淺談混凝土結構中鋼筋的腐蝕與防護
劉志前
（重慶交通大學土木建筑學院 重慶 400074）
摘要：研究了目前我國鋼筋混凝土耐久性失效的主要原因，分析了鋼筋在未開裂和裂縫狀態下的銹蝕機理以及影響鋼筋銹蝕的主要因素，提出了混凝土結構中鋼筋的抗腐蝕對策，為增強結構耐久性，延長使用壽命打下了基礎。
關鍵詞：鋼筋混凝土；耐久性；腐蝕；對策
中圖分類號：TU375 文獻標識碼：A
0 引言
在建筑材料和結構中，鋼筋混凝土是比較耐久的，在正常環境下，能夠達到長期使用的目的。然而，在腐蝕的環境和介質中，鋼筋混凝土卻能過早的破壞，這些破壞都是鋼筋銹蝕引起的。腐蝕環境是廣泛存在的，如海洋和沿海地區、鹽湖和鹽堿地等都是能夠引起鹽腐蝕的自然環境；而工業環境和在道路上撒化冰鹽等大都是人們為了達到生產、便利交通等而造成的人為腐蝕環境。在腐蝕環境中結構物不能耐久，出現未老先衰的現象，尤其是接連不斷的工程事故，使我們深刻認識到研究和提高混凝土耐久性的現實意義，從經濟利益和安全出發，鋼筋銹蝕破壞的危害性、修復工作的重要性越來越引起世人的重視。下面將對鋼筋銹蝕機理、影響因素、銹后鋼筋混凝土的力學性能等進行分析，提出了鋼筋銹蝕應采取的幾點預防措施。
1 對鋼筋銹蝕的分析
1.1 混凝土中鋼筋銹蝕機理的研究[1]
鋼筋混凝土結構中的鋼筋腐蝕主要是電化學腐蝕，這是由于混凝土空隙中的水分通常以飽和的氫氧化鈣的溶液形式存在，其中還含有一些氫氧化鈉和氫氧化鈣，pH值為12.5。在這樣的強堿性的環境中，鋼筋表面形成鈍化膜，它是厚度為2×10-9－ 6×10
陽極反應 2Fe－4e-→2Fe2+
陰極反應 O2+2H2O+4e-→4OH-
腐蝕過程的全反應是陽極反應和陰極反應的組合，在鋼筋表面析出氫氧化亞鐵，其反應式為
2Fe+02+2H20→2Fe2++4OH-→2Fe(0H)2
4Fe(OH)2+02+2H2O→4Fe(OH)3
該化合物被溶解氧化后生成氫氧化鐵Fe(OH)3，并進一步生成nFe2O3·mH2O (紅銹)，一部分氧化不完全的變成Fe304(黑銹)，在鋼筋表面形成銹層。紅銹體積可大到原來體積的4倍，黑銹體積可大到原來的兩倍。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，進而使保護層成片脫落，而裂縫及保護層的剝落又進一步導致鋼筋更劇烈的腐蝕。
當混凝土結構出現橫向裂縫時，根據電化腐蝕機理，裂縫處的鋼筋表現為陰極，氧氣主要是通過未裂區混凝土傳遞到陰極。根據電化學作用原理，鋼筋銹蝕須具備4個條件：
(1)鋼筋表面要有電勢差。
(2)除鋼筋外，陰極和陽極之間要有電介質聯系，這就意味著混凝土必須具有相當的濕度，有氯離子時，導電性顯著增加。
(3)在陽極金屬表面要處于活化狀態。
(4)氧氣能從混凝土表面擴散到陰極活化鋼筋表面，有足夠的氧生成氫氧根離子。
對裂縫處的鋼筋，在一般大氣條件下，條件(1)、(2)是具備的；從客觀上講，裂縫處是陽極，混凝土未開裂處是陰極，由于裂縫處鋼筋暴露于空氣中，鋼筋失去混凝土的鈍化而處于活化狀態，因此，條件(3)也是具備的；至于條件(4)，氧的擴散速度越大，鋼筋腐蝕越快。因此腐蝕的速度取決于混凝土的密實度及保護層厚度，混凝土密實度越差，腐蝕速度越大。
2 影響鋼筋腐蝕的主要因素
混凝土中鋼筋銹蝕的影響因素有：混凝土的密實度、混凝土保護層厚度、混凝土碳化、氯離子侵入等。在這些因素中，混凝土保護層的碳化和氯離子侵入是造成鋼筋銹蝕的主要原因。
2.1 混凝土碳化、侵蝕氣體和介質的侵入
