混凝土中钢筋锈蚀机理及其影响因素分析

孔 燕

（中铁十一局集团城市轨道工程有限公司，湖北 武汉430074）

钢筋长期暴露在外会发生锈蚀，这是一个电化学反应过程。造成钢筋锈蚀的因素很多，主要有自然环境因素和人为因素，如潮湿的空气、含侵蚀性介质的地下水、海洋环境，以及工业生产产生的酸等因素。尽管引起钢筋锈蚀的原因不同，但钢筋锈蚀对结构造成的破坏是一样的，即钢筋锈蚀到一定程度后，锈蚀产物产生的膨胀压力将会使混凝土保护层发生顺筋开裂，进而造成一系列破坏。

1 混凝土中钢筋的锈蚀机理

混凝土在水化作用时水泥中的氧化钙生成氢氧化钙，使得混凝土孔隙中含有大量的OH-离子，其PH值一般可达到 12.5～13.5，使得钢筋混凝土结构中，混凝土内部的碱性很高。这样高的碱性可以使其内部的钢筋表面保持钝化状态，钢筋表面会形成一层不易渗透的牢固的粘附于钢筋表面的氧化物—钝化膜，钝化膜使钢筋表面不存在活性的铁，因此电化学腐蚀无法进行，阻止钢筋进一步锈蚀。钝化膜是阻止钢筋锈蚀的实质，而混凝土保护层是使钢筋表面形成钝化膜的前提，二者共同作用形成了防止钢筋锈蚀的两道防线。

在使用过程中随着混凝土的碳化，钢筋锈蚀会逐步产生。在混凝土碳化过程中，混凝土的碱性大大降低，其pH值由原来的12.5降到9左右。据有关资料显示，当混凝土内部的pH值降低至11.5以下时，埋在混凝土内部的钢筋表面钝化膜就被破坏了，使钢筋表面处于活化状态。呈现活化状态的钢筋表面在其表面有水和氧气的作用下，就会发生如下反应：

1）在阳极发生以下阳极反应：

2Fe-4e-→2Fe2+

2）在阴极发生如下阴极反应：

2H2O+O2+4e-→4OH-

钢筋锈蚀过程的全反应是阳极反应和阴极反应的组合，在钢筋表面析出Fe(OH)2，其反应式为：

2Fe+2H2O+O2→2Fe2++4OH-→2Fe(OH)2

Fe(OH)2再与水中的氧反应生成Fe(OH)3。一旦钢筋表面有Fe(OH)3生成，其下面的铁就成为阴极，会更进一步促成铁的锈蚀。

随着时间的推移，一部分Fe(OH)3进一步氧化生成nFe2O3mH2O（铁红），另一部分氧化不完全的变成Fe3O4（黑锈），在钢筋表面形成锈层。铁红体积可以大到原来体积的四倍，黑锈体积可以大到原来体积的二倍。铁锈体积膨胀对周围混凝土产生压力，使混凝土沿钢筋方向和垂直钢筋方向开裂，进而造成混凝土保护层成片脱落，裂缝的形成及保护层的脱落，使更多的水、氧气和二氧化碳得以水里进入混凝土内部，又加快了钢筋的锈蚀速度。

2 影响钢筋锈蚀的主要因素

2.1 混凝土不密实或有裂缝存在

混凝土密实不良和构件上产生的裂缝，往往是造成钢筋腐蚀的重要原因，尤其当水泥用量偏小，水灰比不当和振捣不良，或在混凝土浇筑中产生露筋、蜂窝、麻面等情况，都会加速钢筋的锈蚀。大量研究结果表明：混凝土的碳化深度和混凝土密实度有很大关系。密实度良好的混凝土碳化深度仅局限在表面，而密实度差的混凝土，则碳化深度就较大。

