混凝土中钢筋的腐蚀机理及影响因素分析★

刘祥伍 陈明政

(重庆科技学院建筑工程学院，重庆 401331)

混凝土中钢筋的腐蚀机理及影响因素分析★

刘祥伍 陈明政

(重庆科技学院建筑工程学院，重庆 401331)

钢筋腐蚀是钢筋混凝土结构的承载力及耐久性面对的一个难题，通过查找大量的文献探讨了钢筋混凝土结构中钢筋腐蚀的机理以及腐蚀对结构造成的破坏形式，分析了影响钢筋腐蚀的因素，最后从施工的角度上提出了防止钢筋锈蚀的建议。

钢筋，钢筋混凝土结构，耐久性，腐蚀机理

钢筋混凝土是利用混凝土受压而钢筋受拉的一种复合材料，它最早使用是在19世纪末，到目前为止已经使用了一百多年，这种材料的发展也经过了几个阶段，目前它被广泛应用于房屋建筑、桥梁工程和水利工程等方向[1]。然而工程中使用钢筋混凝土材料面临的一个挑战就是它的耐久性问题，而钢筋混凝土结构失效主要就是由钢筋锈蚀引起的。国内外的工程由于钢筋锈蚀导致在服役中进行维修甚至拆除而导致的损失相当严重[2,3]。笔者旨在探讨钢筋锈蚀机理及钢筋腐蚀造成的破坏形式并提出在工程中防止钢筋腐蚀的一些建议。

1 钢筋锈蚀机理

大量的研究表明[4,5]，引起混凝土中的钢筋锈蚀机理有两种：氯离子侵蚀引起的钢筋腐蚀机理和混凝土碳化引起的钢筋锈蚀机理。这两种钢筋锈蚀机理导致的钢筋腐蚀情况也有差异，当氯离子被均匀地覆盖在钢筋外部轮廓时，钢筋的腐蚀形态比较匀称，钢筋只有在轮廓某一部分有氯离子吸附时容易发生点蚀，这时钢筋在发生点蚀处容易引起应力集中而发生脆性破坏；钢筋因混凝土碳化而腐蚀呈均匀腐蚀状态[6]。

1.1氯盐侵蚀引起的钢筋腐蚀

根据王永霖的论文查找了大量的资料，氯离子侵蚀钢筋混凝土结构引起的钢筋锈蚀通过4个作用完成[5]：1)局部减弱钢筋钝化膜附近混凝土孔隙液原有的碱性，当碱性减弱到一定的值后，钢筋钝化膜被破坏导致钢筋开始锈蚀；2)氯离子击穿存在缺陷的钝化膜与铁元素发生反应从而使显露出的部分成为腐蚀电池的阳极，而钝化膜没有被击穿的部分将作为电池的阴极，如此就形成了阳极小而阴极大的腐蚀电池；3)催化作用。Cl-在反应过程中并没有真正的参与反应，它只是起到搬运阳极产物的作用，由于它的催化作用，钢筋锈蚀速率会随着反应的进行越来越快；4)导电作用。氯离子能和其他离子(Na+,Ca+)一起参与导电从而提高了电解质溶液的导电能力，这样提高了腐蚀电池的效率。Cl-侵蚀引起的钢筋锈蚀反应式如下：

