淺談混凝土中鋼筋銹蝕機理及影響因素

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(大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024)

引言

鋼筋混凝土結(jié)合了鋼筋和混凝土的優(yōu)點，是工程中用量最大的建筑材料。雖然隨著結(jié)構(gòu)計算理論的提出和新型建筑材料的出現(xiàn)，將來還會出現(xiàn)很多新的結(jié)構(gòu)形式，但可以肯定的是，混凝土結(jié)構(gòu)仍然是最常用的結(jié)構(gòu)形式之一[1]。隨著鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的大量使用，其耐久性問題也逐漸暴露出來。鋼筋銹蝕帶來的耐久性問題不僅造成了大量的經(jīng)濟損失，還威脅到人們的生命安全。Mehta教授曾在《混凝土耐久性——五十年進展》報告中指出：“當今世界混凝土破壞的原因，按照重要性遞減順序排列是：鋼筋銹蝕、凍害、物理化學(xué)作用”[2]。

據(jù)估計，全世界混凝土結(jié)構(gòu)每年因鋼筋銹蝕引起的維護加固費用達1 000億美元[3]。例如，日本引以為豪的新干線，運行不到10年就出現(xiàn)了鋼筋銹蝕開裂、混凝土剝落等情況。英國為解決海洋環(huán)境下鋼筋混凝土構(gòu)筑物的腐蝕與防護問題，每年花費將近20萬英鎊[4]。我國因鋼筋銹蝕引起的耐久性問題同樣很嚴重，根據(jù)1999年底的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，僅1999年當年我國由于結(jié)構(gòu)老化造成的損失約為1 800～3 600億元，其中鋼筋銹蝕占40%，約為720～1 440億元[5]。

所以，有必要對混凝土中鋼筋的銹蝕機理及影響因素進行研究，從而更好地對混凝土的鋼筋銹蝕進行預(yù)測、預(yù)防及處理。

1 鋼筋銹蝕的機理

混凝土中水泥的水化產(chǎn)物中有20%～30%的氫氧化鈣，所以混凝土的孔溶液呈現(xiàn)堿性，pH值在12左右。在這種堿性環(huán)境下，鋼筋的表面會形成一層致密的鈍化膜。研究表明[6]，鋼筋的鈍化膜存在兩個pH臨界值，一個是pH=9.8，低于此值，鋼筋表面的鈍化膜不可生成；另一個是pH=11.5，當pH>11.5才能生成完整的鈍化膜。鋼筋的鈍化膜不破壞，即使在存在水和氧氣的情況下鋼筋也不會銹蝕。鋼筋鈍化膜的破壞主要有兩種途徑，一是混凝土碳化，二是氯離子擴散到鋼筋的表面。在一般的大氣環(huán)境下，鋼筋鈍化膜的破壞主要是由于混凝土碳化引起的。在海洋環(huán)境下，高濃度的氯離子會導(dǎo)致鈍化膜的破壞。

1.1 鈍化膜的破壞

混凝土碳化又稱為混凝土的中性化，是在有水存在的情況下，混凝土中水泥的水化產(chǎn)物與空氣中的二氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。具體反應(yīng)式如下：

CO2+H2O→H2CO3

(1)

Ca(OH)2+H2CO3→CaCO3+2H2O

(2)

由(2)式可知，由于氫氧化鈣參加反應(yīng)后變成碳酸鈣，生成物與反應(yīng)物相比密度變大，體積變小。因此，混凝土的碳化會引起混凝土的不可逆收縮，從而導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂紋，容易使有害離子進入混凝土內(nèi)部。有害離子可能會導(dǎo)致混凝土的鋼筋銹蝕。更嚴重的是，混凝土的孔溶液的初始pH值在12～13，碳化后的pH值為8～10，這致使鋼筋的鈍化膜破壞。

