將其劃分為化學方面的腐蝕以及電化學方面的腐蝕現(xiàn)象兩大種類。一般狀態(tài)之下，電化學方面的腐蝕現(xiàn)象要比化學方面的腐蝕現(xiàn)象發(fā)展的速度快得多，同時發(fā)生的場合也更加普遍，對于建筑結(jié)構(gòu)造成的危害也就更大。水泥混凝土的構(gòu)件中鋼筋部位發(fā)生腐蝕現(xiàn)象通常是金屬鐵和電解質(zhì)間發(fā)生了相互作用，是一種電化學方面的腐蝕現(xiàn)象。

電化學方面的反應的出現(xiàn)需要滿足如下4大條件：

（1）鋼筋具有電化學特性的不均勻特征，即為電位負值陽極（A）與電位正值的陰極（K）間存在著電位差值△V。

（2）陽極區(qū)位置和陰極區(qū)位置間，電解質(zhì)的R值比較小。

（3）陽極區(qū)位置的鋼筋處在活化情況下，鋼筋容易發(fā)生氧化反應，也就是鐵離子變成Fe2+，并且放出電子，陽極PA數(shù)值比較小。

（4）陰極區(qū)位置，鋼筋表面的電解質(zhì)的氧化劑比較充足，可與陽極區(qū)位置的自由電子發(fā)生反應，生成OH-，也就是發(fā)生了氧的還原反應，此時的陰極PK數(shù)值比較小。

此時鋼筋表面位置處的電化學方面的腐蝕現(xiàn)象對應的反應方程式為：

陽極區(qū)，鐵被腐蝕，反應的化學方程式為：

在陰極區(qū)是氧和水吸取電子的過程：

陰陽極共同反應的結(jié)果是：

鋼筋部分發(fā)生銹蝕的產(chǎn)物為Fe（OH）3，其發(fā)生失水反應變成了Fe2O3，該物質(zhì)即為俗稱的“鐵銹”。在鋼筋部位表層出現(xiàn)，鐵銹的體積有可能為原來鐵材質(zhì)的3-5倍，伴隨的膨脹應力為45-75兆帕，能夠?qū)⑺鄵伍_，鋼筋部分直接和外部環(huán)境發(fā)生接觸，氧氣與水份，也會加速鋼筋部分發(fā)生銹蝕現(xiàn)象的速度，進而使得鋼筋的力學性能下降甚至完全失效。

通常情況，水泥混凝土為堿性，其pH值在12上下。在此環(huán)境中，因為電化學方面的效應，使得鋼筋材料的表層出現(xiàn)了一層致密的尖晶石固溶體為主的薄膜，其厚度數(shù)值約為1.5×10-8毫米。其吸附在鋼筋材質(zhì)的表層，阻礙陽極反應。如果鋼筋材質(zhì)的表層薄膜出現(xiàn)破壞的情況，鋼筋部分才有可能發(fā)生銹蝕的現(xiàn)象，水泥混凝土內(nèi)部的鋼筋部分發(fā)生銹蝕現(xiàn)象能夠劃分為3個主要過程：

（1）水泥混凝土的外層出現(xiàn)了碳化現(xiàn)象，鋼筋材料表層的鈍化膜缺損。

（2）氧氣以及水汽等介質(zhì)經(jīng)過水泥混凝土滲透至鋼筋材質(zhì)的表層部位。

（3）鋼筋材質(zhì)的表層出現(xiàn)了電化學方面的腐蝕現(xiàn)象。

氯化物屬于鋼筋材料銹蝕過程的一類活性物質(zhì)，具備極高的吸附能力，如果水泥混凝土結(jié)構(gòu)中的pH值大于12.5的時候，鋼筋材質(zhì)表層的鈍化膜部分就會出現(xiàn)破壞的情況[3]。