空氣中的二氧化碳通過混凝土空隙擴散并和混凝土中的氫氧化鈣產生中和作用(碳化)，導致混凝土堿性下降。碳化是介質與混凝土相互作用的一種很廣泛的形式，最典型的例子是空氣中的CO2滲入，與孔隙中的Ca(OH)2反應，生成CaC03，使pH值下降。當pH值<11．5時，鈍化膜就開始不穩定；當pH值降低到9左右時，鋼筋表面的鈍化膜遭到破壞，鋼筋開始腐蝕。混凝土結構的碳酸鹽化是一個緩慢的過程，其速率取決于二氧化碳穿透混凝土的滲透速率，滲透速率很大程度上取決于混凝土的空隙率和滲透性。調查資料表明：密實度好的混凝土碳化深度僅局限在表面；而密實度差的混凝土，則碳化深度就大。理論分析和實驗分析表明，在大氣環境下，混凝土的碳化深度與時間的關系為：Х＝（
式中，Х -- 碳化深度；
DK -- C02的擴散系數；
C -- 混凝土表面CO2的濃度；
B -- 單位體積混凝土碳化所需的CO2的量；
K -- 混凝土碳化系數，與結構所處的自然環境和使用環境、水泥品種、結構混凝土質量及混凝土早期養護條件有關；
T -- 混凝土暴露時間(年)。
2.2 混凝土中Cl-含量對鋼筋銹蝕的影響[2]
氯離子很容易引起鋼筋銹蝕，有三種理論解釋氯離子銹蝕的電化學作用。
(1)氧化膜理論――鋼筋在堿性介質中生成氧化膜，可以保護鋼筋不受侵蝕，氯離子比其它離子（例如硫酸根離子）更容易通過膜的缺陷或孔隙穿透氧化膜。另一種意見認為氯離子能分散氧化膜使之更宜穿透，引起銹蝕。
(2)吸附理論――氯離子吸附于鋼筋表面，促進金屬離子的水化，因而使金屬更容易溶解。
(3)過渡絡合物理論――按照這個理論，氯離子生成氯化鐵，氯化鐵自陽極擴散從而破壞Fe(0H)2保護層，使腐蝕繼續進行。氯化鐵在電極不遠處轉化為氫氧化鐵沉淀，氯離子自陽極傳導更多的鐵離子。
至于氯離子的由來，一方面，Cl-可能是隨混凝土組成材料(水泥、砂、石、外加劑)進入的，如在冬季施工，為提高混凝土抗凍性而摻入氯鹽、海砂拌制混凝土等；另一方面，Cl-是在混凝土硬化后經其孔隙由外界滲入的，如遭受海水侵蝕的海岸混凝土構筑物，冬季在混凝土路面上噴灑鹽水防止路面冰凍，游泳池用氯氣消毒等。當混凝土構件長期處于上述環境時，氯離子就會通過混凝土中的氣孔，隨水進入混凝土的內部，最終會接觸鋼筋并開始積累。當氯離子達到臨界濃度后，在足夠的氧氣和水分條件下引起腐蝕的發生(氯離子的臨界濃度與力筋周圍混凝土的堿度有關，堿度愈高，氯離子臨界濃度值愈大，通常用氯離子和氫氧根離子的濃度比值來表示氯離子臨界濃度，當混凝土含有氯離子Cl-/ OH-大于0.6時，鈍化膜成為可滲透性的和不穩定的，即使pH值仍然大于11.5，鈍化膜也被破壞了)。能引發鋼筋腐蝕的氯離子含量相當低，有很多法規及規范對氯離子的含量進行了規定，美國混凝土協會出版物ACI 222R一96《混凝土內金屬的腐蝕》，建議新結構氯離子含量(質量分數)的上限為：
(1)預應力混凝土0.08％；
(2)潮濕條件下的鋼筋混凝土0.10％；
(3)干燥條件下的鋼筋混凝土0.20％。
現場的經驗及研究表明，對于受氯離子污染的已建結構，0.026％的氯離子濃度足以破壞鈍化膜而引起鋼筋的破壞。其主要反應式如下，反應最終產物氫氧化鐵Fe(0H)3即是鐵銹。
2Fe－4e-→2Fe2+
Fe2+ +
FeC12·4H20→2Fe(OH)2↓+
4Fe(OH)2+02+2H2O→4Fe(OH)3↓
3 鋼筋腐蝕對結構受力的影響
在鋼筋混凝土結構內，鋼筋受到周圍混凝土的保護，一般不腐蝕。但當保護層破壞或保護層厚度不足時，鋼筋在一定條件下將產生腐蝕，鋼筋腐蝕對結構受力影響變化過程如下表所示：[3]
截面面積損失率對結構受力的影響
|
截面損失率ρs |
力學性能的影響 |
|
1％ |
表面只有浮銹，力學性能沒有影響 |
|
≤5％ |
應力－應變曲線沒有明顯的屈服點，抗拉強度和屈服強度仍可認為與母材相同，承載能力計算則需考慮截面的折減。 |