一般情況下，氯離子主要是通過擴散、滲透和毛細管吸附透過混凝土保護層，最后到達鋼筋位置。氯離子會使混凝土的pH值急劇下降，致使鈍化膜遭到破壞，而且氯離子對鈍化膜的破壞作用特別大。聞建[7]的研究表明，即使孔隙液的pH值保持在11.5以上，當鋼筋表面的氯離子含量增加到某一臨界值時，也具有局部破壞鈍化膜的能力。金偉良等[1]從4個方面總結(jié)了氯離子對鋼筋的腐蝕機理：①破壞鈍化膜，氯離子是很強的去鈍劑；②形成腐蝕電池，氯離子的點蝕使鋼筋表面形成小陰極大陽極，加快蝕坑的發(fā)展；③去極化作用，氯離子是腐蝕電池的催化劑，加速了腐蝕電池的進行；④導(dǎo)電作用，氯離子強化了離子通路，提高了腐蝕電池的效率。

1.2 鋼筋銹蝕

根據(jù)鋼筋所處環(huán)境的不同，可以將鋼筋銹蝕分為自然電化學(xué)銹蝕和雜散電流銹蝕。二者的相同之處是[8]：①腐蝕時發(fā)生的都是氧化還原反應(yīng)；②鋼筋銹蝕的發(fā)生必須具備3個條件：鋼筋表面存在電位差，構(gòu)成腐蝕電池；鋼筋的鈍化膜遭到破壞，處于活化狀態(tài)；鋼筋表面有電化學(xué)反應(yīng)和離子擴散所需的氧氣和水；③腐蝕產(chǎn)物相同；④都是一個電化學(xué)反應(yīng)。

鋼筋的鈍化膜因為混凝土的碳化被破壞。在有氧氣和水存在的情況下，鋼筋開始銹蝕。在一般的大氣環(huán)境下，鋼筋銹蝕時陰極和陽極發(fā)生的反應(yīng)如下：

陽極反應(yīng)：2Fe→2Fe2++4e-

(3)

陽極產(chǎn)生的電子通過鋼筋傳到陰極，而陽極產(chǎn)生的亞鐵離子通過水溶液向周圍擴散。

陰極反應(yīng)：O2+2H2O+4e-→4OH-

(4)

陰極反應(yīng)生成的OH-也向四周擴散，在陽極附近Fe2+與OH-相遇發(fā)生如下反應(yīng)：

Fe2++2OH-→Fe(OH)2

(5)

在氧氣量不足的情況下，反應(yīng)為：

6Fe(OH)2+O2→2Fe3O4+6H2O

(6)

當氧氣充足的情況下，F(xiàn)e(OH)2會進一步發(fā)生氧化反應(yīng)：

4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3

(7)

Fe(OH)3脫水生成紅色的鐵銹，即：

2Fe(OH)3→Fe2O3+3H2O

(8)

銹蝕產(chǎn)物疏松多孔，可以比原來鐵的體積膨脹2～4倍[8]。

在有氯離子侵蝕的混凝土機體中，氯離子的催化作用大大加速了鋼筋的銹蝕。具體反應(yīng)式如下：

Fe2++2OH-→Fe(OH)2

(9)

FeCl2+2H2O→Fe(OH)2+2HCl

(10)

4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3

(11)

2Fe(OH)3→Fe2O3+3H2O

(12)

4Fe(OH)2+O2→2Fe2O3+4H2O

(13)

除了自然電化學(xué)銹蝕外，雜散電流也可以使鋼筋銹蝕。這個因素開始并未引起人們的注意，研究也相對較少。隨著輕軌、地鐵等用電驅(qū)動的交通設(shè)施的快速發(fā)展，雜散電流對鋼筋銹蝕的影響越來越受到研究人員的重視。地鐵及輕軌是利用直流供電牽引驅(qū)動機車的軌道交通系統(tǒng)，列車走行的鋼軌是做直流回流用的，由于鋼軌與大地之間難以完全絕緣，因此會有部分直流回流經(jīng)鋼軌泄漏到隧道地下埋設(shè)的各類金屬管線和隧道本體結(jié)構(gòu)鋼筋上，這類電流稱為雜散電流[9]。其銹蝕機理為[8]：當電流從a點進入鋼筋混凝土?xí)r，鋼筋的電位高，鋼筋相當于得到電子，所以鋼筋為陰極；當電流離開混凝土?xí)r，相當于鋼筋失去電子，這時鋼筋為陽極，如圖1所示。