2.2 混凝土碳化和酸性介质的侵入

空气中的CO2气体在混凝土表面逐渐与氢氧化钙。碳化是介质与混凝土相互作用的一种很广泛的形式，最典型的例子是空气中的CO2逐渐与混凝土的氢氧化钙发生反应生成碳酸钙，这种现象称为碳化。由于生成的碳酸钙难溶解，其饱和值的pH值为9，因此随着碳化反应的不断进行，混凝土碳化区的pH值也不断下降，并不断向内部发展；当碳化深度达到或超过保护层时，钢筋表面的钝化膜遭到局部破坏，钢筋开始锈蚀。当大气中由氯化氢、硫化氢等酸性气体，将同样被混凝土吸收并与氢氧化钙结合，从而使混凝土碱度迅速下降，使钢筋遭受腐蚀。

2.3 环境湿度

钢筋锈蚀与环境湿度有直接关系。在十分潮湿的环境中，其空气相对湿度几近于100%，混凝土空隙中充满了水，阻碍了空气中的二氧化碳和氧气向钢筋表面扩散，使钢筋难以锈蚀。当相对湿度低于60%时，在钢筋表面难以形成水膜，混凝土碳化也难以深入，钢筋几乎不生锈。而相对湿度在80%左右时，有利于碳化作用，混凝土中的钢筋锈蚀发展很快。

2.4 Cl-侵蚀

混凝土中的Cl-主要源于原材料和外加剂，如使用海砂、海水或氯化钙作外加剂等。研究表明，由于Cl-半径小，活性大，具有很强的穿透力，所以当它进入混凝土中并达到钢筋表面，容易吸附在氧化膜有缺陷的地方，并穿过氧化膜，在氧化物内层形成易溶的FeCl2，使氧化膜局部溶解，形成蚀坑现象。如果混凝土中含有大量均匀分布的氯离子，而钢筋保护层又比较薄，有足够的氧可以达到钢筋表面，则钢筋表面就可以大面积的发生上述氯离子的脱钝化反应，导致许多点蚀坑合并、扩大，在钢筋表面形成均匀的锈蚀层。

在Cl-侵蚀造成钢筋锈蚀过程中，Cl-不仅促成了钢筋表面的腐蚀电池，而且加速了电池的作用过程。C1-与Fe2+相互作用生成了FeCl2，C1-和Fe2+消失，从而加速了阳极反应。可溶性的FeCl2在混凝土中扩散时遇到OH-，立即生成沉淀Fe(OH)2，在有氧条件下进一步氧化成Fe(OH)3，最后生成铁的氧化物（铁锈）。由以上反应可发现，C1-在整个过程中只起媒介作用而不被消耗，即凡是进入混凝土中的C1-，会周而复始的起破坏作用。

3 结语

钢筋锈蚀到一定程度会导致粘结强度的明显下降、结构承载力的降低，破坏模式及结构动力特性的改变等不利影响，因此，在施工严格按照施工规范要求，把握好混凝土原材料材质、水灰比、水泥用量、振捣和养护等关键工序，保证混凝土的密实性；对于有侵蚀性气体、粉尘等介质，环境湿度较大时，用从工艺和建筑构造入手，减轻外界的侵蚀条件，避免侵蚀性液体直接触及结构，并适当增加混凝土保护层厚度；在浇筑钢筋混凝土结构时严格按照施工规范要求控制外源氯盐用量，并通过添加适量缓蚀剂（如亚硝酸钠等）消除或延缓钢筋的锈蚀。

［1］惠云玲.混凝土结构中钢筋锈蚀评估试验研究[R].冶金部建筑研究总院.

［2］范颖芳，黄振国，李健美，等.受腐蚀钢筋混凝土构件中钢筋与混凝土粘结性能研究[J].工业建筑，1999，9（8）.

［3］张誉，蒋利学，张伟平，等.混凝土结构耐久性概论[M].上海：上海科学技术出版社，2003.

［4］王博，杨玉发，刘长利.混凝土碳化机理及其影响因素[J].水利水电技术，1995（11）.