碳化和氯离子侵蚀条件下钢筋锈蚀的影响因素

翟玉强

摘要：钢筋锈蚀是一个普遍存在的现象，其产生对结构的承载力、强度和适用性都有着严重的影响。对钢筋性能而言，钢筋局部坑锈会造成相应的应力集中，导致结构在较早的时期产生破坏。中等锈蚀程度会使钢筋的强度大约降低6%，严重锈蚀程度会使钢筋的强度大约降低12%。此外，锈蚀导致钢筋弹性变形能力急剧下降，出現应力腐蚀。对结构的使用寿命产生很大的影响。本文主要针对在碳化和氯离子侵蚀的情况下钢筋产生锈蚀的影响因素进行分析。

关键词：钢筋锈蚀  碳化  氯离子  影响因素

1 概述

钢筋产生锈蚀以及影响钢筋锈蚀速度的因素是有多种的，但是从总的方面来说，可以分为两大类[1]：一种是混凝土本身所处的状态，如根据不同的设置性能而采取的混凝土的品种、混凝土本身的碱性程度、渗透性能、强度等级以及构件表面裂缝分布情况、拌制过程中外加剂使用和保护层厚度等，这一系列内部因素俗称“内因”;另外一种是混凝土所处的周围环境情况的影响，如：周围环境温度、相对湿度、寒冷地区的冰冻以及恶劣环境下不良介质等，这一系列外部因素俗称“外因”。另外，钢筋和混凝土之间的应力状态对其也有一定的影响。

2 钢筋锈蚀的影响因素分析

2.1 原材料的影响

水泥的品种、粗细骨料的集配情况和水的用量等对混凝土的密实性有着一定的影响。水化热大的水泥容易使混凝土内部产生微小的裂缝导致渗透性增加。因此为防止裂缝的出现，应在施工时候优先选用颗粒细、水化热低的水泥品种。因为越细，凝结也就越快，泌水越少，渗透性也就越小。研究证明：采用矿渣水泥时钢筋的锈蚀速度约为普通硅酸盐水泥的1.7-1.9倍[2]。

在粗细骨料的选择上，一般情况下，要求组织细密、颗粒整齐、质地坚硬、级配优良并且在最大粒径和含泥量上也有所控制，以提高混凝土的和易性，增加密实度。用水量的影响则更加明显，根据水泥完全水化的理论需水量为水泥用量的25%，但在施工过程中为了满足其流动性，常常采取较大的水灰比，因此多余的水分蒸发后形成毛细孔。在满足相应的设计和施工的要求下应当减少用水量以减少混凝土的渗透性。混凝土渗透性越大，钢筋锈蚀也就越快。外加剂的掺入也对密实性有明显的提高，如：减水型的引气剂、抗渗剂、膨胀剂等。另外，原材料及外加剂中还有可能存在着影响钢筋锈蚀的氯盐等有害物质。如在关于粉煤灰对钢筋锈蚀影响研究中，粉煤灰含量小于30%时，基本上没有什么影响，但是掺量超过45%时，通常能够加速钢筋的锈蚀。可见，选择合适的原材料是提高钢筋混凝土耐久性的先决条件。

2.2 混凝土的密实度及保护层厚度的影响

混凝土对钢筋锈蚀的控制主要体现在两个方面上，一是使混凝土的碱度提高并在钢筋表面形成钝化膜;二是阻止外界环境中腐蚀性介质的侵入。第一个方面主要体现在原材料的控制上;第二个方面则主要取决于混凝土密实度以及钢筋保护层的厚度。如水灰比的大小对密实性有极大的影响。试验表明，随着水灰比的增大，混凝土的氧扩散系数及透氧量都明显增长，锈蚀也就愈重。

钢筋混凝土的保护层厚度对钢筋的保护有显著的影响，厚度增加能够保护由于环境中二氧化碳或氯离子侵入而造成的钢筋锈蚀。在相同条件下，保护层愈厚，其完全碳化的时间越长，氯离子侵入的时间也就越长，钢筋的锈蚀程度越轻。当然一味的增加厚度，也会使混凝土总体的体积和重量增加许多，而钢筋并未随之增加，对结构稳定产生影响，容易导致脆性破坏。而且在混凝土硬化的过程中，钢筋不能有效地控制温度应力和收缩应力，容易产生裂缝，大大地削弱了保护层的作用。