圖1 雜散電流進入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)[8]

雜散電流較小時不會引起鋼筋銹蝕，但是，當雜散電流的值超過0.6 mA/dm2時，腐蝕電流就會引起鋼筋的銹蝕?？刂齐s散電流的強度，能夠有效地控制鋼筋銹蝕[10]。

2 鋼筋銹蝕的影響因素

造成混凝土中鋼筋銹蝕的因素有很多，包括混凝土自身的原因，例如：混凝土裂縫、混凝土密實度、混凝土保護層厚度、水泥品種、混凝土施工中帶入的氯離子等?；炷了幍耐獠凯h(huán)境也會對混凝土中鋼筋銹蝕產(chǎn)生影響，例如：環(huán)境中氯離子含量、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、氧氣等。

2.1 內(nèi)部因素

內(nèi)部因素是指混凝土材料本身具有的可能影響鋼筋銹蝕的因素。

2.1.1 混凝土裂縫

混凝土裂縫的產(chǎn)生是由多種因素導(dǎo)致的，包括混凝土的干縮、外部荷載、混凝土施工質(zhì)量、堿骨料反應(yīng)、鋼筋銹蝕、養(yǎng)護不當?shù)取３Ａ⑿碌萚11]認為裂縫的寬度對鋼筋早期銹蝕的影響比較大，對鋼筋后期的銹蝕影響比較小。張平生[12]的研究發(fā)現(xiàn)混凝土表面的縱向裂縫對鋼筋銹蝕的影響要比垂直裂縫的大?；炷恋牧芽p給有害離子或氣體進入混凝土內(nèi)部提供了通道。可見一定寬度的裂縫加速了鋼筋的銹蝕。

2.1.2 混凝土的密實度

如果混凝土的密實度好，可以有效地防止或推遲鋼筋的銹蝕，因為密實度好的混凝土可以阻止侵蝕介質(zhì)滲入。良好的密實度可以通過嚴格控制水灰比、施工質(zhì)量等來實現(xiàn)。林樂琴[13]認為水灰比應(yīng)控制在0.5以下，這樣可以有效地防止鋼筋銹蝕。一般來講，混凝土強度越高密實性越好，賀鴻珠等[14]通過試驗得出混凝土的強度越高，混凝土的抗銹蝕能力越強?？傊渌麠l件相同時，混凝土密實度越高抗銹蝕能力越強。

2.1.3 混凝土保護層厚度

混凝土保護層一般定義為鋼筋外表面到混凝土構(gòu)件表面的這層混凝土，位于鋼筋與外界環(huán)境之間，是保護鋼筋及內(nèi)部混凝土不受外界侵蝕的重要防線，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性具有十分重要的意義[13]。施惠生等[15]研究發(fā)現(xiàn)，增大混凝土保護層的厚度能有效地延緩混凝土中鋼筋的銹蝕，延長鋼筋開始銹蝕的時間。黃德強[16]曾對中外混凝土保護層的厚度標準進行了對比，發(fā)現(xiàn)中國的標準要比外國標準要求的保護層厚度小。綜上，應(yīng)該綜合考慮建筑物的使用年限、所處環(huán)境等因素，在施工中保證保護層質(zhì)量，適當增加保護層的厚度。

2.1.4 水泥品種

水泥的品種也會影響鋼筋的銹蝕。如果水泥的堿度較低，混凝土的抗碳化能力低，則鋼筋較易產(chǎn)生銹蝕，銹蝕程度較為嚴重。水泥的品種還會影響混凝土保護層的抗?jié)B性。不同品種的水泥對引起鋼筋銹蝕的因子的抵抗能力不同[17]。

