工程建筑裸露钢筋锈蚀防治简述

张建文，卢锦龙，卢锦智，郑广育，刘国文

（1、东莞市滨海湾新区控股有限公司 广东 东莞 523867；2、广东凌昊建筑工程有限公司 广东 东莞 523882；3、广东工业大学土木与交通工程学院 广州 510006）

0 引言

随着我国土木工程行业水平的不断提升，新材料与新结构不断涌现［1-3］。在众多建筑材料中，钢筋已经成为建筑工程中不可或缺的重要材料。然而，在建筑工程停工情况下，钢筋容易受到大气、水分、氧气等外部环境的影响，从而导致钢筋表面产生锈蚀现象，严重影响钢筋使用寿命和工程质量。因此，在建筑工程停工期间，钢筋防锈措施变得尤为重要。通过采取科学、合理的钢筋防锈措施，可以有效地保护钢筋不受锈蚀的影响，从而延长钢筋使用寿命，提高工程质量，降低后期维护成本。

在钢筋防锈措施选择上，一般采用的方法是涂刷防锈漆或涂层，这些涂料可以形成一层保护层，有效地防止钢筋被氧化、腐蚀和生锈。此外，也可以采用覆盖物、覆盖层等措施来防止钢筋受到外部环境的侵蚀和损坏。在实际应用中，钢筋防锈措施需要考虑多方面因素，包括施工现场环境条件、建筑工程使用情况、钢筋种类和材质等等。因此，在选择钢筋防锈措施的同时，也需要根据具体情况进行合理的施工计划和施工方案。

总而言之，对于停建工程钢筋防锈措施来说，科学、合理的防锈措施对于保护钢筋不被腐蚀和氧化具有非常重要的作用。只有通过严谨的施工计划和防锈方案，才能确保建筑工程的质量和安全性，提高钢筋使用寿命，从而保护投资者利益。

1 钢筋锈蚀的影响

钢筋在建筑结构中起着非常重要的作用，其主要作用是增强混凝土的抗拉强度，从而提高整个建筑结构的强度和稳定性。然而，如果钢筋受到锈蚀的影响，就会严重削弱其抗拉强度，导致整个建筑结构的稳定性受到威胁。

钢筋锈蚀会导致钢筋直径变小，钢筋截面积减小，从而使钢筋的承载能力有所降低。高向玲等人［4-6］的研究结果表明，当钢筋锈蚀率在1%～5%时，其应力-应变曲线中的屈服点和平台不明显，但其抗拉强度和屈服强度仍可视为与未锈蚀的钢筋相同。然而，在计算钢筋承载力时仍需考虑钢筋截面减少的因素；当钢筋锈蚀率在5%～10%时，没有明显屈服点，抗拉强度和屈服强度均开始降低；当钢筋锈蚀率在10%～50%时，钢筋严重锈蚀，没有屈服点，各项力学性能均发生严重退化。当钢筋锈蚀率大于50%时，构件承载力严重降低，基本不考虑钢筋的作用，与未配筋构件相差不大。因此，钢筋锈蚀对钢筋承载力影响不能忽视。此外，钢筋锈蚀还会使钢筋和混凝土之间的粘结力降低［7］，降低了整个建筑结构的稳定性和抗震能力。长期停建工程的钢筋锈蚀还会导致钢筋内部应力分布不均，从而产生更多的裂缝和缺陷，进一步加剧建筑结构的损伤。

钢筋锈蚀会影响房屋建筑的耐久性和安全性。钢筋一旦受到锈蚀的影响，房屋建筑就容易出现混凝土断裂、脱落等问题，严重影响建筑结构的使用寿命和安全性。如果项目因一些不可抗拒的原因长期停建，钢筋防腐措施不得当，则钢筋的腐蚀速度可能会更快，导致建筑结构的安全性更加受到威胁。

2 钢筋锈蚀原理

钢筋主要由铁、碳和其他元素（如锰、硅等）组成。其表面锈蚀程度和速度与环境因素密切相关，环境中的湿度、酸碱度、氯离子、氧气等皆有影响。当钢筋表面与空气或水接触时，在钢筋表面上会形成许多微小原电池［8］，在氧气和水分的条件下，钢筋的在阳极区会发生氧化过程：

在阴极区则会发生氧气和水的还原反应：

阳极区的Fe2+会向四周扩散，流向阴极区时与OH-反应，生成Fe（OH）2，如下：

当氧气充分时，Fe2+会被进一步氧化，即：

Fe（OH）3脱水之后就变成我们熟知的疏松多孔的红锈Fe2O3，即：

以上为钢筋锈蚀主要原理，若能够隔绝水分或者氧气其中一样物质即可有效阻断氧化还原反应，从而防止钢筋锈蚀。此外，钢筋的化学成分对其表面锈蚀的程度和速度有着重要的影响。例如，含碳量高的钢筋表面容易发生锈蚀，而含有铬、镍等元素的不锈钢钢筋则相对不易产生锈蚀。