|
5％～10％ |
抗拉強度和屈服強度均開始降低。 |
|
10％～60％ |
嚴重的腐蝕，屈服點已不明顯，各項力學性能嚴重下降。 |
|
60％ |
構件承載能力降到與未配筋的構件相近。 |
總的說來，由于鋼筋與混凝土交界面上鋼筋銹脹力的存在，導致混凝土產生順筋裂縫，甚至使混凝土保護層剝落，使構件截面有效面積減小，更重要的是使鋼筋與混凝土間粘接性能退化；同時，由于鋼筋銹損，其截面面積減小，延性降低，力學性能退化，使結構或構件受到不同程度的損傷。混凝土中鋼筋銹蝕會使構件的承載力下降，使結構的性能劣化。
4 防腐措施
防止鋼筋腐蝕的技術措施有多種，歸納起來可分為兩大類：第一類是內部措施，主要是提高混凝土及其鋼筋自身的防護能力，如采用高性能混凝土和特種鋼筋(如不銹鋼鋼筋)；第二類被稱作外部措施，主要包括混凝土外涂層、鋼筋涂層、陰極保護及鋼筋緩蝕劑。此兩大類措施各有特點與利弊，提高混凝土自身對鋼筋的保護能力，是最根本的防護原則。下面介紹幾種外部措施：
4.1 混凝土外涂層
(1)聚合物改性水泥砂漿。這是近年來發展起來的新型混凝土覆面材料，聚合物大都以乳液形式摻人水泥砂漿中，大大提高了砂漿層密實性和粘接力，其耐久性可與基體混凝土保持一致。我國已有丙乳砂漿、氯丁繆乳砂漿等品種，近年來又出現了一些新的品種，如冶金部建筑研究總院研制的FC一01、RP—W系列防腐砂漿。聚合物改性水泥砂漿層主要用于各種鹽類存在的(氯鹽、硫酸鹽)強腐蝕環境，如工業建筑、鹽堿地建筑、海洋工程等，而且大量用于已有建筑物的修復工程。但聚合物水泥砂漿畢竟是水泥基材料，原則上是不耐酸的。因此不適宜在較強的酸性環境中采用。
(2)滲透性涂層。滲透性涂層在混凝土表面涂覆后，可與混凝土組分起化學作用并堵塞孔隙，或自行聚合形成連續性憎水膜。滲透性涂層材料可深人混凝土內部3～
(3)混凝土表面涂層。在鋼筋混凝土結構物表面，使用耐蝕涂層防止有害介質的滲人，保持混凝土堿度及其結構，以達到防止鋼筋混凝土破壞的目的，這也是有效而常用的方法之一。在小范圍強腐蝕環境中，采取表面涂層防護措施是首選方案。
4.2 環氧涂層鋼筋[4]
目前鍍鋅鋼筋、包銅鋼筋已很少使用，合金鋼鋼筋(耐蝕鋼筋)得到一定發展，特別是環氧涂層鋼筋，被確認為鋼筋防腐蝕的有效措施之一。環氧粉末的獨特性能與靜電噴涂工藝技術的發展，能保證涂層與基體鋼筋的良好粘結，抗拉、抗彎和短半徑
4.3 陰極保護
陰極保護是保護鋼筋的有效措施之一。鋼筋的氯離子腐蝕實質上是電化學腐蝕。因此可以采用外加電流或犧牲陽極的陰極保護方法，給鋼筋提供較高的負電壓，使鋼筋的電位處于負極(陰極)，鋼筋的電位降低到陽極開路電壓之下，從而有效地保證了鋼筋混凝土內的鋼筋。另外，在電場的作用下，帶負電的氯離子可向陽極(混凝土表面)遷移，等于從鋼筋表面除掉氯離子，這對于鋼筋的防護十分有利。
4.4 鋼筋緩蝕劑
鋼筋緩蝕劑被確認為是鋼筋防護的長期有效的措施之一。它與其它混凝土外加劑不同，它是通過抑制混凝土與鋼筋界面孔溶液中發生的陽極或陰極電化學腐蝕反應來保護鋼筋。緩蝕劑的一般原理是緩蝕劑直接參與界面化學反應，使鋼筋表面形成氧化物的鈍化膜，或者吸附在鋼筋表面形成阻凝層，或者兩種機理兼而有之。早期使用的鋼筋緩蝕劑主要有苯甲酸鈉、重鉻酸鉀、硅酸鈉、苯甲酸鈉、氨水、二環已胺亞硝酸鹽和各種亞硝酸鹽等。許多對比性研究表明，亞硝酸鈉的緩蝕效果比其他無機鹽要好。但由于其可能引起“堿集料反應”而對混凝土性能有不利影響，并對人體有致癌的作用，現已很少使用。亞硝酸鈣具有緩蝕效率高，對混凝土無劣化作用且價格低廉，但應注意其毒性及孔蝕危險。因此在使用鋼筋緩蝕劑必須注意以下問題：
(1)不宜在酸性環境中使用。試驗表明，當環境的pH值較低時，緩蝕劑的效果大大降低；
