混凝土结构中的钢筋腐蚀及其耐久性计算

苏红艳

鹤壁职业技术学院（458030）

0 前言

钢筋混凝土具备较高耐久性，在各建筑工程中得以广泛应用。目前建筑行业处于初级发展阶段，所以钢筋混凝土耐久性成为热议话题。当钢筋耐久性降低后，会增加经济损失，对国民经济发展影响非常大。

1 混凝土钢筋锈蚀对结构耐久性的影响

钢筋混凝土在耐久性结构中的腐蚀会产生较多不良影响。部分学者分析研究显示，钢筋混凝土腐蚀对于混凝土构造耐久性、可靠性影响非常大，涉及到外部要素和内部要素。内部要素主要为钢铁要求和施工要求，外部要素主要为环境要求。钢筋应力状态会极大腐蚀、影响结构，并且以应力腐蚀为主，危险性比较高，因此钢筋混凝土腐蚀对于结构耐久性的影响较大。通常情况下，钢筋应力腐蚀涉及到电化学腐蚀、裂隙发育等。电化学腐蚀极易引发钢筋断裂事故。钢筋对建筑结构的耐久性影响较大，当混凝土含碱量较低时，极易产生碳化反应，使建筑结构耐久性下降[1]。混凝土结构裂纹和钢筋腐蚀具备相互关系。因此，钢筋腐蚀和构造耐久性密切相关，出现钢筋腐蚀将会降低建筑结构耐久性。

2 钢筋混凝土耐久性的影响因素

混凝土耐久性主要是在实际应用期间，抵抗混凝土各类破坏因素，使其可以长期保持强度与外观完整性。混凝土结构正常使用中，因受到外部因素影响，无需专有资金维修和加固外观与缺陷。因此，钢筋混凝土耐久性的影响因素具体如下。

2.1 混凝土内部缺陷

混凝土内部存在缺陷，会影响混凝土密实度。当钢筋混凝土密实度下降时，将会引发多种问题，极大地影响钢筋混凝土耐久性[2]。

1）碱集料反应。该类反应主要是混凝土内部蕴含的碱性物质，集料活性成分的化学反应，致使混凝土损坏、开裂和膨胀，会极大影响耐久性。

2）渗漏。如果混凝土内部的密实度较低时，极易混合空气与水。混凝土内含化学物质与毒害物质，会导致钢筋混凝土遭受侵蚀，严重影响混凝土的耐久性。

3）冻融循环破坏。此种破坏是饱水状态下，混凝土由于冻融循环作用，出现的明显破坏问题。多是由于混凝土处于正负温度、饱水交替状态，渗透到混凝土内部的水会在低温状态下膨胀结冰，从而破坏钢筋混凝土内部结构。

4）化学侵蚀。硫酸盐、酸、碱、压力流动水，都包含腐蚀性物质，从而侵蚀钢筋混凝土。含侵蚀性介质与水产物的化学反应，缺乏凝胶功能。水溶解的水化产物，含侵蚀性介质、钢筋混凝土等，极易出现化学反应，从而严重影响钢筋混凝土耐久性。

2.2 混凝土外部缺陷

1）钢筋锈蚀，混凝土碳化。影响钢筋混凝土耐久性原因，离不开钢筋锈蚀损伤。当混凝土发生碳化发生时，会出现严重钢筋锈蚀问题。当混凝土呈现碱性时，混凝土水泥出现水化反应，致使钢筋混凝土表面出现钝化膜，阻挡钢筋锈蚀问题。在此种环境中，二氧化碳会产生酸性物质，极易渗透到钢筋混凝土内部、碱性物质水泥之间，从而发生化学反应，即混凝土碳化。

2）机械反复使用。在建造钢筋混凝土结构时，当应用机械开展多次冲刷磨损处理时，将会削弱混凝土结构，长此以往，会降低混凝土抵抗力。当建筑修建时间较长时，周边会生长青苔或生物，从而破坏混凝土结构，降低耐久性。

3）海水侵蚀、雨水侵蚀、高低温等气候环境因素，也会影响钢筋混凝土结构的耐久性。当钢筋混凝土密实度不够时，环境内部存在侵蚀介质，极易进入到混凝土结构中，破坏混凝土自身强度，还会降低钢筋混凝土的耐久性。

3 钢筋腐蚀过程的物质量描述与电化学理论计算

钢筋腐蚀的物质包括氧化铁、水、氧气、氢氧化铁、氢氧化亚铁、氯离子。与凝结物表面平面相垂直，利用钢筋中心作为分析平面、混凝土表面与钢筋表面边界。对平面中任意一点，通过物质量守恒可知:

钢表面电极反应导致氧和氢氧化亚铁变化及孔隙水渗透导致的水变化，均可以忽略不计。通过菲克定律定义可知:

在（2）中，D表示物质扩散系数，w表示孔隙水，O为氧气，C为氮气，f为氢氧化亚铁。利用麦克斯韦方程、欧姆定律可得:

其中，i是一个点的电位与电流密度，即混凝土电阻率。基本微分方程组成包括（1）～（3）。电场与物质边界要求、促使要求，能够对每个点质量变化进行描述。钢棒阳极区域，氢氧化亚铁被氧化为氢氧化铁。按照反映的力学的反应速度定律、Fick定律、电化学基本理论、电量与物质平衡要求，联合欧姆定律获得方程组:

在（4）中，R*表示腐蚀电流闭合回路电阻，SA表示阳极面积，SO表示阴极面积，nF值为1。通过（4）方程组，可以获得理论腐蚀电流值，属于混凝土氧气扩散因素。

4 钢筋锈蚀的防护措施

4.1 避免氯离子侵蚀

氯离子侵入极易造成钢筋锈蚀，氯离子会通过渗入、混入方式进入混凝土。电化学法保护法可以避免氯离子入侵混凝土，涉及到阴极保护法和阳极保护法。其中，阴极保护法的经济性及有效性高，因此应用较广。阳极保护是连接保护金属构件、直流电源正极，电流通过时会产生电化学反应，从而形成钝化区，保护金属构件[3]。

4.2 提升混凝土密实度

外界有害物质进入混凝土内部孔隙，极易深入到混凝土内部，从而到达钢筋表面，致使钢筋锈蚀。因此，为了避免外部有害物质影响，必须加强混凝土密实度。只有确保混凝土孔隙率降低，才可以增加混凝土密实度。所以，降低混凝土拌和用水量，可以降低孔隙率。但是如果仅仅将混凝土拌和用水量减少，不仅会降低工作性能，还会产生蜂窝现象。因此，工程规划设计时，必须对混凝土构件裂缝宽度进行控制，合理设定保护层，同时控制原材料质量，确保振捣操作的有效性，以此维护混凝土的密实度[4]。

4.3 混凝土裂缝控制

混凝土裂缝对混凝土材料耐久性、承载性能、抗渗性能影响较大，还会影响建筑寿命与外观，严重威胁人们的生命安全，所以必须对混凝土裂缝进行科学控制。第一，选择收缩量小，低、中热水泥，例如粉煤灰水泥、矿渣水泥等。第二，混凝土干缩性极易受到水灰比影响。当水灰比越大时，则干缩性就越大，因此必须对水灰比进行科学控制。适当添加高效减水剂，提升混凝土和易性与坍落度，减少水泥与水用量[5]。

4.4 使用阶段的检修与维护

由于建筑施工与运营时间长，因此极易产生老化问题。设计标准低下，会造成一系列检修维护难题，从而加剧工程安全隐患。在使用钢筋材料时，多数问题都是由于技术或资金不到位所致。基于长远发展眼光，应当增加检修维护费用，积极投入到检修维护中，避免钢筋混凝土建筑结构受到影响，降低混凝土耐久性[6]。

4.5 制定混凝土钢筋标准

制定钢筋混凝土标准。钢筋加固的标准要求高。在特定外部要素、良好耐腐蚀性条件下，必须全面提升建筑结构耐久性。由于钢筋标准比较低，则上述要素会相互渗透，从而加剧钢筋腐蚀，所以必须按照不同情况，灵活使用混凝土钢筋标准。

5 结语

混凝土耐久性在自然环境与使用条件影响下，可以有效抵抗材料性能劣化，维护结构适用性与安全性。结构设计期间，使用年限内抵抗外部环境、内部侵蚀影响。钢筋锈蚀可以减小钢筋截面积，促进混凝土保护层胀裂剥落。通过减小钢筋截面积，能够使构件承载力降低，进一步促使构件疲劳性能、延性、韧性下降。尤其是预应力构件，当出现初始腐蚀迹象后，局部腐蚀位置丧失剩余承载力，在无预兆情况下，会出现发生崩塌问题。当混凝土保护层剥落、胀裂之后，会破坏钢筋混凝土的黏结力，裂缝会造成钢筋从混凝土内部拔出。