2.1.5 混凝土施工中帶入的氯離子

混凝土的原料如骨料、水、外加劑、水泥等均可能帶入氯離子。馬紅巖等[18]的研究發(fā)現(xiàn)，海砂帶入的氯離子要比拌和水中帶入的氯離子對混凝土鋼筋銹蝕的影響要小，而且海砂帶入的氯離子要超過一定的濃度后才會引起鋼筋的銹蝕。謝燕等[19]的試驗表明，摻入不同種類的氯鹽對鋼筋銹蝕的影響不同。總之，混凝土原料中引入在規(guī)范的限量內(nèi)少量的氯離子對混凝土鋼筋銹蝕的影響不大，但是氯離子濃度越高，鋼筋銹蝕越嚴重。

2.1.6 混凝土的骨料

混凝土的骨料屬于惰性材料，一般不會因發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而影響混凝土的性能。但是，隨著混凝土用量的增大以及骨料供應(yīng)的不足，再生骨料已開始應(yīng)用。孫平平等[20]的研究表明，再生粗骨料取代率在20%～50%時，鋼筋抗銹蝕能力下降不顯著。但是，再生骨料與天然骨料相比不利于防止鋼筋銹蝕。

2.2 外部因素

混凝土所處的外部環(huán)境條件也是誘發(fā)混凝土中鋼筋銹蝕的關(guān)鍵因素。其中氯離子對鋼筋銹蝕的影響已經(jīng)在鋼筋銹蝕機理中做過介紹，不再贅述。其他環(huán)境因素對鋼筋銹蝕的影響分析如下。

2.2.1 環(huán)境溫度

鋼筋的銹蝕是電化學(xué)反應(yīng)?；瘜W(xué)反應(yīng)速率會隨溫度的升高而加快。Jiang J H等[21]的研究表明，在自然環(huán)境下溫度對混凝土的鋼筋銹蝕影響很大。由于鋼筋銹蝕的影響因素比較復(fù)雜，所以鋼筋銹蝕速率與環(huán)境溫度之間并不是簡單的線性關(guān)系。沈建德等[22]的試驗發(fā)現(xiàn)：在40 ℃以下，增加環(huán)境溫度顯著增加銹蝕率；在40 ℃以上，隨著溫度的增加，銹蝕率反而下降。這可能是因為隨著環(huán)境溫度的升高，陰陽極之間的離子移動速度和氯離子的侵入速度變快，但是氧氣進入混凝土的量變小，不同溫度時主導(dǎo)因素不同，所以存在著鋼筋銹蝕的一個最適溫度。

2.2.2 環(huán)境濕度

相對濕度主要通過兩個方面影響鋼筋的銹蝕：一是環(huán)境的相對濕度影響混凝土的相對濕度，從而影響混凝土的電阻；二是相對濕度會影響侵蝕介質(zhì)進入混凝土中的速度。當環(huán)境的相對濕度較大時，水充滿了混凝土的孔隙，使得二氧化碳、氧氣等不容易進入鋼筋的內(nèi)部，所以相對濕度太大時對鋼筋的銹蝕有抑制。環(huán)境中的相對濕度太小時，鋼筋的銹蝕是無法進行的。當相對濕度在80%～90%時，鋼筋的銹蝕達到最大[10]。

2.2.3 氧氣含量

氧氣是鋼筋發(fā)生銹蝕的一個必要條件。氧氣是鋼筋銹蝕時陰極反應(yīng)必不可少的。沒有氧氣，即使鋼筋的鈍化膜破壞且氯離子含量很高，鋼筋也不會銹蝕。趙煒璇等[23]的研究表明，溶液中氧氣含量的適當降低有效減緩了鋼筋鈍化膜的破壞速度，但對鋼筋鈍化膜破壞的臨界氯離子濃度未產(chǎn)生影響。

3 結(jié)語

隨著社會的發(fā)展，混凝土的組分也在發(fā)生著變化，例如再生骨料代替天然骨料用于混凝土中。這些新的材料組分對鋼筋銹蝕的影響，需要進行系統(tǒng)的研究。

鋼筋銹蝕的影響因素很多，各個因素之間相互影響，相互制約。目前對于單因素的研究較多、較詳細，缺少對多個因素對鋼筋銹蝕影響的研究[24]。綜合考慮多因素的影響，可以對鋼筋的銹蝕更好地進行預(yù)防，而且可以促進鋼筋銹蝕預(yù)測模型的發(fā)展。

參考文獻：

[1] 金偉良，趙羽習(xí).混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的回顧與展望[J].浙江大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2002，36(4)：371-380.

