鋼筋銹蝕引起混凝土保護層脹裂事故分析

王晨陽

（中鐵建設集團有限公司，北京 100040）

0 引言

隨著施工企業從規模化發展逐步向創品牌方向演變，工程質量的優劣已成為最重要的市場競爭力，且是企業的生存命脈。近年來，影響結構耐久性的質量事故頻發，不僅關系到施工企業的生死存亡，更給業主的生命財產安全帶來了巨大損失。鋼筋銹蝕導致混凝土保護層脹裂，是影響結構耐久性的重要因素，本文通過對某工程地下結構保護層大面積脹裂事件的調查、分析、處理、總結，從不同角度闡述了鋼筋銹蝕的原因和機理，并對避免鋼筋銹蝕的預控措施進行總結。

1 工程實例

某工程地處江蘇省徐州市，始建于 2007-2009 年， 總建筑面積為 41 萬 m2，車庫總建筑總面積 4.5 萬 m2，結構形式為鋼筋混凝土框架結構。建筑結構安全等級為二級，防火分類為一類，耐火等級為一級，抗震設防烈度為 7 度，結構設計使用年限為 50 年。地下室混凝土強度 C30，地下室框架梁柱鋼筋保護層厚度 35 mm，墻板混凝土保護層厚度 25 mm。

2017 年，地下車庫及主樓地下室開始陸續出現大面積混凝土保護層脹裂現象，分布在柱側、板底、梁底、墻面等部位。主要為兩種情況，情況一為嚴重脹裂，即耐水膩子脫落或空鼓開裂，銹蝕鋼筋外露，如圖 1、圖 2 所示；情況二為一般脹裂，即耐水膩子輕微的開裂，鏟掉膩子，剔除混凝土保護層，發現內部鋼筋已銹蝕，如圖 3、圖 4 所示。立即組織相關結構專家進行現場勘察，對結構實體質量進行現場檢測，并委托第三方試驗室對結構強度、混凝土中氯離子含量進行取樣復試。

圖1 銹脹（情況一）

圖2 清理后（情況一）

圖3 銹脹（情況二）

圖4 清理后（情況二）

2 原因分析

通過現場勘察，剔除脹裂部位混凝土保護層，發現內部鋼筋銹蝕嚴重，基本確認保護層脹裂為混凝土內部鋼筋表層發生電化學反應后銹蝕膨脹導致，如圖 5 所示。

圖5 鋼筋銹蝕

2.1 理論分析

混凝土為高堿性物質（pH 至約為 13），鋼筋在高堿性環境下表面會形成氧化鐵鈍化膜，厚度約為 200～600 nm。鈍化膜為致密、穩定的共格結構，水和氧氣無法滲入，內部無法形成腐蝕電池，確保鋼筋在未受外界因素影響下不會銹蝕。

鋼筋銹蝕從化學原理角度分析主要有兩方面原因，一是氯離子去鈍化和搬運作用，二是酸性物質（如二氧化碳）侵入，如圖 6 所示。

圖6 混凝土中鋼筋腐蝕機理

鋼筋銹蝕從施工角度分析主要有 5 方面原因，即結構裂縫、混凝土碳化深度大、混凝土中氯離子含量高、鋼筋保護層厚度小、混凝土密實性差。

1）結構裂縫。在荷載因素或非荷載因素（施工、構造和環境等）作用下，使結構構件產生裂縫，鋼筋表層鈍化膜遭到破壞，氧氣、水分和腐蝕性介質侵入，造成鋼筋銹蝕。調查表明，在潮濕環境中，裂縫寬度達到 0.2 mm 即可引起鋼筋銹蝕。

2）混凝土碳化。混凝土的多孔性構造，使其內部存在大小不同的毛細管、空隙、氣泡，具有一定的透氣性。混凝土硬化后，多孔性構造形成，空氣中 CO2順勢借助其構造特點侵入內部，與堿性化合物有效結合后生成鹽和水：Ca（OH）2+CO2=CaCO3+H2O，使混凝土 pH 值下降，表面碳化。當保護層混凝土完全碳化后，高堿性條件下形成的鈍化膜即遭到破壞，此時氧氣、水分和腐蝕性介質侵入，致使鋼筋逐步銹蝕。

3）氯離子含量。氯離子是混凝土中的腐蝕性有害因子，高性能陽極活化劑，主要存在于水泥、海砂、水和外加劑等原材料中，相對于OH-、O2- 等其他陰離子，其優先被吸附性更強。當氯離子擴散至鋼筋表層鈍化膜附近時將被吸附，使周邊 pH 值降低，逐步侵蝕破壞鈍化膜，當氯離子含量達到一定濃度時，所形成的的氯化物將直接造成鋼筋銹蝕［1］。

4）鋼筋保護層厚度。混凝土保護層是指結構構件中，最外層鋼筋的外緣至混凝土表面之間的混凝土層，具有防止鋼筋受到空氣、水和腐蝕性介質侵襲的作用。當鋼筋混凝土保護層厚度過小時，宜產生結構裂縫、露筋等情況，此時將降低保護層的防護作用，增大鋼筋銹蝕概率［2］。