2.2 鋼筋水泥混凝土結(jié)構(gòu)中氯離子的侵蝕原理

通常來講，氯化物針對鋼筋水泥混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的混凝土以及鋼筋材質(zhì)均有較強的腐蝕能力，因此長時間處于氯化物濃度較高的環(huán)境中，鋼筋水泥混凝土結(jié)構(gòu)的各項指標將顯著下降[4]。研究表明，鋼筋材質(zhì)的周邊混凝土孔隙液內(nèi)的氯離子處于某個臨界數(shù)值的情況下，氯離子更易滲入到鋼筋結(jié)構(gòu)的鈍化膜并且和鐵離反應形成二價鐵和氯化物的復合產(chǎn)物。這時鋼筋材質(zhì)周邊的水泥混凝土孔隙液依然具有比較高的堿性，鋼筋表層的鈍化膜也遭到破壞。因此，氯鹽屬于一種嚴重威脅鋼筋水泥混凝土結(jié)構(gòu)安全的危險物質(zhì)，必須嚴格限制鋼筋水泥混凝土結(jié)構(gòu)中氯鹽的組成成分并且阻止外部氯離子入侵。

氯離子對于鈍化膜的破壞原理，某學者提出了氯離子與氫氧根爭奪腐蝕過程中生成的鐵離子，生成易溶解的4FeCl2·4H2O，其為淺綠藍色的物質(zhì)，俗稱綠銹。綠銹從陽極區(qū)域向水泥混凝土孔隙液方位移動，生成Fe（OH）2，俗稱褐銹。褐銹在陽極區(qū)域沉積，生成氫氧根以及氯離子，它們返回陽極區(qū)域，造成陽極區(qū)域酸化，氯離子帶出更多的2價鐵離子。此時氯離子屬于加速腐蝕現(xiàn)象的中反應產(chǎn)物，對腐蝕現(xiàn)象起到催化劑的效果。化學反應方程式為：

對于非均勻材質(zhì)的鋼筋水泥混凝土，在很小的鋼筋材質(zhì)的表層上，混凝土孔隙的氯化物的濃度相對比較高，造成鋼筋材質(zhì)表層的鈍化膜受到局部的破壞，形成比較小的陽極。鋼筋表層的多數(shù)面積依舊覆蓋著鈍化膜組織，形成比較大的陰極。由比較大的陰極和比較小的陽極構(gòu)成的腐蝕反應的電偶，因為大陰極位置的氧氣量足夠，小陽極部位的鐵材質(zhì)快速溶解出現(xiàn)深坑，比較小的陽極出現(xiàn)酸化反應，比較大的陰極發(fā)生相應的反應，使得孔隙液的pH值增大。氯化物的存在加強了鋼筋水泥混凝土的吸濕的能力，使水泥混凝土空隙液位置處的阻值下降。上述發(fā)生局部腐蝕的電偶結(jié)構(gòu)將會以局部推進的模式進行，這類局部的腐蝕即為點腐蝕或者坑腐蝕。點腐蝕對于斷面面積比較小、應力數(shù)值比較高同時又比較脆弱的預應力鋼筋的危害性較強，尤其是預應力數(shù)值較大的強鋼絲材質(zhì)[5]。假如鋼筋水泥混凝土中包含均布的游離形式的氯離子，并且保護層又相對比較薄，氧氣容易到達鋼筋的表層，這樣鋼筋表層就能夠大范圍的發(fā)生氯離子去鈍化的化學反應，任其發(fā)展能夠造成很多點蝕坑的增大及融合，進而導致大范圍的腐蝕發(fā)生。

3 水泥混凝土內(nèi)部的鋼筋銹蝕機理研究

水泥混凝土內(nèi)部鋼筋出現(xiàn)銹蝕狀況，通常狀況下都屬于電化學銹蝕，CO2與氯離子都是水泥混凝土內(nèi)部鋼筋鈍化膜遭到損壞的最關(guān)鍵及最普遍的介質(zhì)環(huán)境，所以水泥混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕機理一般有兩大類：水泥混凝土碳化及氯離子的進入。水泥混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕是在有水分子參與的條件下發(fā)生的。在O2與H2O的共同反應下，逐步發(fā)生非常嚴重的腐蝕化學反應，導致水泥混凝土表面出現(xiàn)開裂狀況。