(2)在特殊腐蝕條件下，依靠鋼筋緩蝕劑不能實現長期保護的目的，有時需要與外涂層或環氧涂層鋼筋等聯合使用；
(3)鋼筋緩蝕劑的成分大都是化學物質，有些品種不宜在飲用水系統中使用。
5 結 論
(1)混凝土中的鋼筋腐蝕是目前混凝土耐久性大課題中的一個難點，混凝土中的鋼筋在各種侵蝕性介質作用下的腐蝕可歸為化學腐蝕和電化學腐蝕。不同條件下，腐蝕的機理、程度也不同。
(2) 在結構的承載力評估中必須充分考慮因鋼筋腐蝕導致鋼筋與混凝土之間粘結性能退化而使結構發生破壞的形態。
(3)在開裂出現前，主要是由于腐蝕性的物質由混凝土擴散到鋼筋導致其腐蝕，因此，應嚴格控制混凝土的施工質量，以保證其密實度。裂縫出現后由于腐蝕氣體可以直接腐蝕混凝土中的鋼筋，而由于普通混凝土結構允許帶裂縫工作，因此，必須對結構采取有效的防腐措施，如提高混凝土保護層密實度和鋼筋的表面覆蓋等。
雖然目前國內外已經在受腐蝕鋼筋混凝土結構的性能方面開展了一些研究，做了不同腐蝕情況下鋼筋混凝土受彎構件、大小偏心受壓構件、鋼筋與混凝土粘接試件的試驗等，并進行過一些有限元分析，得出了構件承載力和變形性能隨鋼筋腐蝕量的增加而不同程度降低的結論。但是對受腐蝕鋼筋混凝土結構抗剪性能、動力性能的研究仍然極少，特別是對受腐蝕鋼筋混凝土結構疲勞性能的研究。
參考文獻
[1] 李琮琦．混凝土中鋼筋銹蝕的研究進展[J]．建筑技術開發，2002，29(7)：7—9
[2] 劉秉京．混凝土技術[M]．北京:人交通出版，1998．
[3] 趙國藩.金偉良.貢金鑫等．結構可靠度理論[M]．北京：中國建筑工業出版社，2000：132—1
[4] 劉楊.馮洪臣．混凝土鋼筋的腐蝕以及陰極保護[J]．防腐蝕，2004，(6)
[5] 黃祖娟. 鋼筋混凝土結構中鋼筋的腐蝕與防護. 石油化工設備技術，2006，27(5)
[6] 賈紅梅. 混凝土中鋼筋銹蝕的研究.中國安全科學學報，2005，15（5）
Corrosion and Protection of the reinforced in concrete structure
Liu Zhiqian
(Department of civil engineering of the Chongqing Jiaotong University Chongqing 400074 China)
Abstract：Study the main reasons of the current failure about the reinforced concrete durability, Analysis the corrosion mechanism of the steel under cracks or not and the main effect factors to the steel corrosion, put foreword some measures to forbid reinforced in the concrete structure form being corroded and lay the foundation to the durability of the structure and workability of the service life.
Keyword：The reinforced concrete; durability; corrosion; measures
作者簡介：劉志前（1981－），男，在讀碩士，研究方向：路面材料再生利用技術。
通訊地址：重慶市南岸區學府大道66號重慶交通大學研究生507信箱
郵編：400074
手機號：13996424853