5）混凝土密實性。結構強度對鋼筋銹蝕的影響因素主要為混凝土密實度。混凝土澆筑過程中由于震搗不到位，產生露筋、蜂窩、麻面等情況，使得混凝土內部結構質地松散，孔隙較多，空氣中的 H2O、CO2及其它腐蝕性介質可直接與鋼筋表面接觸，并與之發生化學反應，導致鋼筋電化學腐蝕［3］。

2.2 現場檢測

現場對外部環境、內部實體質量情況進行了全面詳細的勘察檢測，結果如下。

1）地下室環境潮濕，空氣流通性差，排風系統常年處于關閉狀態。

2）車庫框架梁、板、柱未進行抹灰施工，混凝土飾面層只有一道膩子涂料。

3）現場對問題區域混凝土強度進行回彈檢測，強度滿足設計要求，但碳化深度過大，部分大于保護層厚度。

4）現場對問題區域構件飾面層進行剔除，發現部分構件存在結構裂縫。

5）現場對問題區域鋼筋保護層厚度進行檢測，保護層厚度過小，不滿足設計及規范要求，部分區域露筋情況嚴重。

2.3 試驗室檢測

委托國家建筑工程質量監督檢驗中心對問題區域結構構件進行鉆心取樣，檢測混凝土強度，并對銹脹區域混凝土氯離子含量進行取樣檢測。

2.3.1 混凝土強度檢測結論

對 15 個混凝土芯樣進行抗壓強度成批推定，抗壓強度平均值為 53.3 MPa，標準差為 5.60 MPa，k1為 1.222，k2為 2.566，抗壓強度下限值為 38.9 MPa，上限值為 46.5 MPa，因上下限的差值大于 0.10fcu，cor，m， 應按單個進行評定，該批混凝土強度推定值為 45.8～65.9 MPa，均達到混凝土設計強度等級（C30）要求。證明混凝土質量合格，且未發生性質變化，非保護層脹裂原因。

2.3.2 混凝土中氯離子含量檢測結論

地下車庫構件混凝土氯離子占砂漿質量百分比為 0.023 %。因混凝土配合比相關資料缺失，無法獲得混凝土中凝膠材料與砂漿的材料質量比，因而無法準確得出氯離子占凝膠材料總量的百分比。依據經驗，常規 C30 混凝土中凝膠材料與砂漿的材料質量比不會小于 1/4，可知該混凝土中氯離子占凝膠材料總量的百分比不會超過 0.092 %，滿足 GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》［4］中室內干燥環境（環境類別為一類）規定的最大氯離子含量限值 0.30 % 的要求。因此，可以證明鋼筋銹蝕非氯離子化學反應造成。

2.4 綜合分析

通過現場勘察、實體檢測，并結合第三方檢測試驗結果進行綜合分析，該工程地下結構鋼筋保護層過小，碳化深度過大，使鋼筋表層鈍化膜遭到破壞；地下室環境潮濕、空氣流動性差，是形成鋼筋銹蝕的有利因素；且結構表面未進行抹灰施工，使空氣中的水分、氧氣和腐蝕性介質更易侵入混凝土內部，與鋼筋表層發生化學反應，最終造成鋼筋銹蝕，導致混凝土保護層大面積脹裂。

3 預防措施

為避免鋼筋銹脹問題的發生，施工過程中，需加強對結構裂縫、混凝土碳化深度、混凝土中氯離子含量、鋼筋保護層厚度、混凝土密實性的質量控制。交付使用后，需保證地下室環境干燥，通風良好。

1）混凝土原材料控制。通過對施工配合比調控，降低水膠比，添加減水劑和引氣劑，選用級配良好、含砂率低的骨料，改善成型混凝土內部物理構造，提高混凝土結構各項性能指標。

2）混凝土施工過程控制。施工過程嚴格落實關鍵工序管理，加強混凝土澆筑振搗、收面及養護措施控制，避免蜂窩、麻面等質量通病的產生，提高混凝土密實性。

3）鋼筋保護層厚度控制。鋼筋施工過程中，墊塊的材質、數量和分布要符合設計及規范要求，并加強定位筋的設置，混凝土澆筑過程中嚴格旁站。

4 結語

鋼筋銹蝕對混凝土結構耐久性影響極大，表觀現象為混凝土保護層脹裂，裝修飾面層脫落，內在現象為鋼筋截面減小、應力集中、橫肋銹損，嚴重降低結構耐久性，造成極大結構安全隱患。因此，在施工過程中需從方案設計、原材料檢驗、工藝質量控制、結果驗收等方面，嚴格把控。發現問題或隱患后，要綜合各種影響因素全面分析，科學有效地采取處理措施，最終達到保證結構安全、延長結構耐久性的目的。Q