2.3 裂缝的影响

人们普遍的认为，混凝土产生的裂缝增加了二氧化碳、水分和氧气的侵入途径，加快了钢筋的锈蚀速度。另外，一些试验研究及实践工程认为裂缝的产生仅仅是加速钢筋的锈蚀，并且使该处的钢筋产生活化现象。首先，裂缝能够加速钢筋锈蚀。在早期，裂缝宽度的影响较为显著，其直接影响着钢筋去钝化的时间。但钢筋锈蚀一旦开始，其锈蚀速度主要取决于尚未开裂位置的混凝土保护层的质量以及渗透性，保护层质量愈好，渗透性愈小，钢筋锈蚀的速度也就越小。在结构设计使用寿命期内，当钢筋锈蚀速度小到一定程度时，可以看作是钢筋处在钝化或不锈蚀状态。日本的研究人员通过二十年的观察发现：当裂缝的宽度小于0.1mm时，其在初期对钢筋锈蚀的影响较小，后期则不产生影响;如果裂缝的宽度大于0.25mm时，其初期对钢筋锈蚀的影响比较大，10年后影响将逐渐降低。另外，裂缝对钢筋锈蚀的影响程度又与所处的环境条件有很大的联系，常年处于潮汐区和浪溅区的混凝土结构中的钢筋要比海洋水下结构锈蚀程度严重得多。

2.4 CO2及pH值的影响

大气环境中的CO2与混凝土孔隙水中的碱性物质

Ca（OH）2发生中和反应，生成碳酸钙。由于Ca（OH）2在孔隙水溶液中是处于过饱和状态的。因此在刚刚开始反应的时候，孔隙水溶液的pH值能够维持一定时间的碱性状态。随着孔隙中的Ca（OH）2不断地消耗，碳酸钙不断的生成并在水溶液中沉淀，孔隙水溶液的pH值会因此而逐渐降低。当碱度降低到一定程度的时候，钢筋钝化膜中的FeO和Fe（OH）2开始慢慢地分解，钝化膜随之开始破坏，钢筋开始锈蚀。尤其是当pH值当降至4以下的时候，钢筋锈蚀的速度急剧地增加。研究表明，钢筋的钝化膜从pH=11.8的时候便开始不稳定并逐渐的产生破坏。因此在材料上应尽量选取水化后能够产生较多Ca（OH）2的水泥品种，如：早强硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥等。

2.5 湿度和温度的影响

湿度和温度是影响钢筋锈蚀的两个重要的外界因素。而且相对湿度又对氧气在混凝土中的扩散速度有一定的影响。因此，当环境中空气的湿度达到50%-60%时就能使金属发生电化学腐蚀。[3]

由此可见，相对湿度对于钢筋的锈蚀速度有着双重作用。另外，湿度除了影响着钢筋电化学锈蚀速度并且还影响着混凝土碳化的速度，从而间接地影响着钢筋的锈蚀。研究证明，处在完全饱和或完全干燥状态的混凝土一般不会发生碳化现象。实地调查研究表明，当钢筋混凝土结构构件处于干燥环境下的时候，钢筋基本上不会产生锈蚀，甚至在几十年内也不会产生该现象，而当处在干湿交替环境（潮汐区、浪溅区等）或漏雨、渗水部位的钢筋，其锈蚀速度一般也比较快。

关于温度的影响，至今存在不同的观点，阿伦尼乌斯（Arrhenius）定律指出：环境中温度每升高10℃，其反应速率约提高2-3倍。因此有的研究人员提出：环境温度每升高10℃，钢筋锈蚀速率将会增大5-10倍。如果环境温度小于10℃时，钢筋锈蚀的速度发展相对来说还是比较缓慢的。

温度和湿度的增加对于碳化和氯离子情况下的钢筋锈蚀速度有明显的影响，温度升高能够使锈蚀电流密度增加，研究表明：环境温度每升高10℃，对于碳化情况下的锈蚀电流密度提高0.45倍;对于氯离子情况下的锈蚀电流密度提高2.19倍。环境湿度每提高10%，对于碳化情况下的锈蚀电流密度提高1.16倍;对于氯离子情况下的锈蚀电流密度提高1.58倍。研究表明：氯离子侵蚀下钢筋锈蚀速度明显大于碳化情况下的锈蚀速度。温度及相对湿度对钢筋锈蚀速度的影响见图1。

图1  温度、相对湿度钢筋腐蚀速度的影响

3 结束语

通过对上述分析可以得知，钢筋锈蚀的影响因素有多种。但是影响钢筋锈蚀的因素并不是独立存在的一种，而是由多种影响因素共同作用所产生的影响。因此，分析钢筋锈蚀机理以及影响因素，采取合理钢筋锈蚀防治措施，具有十分重要的研究意义。

参考文献：

[1]刘冰梅.浅议混凝土中钢筋的锈蚀[J].山西建筑，2004，30（21）：94-95.

[2]赵宏沿.一般大气条件下钢筋混凝土构件剩余寿命预测[D].清华大学，1993.

[3]Shalon，R.Reportonbehaviorofconereteinhotelimates，part11.HardenedConerete，MaterialsandStrueture，1980（13）：255-264.