钢筋锈蚀对混凝土结构的危害及其预防措施

雍玉鲤 王 欣(扬州市职业大学土木工程学院，江苏 扬州 225009)

钢筋锈蚀对钢筋混凝土结构及预应力混凝土结构的耐久性和安全性影响极大。目前，钢筋锈蚀引起混凝土结构的过早破坏已成为世界各国普遍关注的一大灾害[1]。据有关资料介绍，美国腐蚀损失的40%与混凝土中钢筋的锈蚀有关。我国以基础设施为主的钢筋混凝土结构中钢筋的锈蚀也已经造成很大的危害，并潜存着很大的结构安全威胁。我国的海港码头、滨海设施、水工、桥梁等都有很多钢筋锈蚀破坏的事例，许多工程达不到设计寿命的要求，大量的修复工程已经或正在进行[2]。因而，采取适当措施预防钢筋混凝土中钢筋的锈蚀，具有十分重大的经济意义，在某些情况下甚至关系到人民的生命安全。

1 钢筋锈蚀的机理

正常情况下，在正常混凝土中pH值约为12，这时钢材表面能形成碱性氧化膜(钝化膜)，对钢筋起保护作用，若混凝土碳化后，由于碱性降低(中性化)会失去对钢筋的保护作用。此外，混凝土中氯离子达到一定浓度也会严重破坏钢筋表面的钝化膜。

对于钢筋混凝土，在一般环境条件下，钢筋的锈蚀通常由两种作用引起：一种是混凝土碳化作用，一种是氯离子的侵蚀[3]。二氧化碳和氯离子对混凝土本身都没有严重的破坏作用，但是这两种环境物质都是混凝土中钢筋钝化膜破坏的最重要又最常遇到的环境介质：混凝土碳化使混凝土孔隙溶液中的Ca(0H)2含量逐渐减少，pH值逐渐下降，钝化膜逐渐变得不再稳定以至于完全被破坏，使钢筋处于脱钝状态；周围环境中的氯离子从混凝土表面逐渐渗入到混凝土内部，到达钢筋表面的混凝土孔溶液中的游离氯离子浓度超过一定值(临界浓度)时，即使混凝土碱度再高，pH值大于l1.5时，Cl-也能破坏钝化膜，从而使钢筋发生锈蚀。氯盐引起钢筋锈蚀的发展速度很快，远比碳化锈蚀严重，这种情况常发生在近海或海洋环境以及冬季经常使用除冰盐的环境。

2 影响钢筋锈蚀的因素

在混凝土结构中，钢筋受到周围混凝土的保护，一般并不被腐蚀，只有在一定条件下才产生锈蚀。影响钢筋锈蚀的因素很多，包括钢筋位置、钢筋直径、水泥品种、混凝土的密实度、保护层厚度及完好性、外部环境等。

1）混凝土液相pH值及碳化程度。钢筋锈蚀速度与混凝土液相pH值有密切关系，pH值大于10时，钢筋锈蚀速度很小；pH值小于4时，钢筋锈蚀速度急剧增加。混凝土的碳化降低了混凝土的碱度，造成pH值降低，给钢筋脱钝提供了可能。钢筋的失重率与混凝土的碳化深度差不多呈线性关系，由此混凝土的碳化程度对钢筋锈蚀有重大影响。

2）混凝土中Cl-的含量。混凝土中Cl-的含量对钢筋锈蚀影响极大，氯盐的掺量应少于水泥重量的l%。氯化物是一种很危险的侵蚀介质，但是在我国北方地区，为保证冬季交通畅行，向道路、桥梁及城市立交桥等撤除冰盐，大量使用的氯化钠和氯化钙，使得氯离子渗入混凝土，引起钢筋锈蚀破坏。

3）混凝土的密实度和保护层厚度。混凝土能阻止外界腐蚀介质、氧气和水分等的渗入，混凝土密实度越高，保护层越厚，外界有害物质就越难渗入，钢筋锈蚀就不容易发生。这三个方面都与侵蚀性介质的侵蚀速度有关，保护层厚度对钢筋锈蚀的影响呈线性关系，因此世界各国规范对保护层厚度都作了规定。在我国新修订的《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》对钢筋的最小保护层厚度规定中，随着使用环境条件的劣化，混凝土保护层厚度也在增加。混凝土的密实度影响着混凝土的渗透性，渗透性高的混凝土更容易发生锈蚀。

4）环境条件。环境对钢筋锈蚀的影响主要有以下几个方面：温度、湿度、二氧化碳的浓度、氧气的浓度以及侵蚀性介质的浓度。

5）其他因素。除上述因素外，钢筋应力状态对其锈蚀也有很大影响，预应力钢筋更容易腐蚀，而且应力腐蚀比一般腐蚀更危险。

3 钢筋锈蚀对混凝土结构的危害

钢筋锈蚀后会对混凝土结构的强度安全与耐久性产生一定的危害，主要体现在以下几个方面：

1）钢筋名义屈服强度下降。衡量钢筋强度的指标有两个，分别是名义屈服强度和实际屈服强度，名义屈服强度是指屈服荷载与钢筋未锈蚀的面积之比。而实际强度是指钢筋在屈服时钢筋所受到的拉力与实际面积的比值。所以，从概念上可以看出，实际屈服强度比名义屈服强度更能反应锈蚀钢筋强度的真实情况。但是，实际情况的钢筋面积是很难测定的，所以，对于锈蚀的钢筋而言，用名义屈服强度来衡量钢筋的力学性能是比较方便的。