4 鋼筋銹蝕的原因及防銹解決方案

4.1 鋼筋銹蝕的原因

混凝土內(nèi)部鋼筋發(fā)生銹蝕是由很多原因引起的，當中有外部原因也有內(nèi)部原因，外部原因指的是環(huán)境條件，內(nèi)部原因指的是混凝土及鋼筋實際工況，分析如下。

4.1.1 鋼材

鋼材品質(zhì)優(yōu)異，金相構(gòu)造符合行業(yè)相關(guān)法規(guī)及標準，那么鋼筋就具備良好的防銹性能。如果使用耐磨蝕性能優(yōu)異的鋼筋，就能夠防止銹蝕的產(chǎn)生，但是因為經(jīng)濟等層面的因素，到現(xiàn)在未能實現(xiàn)[6]。

4.1.2 鋼筋內(nèi)應力

鋼筋內(nèi)應力對于其銹蝕的制約是非常明顯的。此類內(nèi)應力腐蝕性遠高于一般腐蝕反應，破壞性極大。通常來講，鋼筋的內(nèi)應力腐蝕分成兩個周期，即裂縫及局部電化學腐蝕。鋼筋內(nèi)應力如圖1所示。

圖1 鋼筋內(nèi)應力

4.1.3 水泥品種

堿含量較低的水泥混凝土原材料，比如礦渣混凝土，因為混凝土碳化速率非常快，所以鋼筋腐蝕的程度就隨之加重。

4.1.4 水泥混凝土緊密程度的制約因素

密實性能優(yōu)異的混凝土具有優(yōu)良的抗?jié)B能力，能夠行之有效地防止鋼筋銹蝕狀況的產(chǎn)生。

4.1.5 水泥混凝土裂縫的制約因素

混凝土出現(xiàn)裂縫會導致其滲透性能降低，加快混凝土侵蝕物質(zhì)及碳化的浸入，導致鋼筋出現(xiàn)比較嚴重的腐蝕現(xiàn)象。水泥混凝土裂縫如圖2所示。

圖2 水泥混凝土裂縫

4.4.6 水泥混凝土內(nèi)部氯離子占比的制約因素

氯離子對于混凝土內(nèi)部鋼筋的腐蝕起到加速作用。當混凝土內(nèi)部氫氧離子與氯離子的比例大于0.52的時候，鋼筋就會出現(xiàn)腐蝕的現(xiàn)象。

4.1.7 水泥混凝土保護層厚度的影響

在相同環(huán)境下，保護層越厚，鋼筋的腐蝕程度就越輕。

4.2 防止鋼筋銹蝕以及提升耐久性能的方法

鋼筋出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象是由多種因素造成的。所以，為了預防鋼筋產(chǎn)生銹蝕就需要由多方面著手，結(jié)合工程實際，具體可以從以下幾個方面入手。

4.2.1 設(shè)計時采取的措施

在結(jié)構(gòu)選型和細部設(shè)計時，應最大限度地降低潮濕的表面。構(gòu)件的外形不允許奇特、過薄及帶銳棱，并且此類區(qū)域及構(gòu)件的單薄區(qū)域必須完全避開干濕交替及飛濺的區(qū)域。

4.2.2 混凝土保護層的質(zhì)量及厚度

混凝土的抗?jié)B性好可降低碳化速率和有害離子侵蝕速度，合理厚度能夠暫緩離子侵入至鋼筋表層的時間。能夠使用全方位養(yǎng)護、侵入離子極限數(shù)值及高水泥實際使用量等方法來實現(xiàn)。