阳极反应式：

Fe+2Cl-→Fe2++2Cl+2e

Fe+2Cl-+2OH-→Fe(OH)2+2Cl-

阴极反应式：

4e+2H2O+O2→4OH-

当混凝土内氧气富足的情况下，阳极会发生二次反响：

2H2O+O2+4Fe(OH)2→4Fe(OH)3

1.2混凝土碳化引起的钢筋锈蚀

大气中的二氧化碳进入到混凝土内与水泥浆体中的Ca(OH)2等发生反应叫做混凝土的碳化，混凝土碳化引起的钢筋锈蚀分两个步骤[4-6]：

1)二氧化碳(CO2)的溶解。

二氧化碳进入混凝土内部后溶解于水中形成碳酸，因此混凝土的碳化必须在有水的条件下才能发生，相关的研究表明混凝土碳化速率最大时的空气相对湿度在50%～70%。

2)混凝土孔隙液的中性化。

混凝土孔隙液中的氢氧化钙(Ca(OH)2)与溶于水中的CO2发生反响形成碳酸钙(CaCO3)，混凝土内原有环境的高碱性因为孔隙液中氢氧化钙的消耗以及碳酸钙的沉积而减弱，碱性减弱到一定的程度钢筋钝化膜发生毁坏，从而导致混凝土中钢筋锈蚀,混凝土碳化示意图见图1。

2 钢筋锈蚀造成结构的破坏形式

钢筋锈蚀生成的锈蚀产物覆盖在钢筋外部轮廓使得锈蚀后的钢筋体积比原本的钢筋体积大，在钢筋和混凝土的接壤面上因为钢筋体积膨胀导致环向挤压应力，又称钢筋锈蚀膨胀力，当钢筋腐蚀严重时膨胀力会很大，最终导致混凝土开裂。研究表明钢筋锈蚀从三方面影响了钢筋混凝土结构的承载力[6,7]，介绍如下：

1)受力钢筋力学性能退化而破坏。

钢筋力学性能的退化表现在两个方面：首先是钢筋腐蚀后导致受力钢筋的截面面积变小从而使钢筋的屈就强度减小，减小了处于服役中的结构的承载能力，这在预应力结构中暗示十分明显，预应力钢丝、钢绞线的强度都很高且截面面积小，一旦钢绞线受腐蚀，预应力结构的承载能力会大幅度降低；其次表现在腐蚀后的钢筋塑性变形会退化，相关的文献资料表明，锈蚀严重的钢筋会导致钢筋混凝土结构破坏形态的改变。

2)钢筋与混凝土之间粘结机能的低沉。

钢筋锈蚀产生的锈蚀产物疏松地覆盖在钢筋表面，这样使钢筋与混凝土的界面被隔离开来，加之钢筋与混凝土的粘结机能很大水平上取决于钢筋的变形肋，钢筋腐蚀伴随着变形肋的腐蚀，这样导致钢筋与混凝土界面的粘结力变小，容易使钢筋在受力时发生滑移，对钢筋混凝土结构的刚度产生不利影响。

3)保护层的破坏。

钢筋腐蚀后发生体积膨胀导致包裹钢筋的混凝土保护层受到挤压应力，当挤压应力超过混凝土的抗拉极限强度时，会导致保护层开裂以致剥落，使钢筋直接袒露在大气环境中从而加快了钢筋的腐蚀速度。

3 钢筋腐蚀的影响因素

鉴于以上的分析，混凝土中钢筋腐蚀不仅与钢筋自身因素有关，还与钢筋混凝土结构所处的环境、混凝土的质量以及保护层厚度有关。

1)钢筋本身的因素。

因为混凝土中钢筋腐蚀的原理是电化学腐蚀，钢筋材料本身存在的差异性，比如钢筋内部化学成分的差异容易形成腐蚀原电池。晶格结构的差异也对腐蚀电池的形成有很大影响，这种影响尤其在预应力结构中晶体结构表现的更明显，施加预应力的巨细不同，预应力钢筋的腐蚀水平也有差异。

2)结构所处的环境。

3)混凝土的质量。

混凝土的强度、水灰比、颗粒级配、水泥品种以及混凝土的养护时间等因素都对混凝土内钢筋锈蚀有影响。水泥品种及水泥用量直接影响到混凝土的强度，混凝土的抗压强度越高外界环境中氯离子在混凝土内的扩散速度越慢[8]，混凝土抗碳化能力与混凝土的强度等级有线性相关的特点。水灰比、颗粒级配和混凝土的养护时间都影响到混凝土的密实度，密实度越小混凝土的密实度越好，氯离子在混凝土内扩散系数以及二氧化碳的扩散速度越小。