[2] 尚琛煦.基于鋼筋銹蝕的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評估[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2007.

[3] 張偉平，顧祥林，金賢玉，等.混凝土中鋼筋銹蝕機理及銹蝕鋼筋力學(xué)性能研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2010(S1)：327-332.

[4] 牛獲濤.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性與壽命預(yù)測[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[5] 李長明.不均勻銹蝕鋼筋與混凝土粘結(jié)性能試驗研究[D].鄭州：華北水利水電學(xué)院，2012.

[6] 洪乃豐.混凝土堿度與鋼筋銹蝕[J].混凝土與水泥制品，1990(5)：16-18.

[7] 聞建.鋼筋混凝土中鋼筋銹蝕機制與防治措施分析[J].江漢大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，40(6)：42-44，52.

[8] 干偉忠，高明贊.雜散電流對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響[J].混凝土，2009，31(6)：21-24，45.

[9] 耿健.雜散電流與氯離子共存環(huán)境下鋼筋混凝土劣化機理的研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2008.

[10] 施錦杰，孫偉.混凝土中鋼筋銹蝕研究現(xiàn)狀與熱點問題分析[J].硅酸鹽學(xué)報，2010，38(9)：1753-1764.

[11] 常立新，丁煜祥，程澤和，等.混凝土裂縫對鋼筋銹蝕的影響[J].工業(yè)建筑，2006(S1)：903-904.

[12] 張平生.混凝土狀況對鋼筋銹蝕的影響及原因[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，1998，30(1)：5-8.

[13] 林樂琴.混凝土保護層質(zhì)量與鋼筋銹蝕[J].浙江水利水電?？茖W(xué)校學(xué)報，2013，25(2)：17-19.

[14] 賀鴻珠，范立礎(chǔ)，史美倫.海水對不同強度混凝土中鋼筋銹蝕的影響[J].建筑材料學(xué)報，2004，7(3)：291-294.

[15] 施惠生，郭曉潞，張賀.保護層厚度對混凝土中鋼筋銹蝕的影響[J].水泥工程，2009(2)：79-83.

[16] 黃德強.混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋保護層厚度控制研究[D].青島：青島理工大學(xué)，2012.

[17] Pereira V，Monteiro E，Almeida K D.Influence of cement type in reinforcement corrosion of mortars under action of chlorides[J].ConstructionandBuildingMaterials，2013，40：710-718.

[18] 馬紅巖，邢鋒，董必欽，等.海砂混凝土中鋼筋銹蝕特性的電化學(xué)表征研究[J].混凝土，2007(7)：20-23.

[19] 謝燕，吳笑梅，樊粵明，等.內(nèi)摻氯離子對鋼筋銹蝕的影響及不同材料對氯離子的固化[J].華南理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，37(8)：132-139.

[20] 孫平平，葉良.再生骨料混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕影響因素試驗研究[J].新型建筑材料，2013，40(3)：19-22.

[21] Jiang J H，Yuan Y S.Development and prediction strategy of steel corrosion rate in concrete under natural climate[J].ConstructionandBuildingMaterials，2013，44：287-292.

[22] 沈德建，吳勝興.環(huán)境溫度對砂漿中鋼筋銹蝕率的影響[J].建筑科學(xué)，2002，18(2)：41-42，59.

[23] 趙煒璇，巴恒靜.含氧量對臨界氯離子濃度及鋼筋銹蝕速率影響[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011，40(5)：714-719.

[24] 許建榮.混凝土中鋼筋銹蝕速度影響因素研究進展[J].化工礦物與加工，2002，31(12)：29-31，33.