4.2.3 水泥種類、攪拌料及外添加試劑

當水泥混凝土內(nèi)部混有自然火山灰、粉塵煤灰、礦物渣質(zhì)以及硅灰等礦物質(zhì)混合材料用來替代使用混合材質(zhì)的硅酸鹽水泥以某些硅酸鹽水泥，因為此類化學元素與水泥的水化物氫氧化鈣進行化學反應產(chǎn)生凝膠體的進程比水泥水化反應要緩慢很多。所以，和28天強度等級與工作度都一致的基本水泥混凝土進行比較，其前期強度偏低，緊密性能較差及易干枯萎縮。所以在考慮鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性時，應對水泥品種進行篩選。

4.2.4 使用抗銹蝕性強的鋼筋

使用耐銹蝕鋼筋能夠大幅提升混凝土的耐久能力，根據(jù)相關(guān)試驗得出，不銹鋼以及鎢合金鋼在外部侵入離子的作用下表現(xiàn)出優(yōu)異的防銹能力。然而因為經(jīng)濟等原因，現(xiàn)階段極少有關(guān)于耐銹蝕鋼筋在使用層面的科研報道[7]。

4.2.5 使用靜電噴涂樹脂型鋼筋

靜電噴涂粉塵樹脂型鋼筋，因為進行徹底的除銹及樹脂均勻涂抹，熱溶固化反應快速、均勻及徹底，可使鋼筋環(huán)境侵蝕介質(zhì)（CO2、Cl-、O2和H2O等）完全隔離，具備非常優(yōu)異的耐腐能力。

4.2.6 向水泥混凝土攪拌物內(nèi)添加阻銹劑

鋼筋阻銹劑（見圖3）指的是添加在水泥混凝土攪拌物內(nèi)借助單分子的化學裂變防止鋼筋表層陰極或者陽極進程的一類外部添加試劑[8]。其通常使用在防止鹽污染水泥混凝土導致的鋼筋銹蝕現(xiàn)象，特點是應用便利，不需要特殊維護，能夠均勻分布在全部混凝土體內(nèi)，不但能集中在混凝土防護層，并且造價低廉。

圖3 鋼筋阻銹劑

4.2.7 使用陰極保護方式

鋼筋銹蝕一般指的是電化學的腐蝕。因為鋼筋的陰極區(qū)不能發(fā)生腐蝕，如果將鋼筋的全部陽極換成陰極，鋼筋就不會出現(xiàn)銹蝕。借助增加陰極的電流值，導致鋼筋電位轉(zhuǎn)移至比原陽極更負的電流位置，那么鋼筋就會只吸入電子而不排放電子，再也不會排放鐵離子。使用此類電化學法達成鋼筋的防保，即為鋼筋水泥混凝土的陰極保護方法。陰極保護法適合水泥混凝土碳化導致的鋼筋銹蝕狀況，也適合于氯化物污染導致的鋼筋銹蝕狀況。

4.2.8 向構(gòu)件表層涂抹覆蓋物

根據(jù)鋼筋銹蝕原理得出，混凝土氯離子滲透及碳化是導致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋鈍化膜破壞的主要因素。在其表層涂抹各類保護層，使混凝土構(gòu)造和環(huán)境侵蝕物質(zhì)徹底分離，進而起到防銹的作用。

5 結(jié)束語

鋼筋出現(xiàn)銹蝕是制約水泥混凝土結(jié)構(gòu)安全性的關(guān)鍵因素，本文針對鋼筋銹蝕現(xiàn)象進行了較為全面的討論。總結(jié)給出了鋼筋銹蝕機理，主要從電化學反應展現(xiàn)鋼筋的銹蝕過程。在此基礎(chǔ)上，通過文獻調(diào)研及結(jié)合自身的工作經(jīng)驗給出了影響鋼筋銹蝕的主要因素，包括：鋼的材料性質(zhì)、鋼的應力、水泥種類、混凝土氯離子占比的因素及保護層間距的影響等七個方面。并且通過影響鋼筋銹蝕原因的分析給出了預防鋼筋銹蝕及提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的一些方法，包括：在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時采取一定的措施、控制混凝土保護層的質(zhì)量及厚度、選擇合適的水泥品種及混凝土添加劑。