4)钢筋保护层厚度。

保护层直接将钢筋与外界隔离开来，防止了外界环境中的腐蚀介质直接与钢筋接触，它是防止钢筋锈蚀的一道屏障。庇护层的厚度越大外界环境中的腐蚀介质的扩散路径越长，腐蚀介质运输到钢筋外轮廓的时间就越长。

4 结论与建议

由于钢筋腐蚀会导致结构承载能力的降低甚至会造成结构耐久性失效，因此采取有效的措施来防止钢筋锈蚀是必要的，结构所处的环境不是人力可以解决的但是可以从施工过程以及材料本身来采取措施。

1)工程结构中可以加强钢筋的耐腐蚀性，在钢筋表面镀锌或者其他耐腐蚀的材料来防止钢筋锈蚀。

2)合理控制混凝土的施工配合比。在混凝土的和易性满足施工要求时降低水灰从而提高混凝土的强度，保证骨料级配连续并且控制粗骨料的最大粒径，这样就有效地提高了混凝土的密实度。

3)适当加大混凝土保护层的厚度。混凝土保护层越大，混凝土碳化到钢筋外轮廓的时间明显被耽误[9]。庇护层的厚度越大外界环境中的腐蚀介质的扩散路径越长，腐蚀介质运输到钢筋外轮廓的时间就越长。

4)严格规范混凝土施工过程中的工艺流程，混凝土的搅拌要均匀且严格控制振捣时间，严格把握混凝土施工的每一个施工环节。

[1] 金伟良.腐蚀混凝土结构学[M].北京：科学出版社，2011.

[2] 冯乃谦.日本混凝土耐久性问题的历史发展及其对策[J].混凝土，2003(7):14-17.

[3] 夏 宁，于孝明，任青文.混凝土结构耐久性研究现状[J].水利水电科技进展，2005,25(4):63-66.

[4] 毋 铭.混凝土中钢筋的腐蚀机理及腐蚀速率实用预测模型研究[D].南宁：广西大学硕士学位论文，2013.

[5] 王永霖.无机盐溶液对钢筋锈蚀的影响[D].重庆：重庆大学硕士学位论文，2015.

[6] 薛 斌，孙启荣，王辰宇，等.腐蚀钢筋混凝土结构研究现状及展望[J].能源与环保，2017,39(4):174-179.

[7] 陈丽金.混凝土结构钢筋腐蚀的产生、危害与修复技术[J].水泥与混凝土，2003(1):27-30.

[8] 周 剑.混凝土氯离子扩散性能影响因素的试验研究[D].杭州：浙江工业大学硕士学位论文，2010.

[9] 李雯霞，周 琦.混凝土碳化对钢筋的腐蚀及影响因素[J].甘肃科技，2008,24(9):132-134.

Corrosionmechanismofsteelreinforcementinconcreteanditsinfluencefactoranalysis★

LiuXiangwuChenMingzheng

(ChongqingUniversityofScienceandTechnology,SchoolofCivilEngineering,Chongqing401331,China)

It’s steel corrosion that durability of reinforced concrete structures is face with a difficult problem. In this paper, the corrosion mechanism of reinforced concrete structures and the destruction of structures caused by corrosion are discussed. And the factors affecting the corrosion of steel are analyzed. At last, to prevent steel corrosion, some proposals are put forward from the perspective of construction.

steel, reinforced concrete structures, durability, corrosion mechanism

TU375

A

1009-6825(2017)27-0041-03

2017-07-14★:重庆市自然科学基金(cstc2016jcyjA0934)；重庆科技学院研究生科技创新项目(YKJCX1620614)

刘祥伍(1992- )，男，在读硕士； 陈明政(1977- )，男，教授