造成钢筋名义强度降低的原因有二，一是钢筋的截面减小，这样，截面减小后在相同受力的情况下承载力就会降低；二是钢筋表面具有凹凸不平的锈坑，使得钢筋在受力过程中会产生应力集中。钢筋的名义强度降低自然会影响到整体结构的强度。

2）混凝土构件截面的损伤。钢筋在锈蚀后，会对周围的混凝土产生膨胀，如果膨胀量达到一定程度，达到混凝土的极限抗拉强度时，会造成混凝土沿钢筋方向开裂，严重时可能会造成保护层的脱落，使混凝土截面受损。混凝土截面受损后，构件的受压区就会减小，对受弯构件而言，弯矩的力臂减小，钢筋和混凝土所要承担的力就会变大，会降低结构安全的可靠度。

3）钢筋与混凝土之间握裹力下降。钢筋锈蚀膨胀后，会造成混凝土沿着钢筋产生裂缝，裂缝的产生势必会造成混凝土对钢筋握裹力的下降，握裹力下降造成的连带影响使钢筋与混凝土应变将不再协调，即同一位置的钢筋和混凝土的应变大小将不再一致（通常钢筋的应变将小于混凝土的应变），造成钢筋的强度不能得到充分发挥，对混凝土结构安全造成不利影响。

4 钢筋锈蚀的预防措施

为避免混凝土中钢筋锈蚀问题的发生，确保建筑工程的质量和使用性能，需采取一定的预防措施：

1）设计方面

结构选型和细部设计时，应尽量限制在混凝土面上、接缝和密封处排水和积水；应尽量减少潮湿和溅湿的表面积。在棱角或凸出处和凹处应注意。因此，构件形状应力求避免单薄、复杂、带棱角等，特别是要使这种部位避开频繁的干湿交替的浪溅区域。

2）混凝土保护层的质量和厚度

对于有盐污染环境中的钢筋混凝土结构，免遭锈蚀破坏的基本预防措施是最大限度降低混凝土保护层的渗透性，并具有适当的厚度。一般只要采用优质材料，尽量低的水灰比，可以制备渗透性很低的混凝土。

3）混凝土中拌和物中掺阻蚀剂

钢筋阻蚀剂掺加于混凝土拌和物中，可均布于整个土体中，预防盐污染混凝土引起的钢筋锈蚀，且费用低廉，效果明显。

4）水泥掺和料与外加剂

掺矿渣、煤粉灰或天然火山灰等矿物质掺和料以替代部分硅酸盐水泥或采用掺混和材的硅酸盐水泥，可以结合更多的Cl-，阻止二氧化碳侵入，从而降低混凝土的碳化速度，提高混凝土对钢筋的保护能力。

5）静电喷涂粉末环氧树脂钢筋

环氧树脂可使钢筋与环境侵蚀介质完全隔离，大大提高抗锈蚀能力。

6）提高设计、施工质量

在工程建设中切实抓好设计、施工的质量，确保建筑工程达到国家规定的质量要求；切实控制好建筑工程的使用条件，避免因使用不当而造成混凝土开裂；远离污染源，杜绝建筑工程直接受到有害气体或化学物质的污染和侵蚀；做好建筑工程的保护工作，使混凝土的保护层和建筑工程的内外墙的粉刷面保持完好，避免混凝土受到有害环境物质的污染和侵蚀。

5 结 语

混凝土结构中钢筋的锈蚀是混凝土结构耐久性的重要影响因素，也是目前混凝土耐久性课题中的一个难点。本文主要论述了钢筋锈蚀的产生机理、影响锈蚀的因素和钢筋锈蚀给混凝土结构带来的危害，最后提出了几条具有实际指导意义的钢筋锈蚀预防措施。值得一提的是，预防钢筋混凝土中钢筋锈蚀的措施很多，每种方法都有自身的优势与不足。关键是要针对混凝土所处的环境条件和可能预测到的锈蚀源，有的放矢地采取预防措施。有时候，将几种方法综合使用可能会取得最好的防锈效果，从而大大提高混凝土结构的安全可靠度与耐久性。

[1]牛荻涛.混凝土结构耐久性与寿命预测[M].北京:科学出版社，2003.

[2]孟凡斌.混凝土中钢筋的锈蚀和预防[J].安徽建筑工业学院学报，2002，10(2):74～77.

[3]金伟良，赵羽习.混凝土结构耐久性[M].北京:科学出版社，2002.