混凝土中钢筋锈蚀与结构耐久性相关情况研究

(重庆交通大学 重庆 400074)

一、引言

钢筋混凝土工程作为世界上应用最为普遍、范围最广的结构形式,其混凝土中钢筋锈蚀导致结构物破坏或失稳的问题，已成为当今世界土木工程界普遍关注的重大课题。

二、混凝土中钢筋锈蚀对结构耐久性的影响

近年来，建筑行业飞速发展，钢筋混凝土结构被大量使用，所以结构的耐久性越来越被关注，其中钢筋锈蚀更是首要关注的问题。钢筋锈蚀对结构损坏大致的分为三个阶段，第一阶段是锈斑、锈片偶现在钢筋表面的局部地方；第二阶段是整体钢筋外部都锈蚀了，并且发生膨胀形式，与保护层逐渐脱离开，产生层裂现象；第三阶段表现为钢筋锈蚀并且进一步膨胀，混凝土构件本身发生破坏，出现顺着钢筋方向胀裂现象，混凝土逐渐与钢筋脱离，最后钢筋还在不断锈蚀，其有效面积逐渐减少，结构构件自身的承载力不断减少，直到钢筋混凝土构件丧了失承载的能力。据资料表明，在我国内，由于钢筋锈蚀致使结构耐久性减少而倒塌的民用建筑中不在少数。

大致来说，钢筋的锈蚀对混凝土结构力学方面的影响主要体现在三方面[1～3]：(1)对于钢筋，钢筋锈蚀减小了钢筋的有效截面，改变了钢筋力学性能，降低了钢筋的刚度，增大了变形，从而改变了破坏模式。(2)对于混凝土，钢筋锈蚀形成了锈胀应力，体积增至原来的2-4倍，锈胀开裂，最终导致保护层混凝土剥落，受拉区混凝土面积的减少,使参与受拉的混凝土减小和纵向受拉钢筋中的应力变得均匀，受压区混凝土的减少,使受压区有效受压高度减少，导致混凝土有效面积减小，降低了结构的承载力。(3)对于钢筋混凝土结构，进一步的腐蚀导致钢筋尺寸的显著减小，这反过来加宽了混凝土覆盖层中的裂纹，并因此降低了混凝土结构件的粘结应力，即粘结的残余强度和弯曲强度，最终导致延性破坏转变为不明显的脆性破坏[4]。这三方面影响严重危害到结构的耐久性，降低建筑物的使用寿命。因此了解钢筋锈蚀的机理和采取必要的防治措施是很重要的。

三、混凝土中的钢筋锈蚀机理

钢筋表面发生的锈蚀分为化学锈蚀和电化学锈蚀，化学锈蚀是锈蚀没有电子的流动，钢筋表面与气体或介质溶液接触发生的锈蚀，这只是锈蚀现象的一小部分。而化学锈蚀是钢筋表面与锈蚀介质发生电化学反应而引起的锈蚀，并且绝大部分锈蚀都属于电化学锈蚀。研究表明[5～6]，该钝化膜中含有大量Si-O，可以有效阻隔钢筋和外界物质接触，这正是混凝土中的钢筋在正常情况下不受腐蚀的主要原因。但是这种钝化膜只能高碱环境下产生，如果PH值降到11.5左右，钝化膜就会位于活性状态，性状不再稳定；当PH值降低到9-10，钝化膜被完全破坏，不起作用，钢筋没有介质与阻隔，锈蚀就有条件发生[7]。

所以分析混凝土碱性降低就成为了关键的步骤，查阅大量相关资料，了解到混凝土碱性降低的情况主要是由两种原因引起的(1)混凝土发生碳化(2)氯离子侵蚀。就是当混凝土碳化程度达到一定量值时，就使得钢筋钝化膜周围的混凝土碱性降低，钝化膜就会遭到破坏，如果此时钢筋表面存在水分和氧气，则钢筋表面将发生电化学反应。导致铁锈体积膨胀,对周围混凝土产生压力,将使混凝土沿钢筋方向开裂,使保护层逐渐脱落,而裂缝及保护层的脱落又进一步导致更剧烈的锈蚀。

四、钢筋锈蚀影响因素和防治措施

根据郑州大学的尚琛煦等人的研究[5～6]，表明钢筋锈蚀影响因素有：钢筋材质，钢筋应力状态，水泥品种，混凝土密实度，裂缝对钢筋腐蚀的影响，混凝土中性化(碳化)，氯离子含量，保护层厚度，湿度等。基本原理如下：

钢筋的材质对锈蚀产生的影响是由于钢筋的不均匀性会导致电位差和形成腐蚀电池，从而也是锈蚀产生的一个有利条件[8]。

水泥品种就是水泥的组成成分的不同对锈蚀也有一定的影响，同一环境中，混凝土强度等级越低，钢筋锈蚀越严重。

混凝土的碳化是指大气中的CO2不断的向混凝土内部扩展，与混凝土中的碳水化合物发生化学反应的过程，破坏了钢筋的钝化保护膜。

环境温度、湿度因素。当温度小于10℃时，锈蚀的反掌速度缓慢。研究表明，湿度越大，钢筋锈蚀越快。

混凝土的组成成分在一定的情况下也是影响钢筋锈蚀的因素。混凝土的密实度越高，钢筋的锈蚀就会相对慢一些。

钢筋混凝土中的外部添加剂也是影响钢筋锈蚀的一个关键。掺入外加剂，可以有效的提高极化电阻，降低锈蚀电流和锈蚀速率。

保护层厚度越厚越可以阻止外界腐蚀介质的渗入，氧气和水的渗透路径越长，开始锈蚀的时间越晚，锈蚀速度越慢[9]。

因为钢筋锈蚀是多因素综合作用的结果，所以防止钢筋锈蚀也须从多方面考虑。钢筋锈蚀的预防措施主要有常规措施和特殊措施两类。

设计时采取的措施：首先应充分考虑护筋措施,尽可能增加保护层厚度。在结构选型和细部设计时,应尽量在混凝土面上的接缝和密封处做好排水措施、减少其受潮和潮湿的表面积。

施工时采取的措施：做好钢筋的存放处理，注意防水防潮，当出现锈蚀时，应进行防锈处理，若锈蚀严重则报废处理。

特殊措施是当设计有误，或环境原因，即常规措施不能起到保护作用时所采用的，包括以下等措施：(1)采用耐锈蚀钢筋。(2)采用静电喷涂粉末环氧树脂钢筋。(3)在混凝土拌合物中掺阻锈剂。(4)采用阴极保护措施。(5)在构件表面涂覆盖层。

五、结论与展望

综上所述，可知钢筋锈蚀会降低混凝土结构的耐久性，给混凝土建筑物带来严重的危害，但在实际的建筑施工中，根据钢筋锈蚀的机理和影响钢筋锈蚀的多种因素，采取科学的防锈措施是能够防止和推迟混凝土中的钢筋锈蚀，从而提高混凝土的使用性和耐久性。因此，在未来我们可以多关注于防锈新材料的研究，和施工控制管理的增强，尽量减少锈蚀的发生，增强结构的安全性，避免人员伤亡和经济的损失。