另一个钢筋锈蚀本质原因是微观结构的变化。钢筋的微观结构主要是由铁原子构成的晶体结构，通常称为铁素体。铁素体中的铁原子排列成紧密堆积的晶格结构，因此强度较高。然而，当钢筋受到腐蚀时，氧化铁会产生在铁素体的晶体结构中。据研究［9］，氧化铁的体积比原来的铁大得多，钢筋锈蚀的产物Fe2O3·3H2O的体积相当于Fe的6.4倍左右。这些氧化物导致晶体结构的体积膨胀，使钢筋产生微观裂纹，加速了钢筋的腐蚀，最终导致了结构的疲劳和失效。

3 裸露钢筋防锈措施

目前在建筑工程中，钢筋的防腐蚀和防锈措施主要且常见的有：涂有机防锈涂层、添加钢筋阻锈剂、镀锌层、包裹水泥浆等。在实际工程中，常常会采取多种防锈措施相结合的方法，或者采用改性防腐涂料以达到更好的防锈效果。此外，钢筋的防锈措施需要严格按照相关标准和规范执行，以确保防锈效果和工程质量。

3.1 环氧树脂涂料

环氧树脂可广泛应用于建筑工程的筋材防锈。无机纳米填料、宏观结构设计和环氧树脂分子设计是效果最卓越的改性方案之一，可用于改善环氧树脂涂料的性能［10］。它的优异性能和广泛适用性使其成为防护钢筋的理想选择。

我国在20 世纪90 年代中期引进了环氧树脂涂层钢筋，并进行了研究和应用。为解决涂层钢筋在混凝土结构中的粘结性能、锚固长度、绑扎搭接长度设计取值，以及对构件使用阶段裂缝和刚度的影响等问题，进行了大量试验研究，并制定了相应的行业标准规范［11-12］。环氧树脂涂料的耐化学腐蚀性能优越，能够防止氧气、水和其他腐蚀物质对钢材的腐蚀作用。因此，它广泛应用于海洋和地下等腐蚀性环境下的建筑工程中。如我国早期将环氧树脂涂层钢筋试点应用在北京西客站南广场地下通道和宁波大桥，其表现出来的工程效益良好，结构耐久性大幅提高，总体降低了未来的维修费用［13］。此后，环氧树脂涂层钢筋在沿海地区的工程得到了青睐，广东汕头LPG 石油码头、上海宝钢马迹山矿石码头、厦门演武跨海大桥等重大工程得到了应用［14］，并且在钢筋防腐防锈方面均取得成功。

其次，许多学者采用添加物来改性环氧树脂的性能，使其在某个或多个方面的性能得到增强。马俊等人［15］制备的氧化石墨烯改性环氧树脂涂料，防腐性能相比无改性的环氧树脂涂料有较大的提升；夏银凤等人［16］以SiC 微小颗粒为增强相制备的SiC 改性环氧树脂耐磨涂料，其抗冲蚀磨损能力与90 氧化铝陶瓷相当，具有良好的机械强度和耐磨性能，能够减少裸露钢筋因磕碰导致涂料脱落引起锈蚀的问题。改性环氧树脂涂料还具有良好的涂装性能以及良好的流动性和自流平性，能够在钢结构表面形成平整、均匀的涂层，保证了钢筋的耐久性。如肖明等人［17］研究的有机金属框架材料/水性环氧树脂复合涂层，相比无改性环氧树脂材料的水接触角和涂层阻抗性能有大幅提高，使其更适合应用在金属材料表面的涂层上。

此外，环氧树脂涂料本身具有很强的附着力和抗剥落性，能够有效防止涂层剥落和脱落。改性环氧树脂能够进一步增强其抗剥落性能。如何丽红等人［18］利用二甲基二氯硅烷与环氧树脂合成有机硅改性环氧树脂并水性化，与高岭土复合得到水性有机硅改性环氧树脂涂料，使其拉伸强度和粘结强度分别达到了2.08 MPa 和46.55 MPa。该研究团队考察了其改性环氧树脂涂料其他的性能，包括耐紫外线和耐高温性能，并发现其展现出卓越的性能。

虽然环氧树脂涂料在各个性能方面表现优异，但其价格较高。根据市面价格，环氧树脂涂层钢筋比普通钢筋价格高50%左右。刘洋［19］的研究结果表明，采用环氧树脂涂层钢筋增加的费用占整个工程总造价2%以上，是一笔不少的费用。若采用人工对裸露钢筋涂抹环氧树脂进行防锈处理可能比直接采用环氧树脂涂层钢筋的成本更高。其次环氧树脂涂料对基材表面的处理要求较高，需要清理干净，表面光洁度要求高。并且需要在一定的温度和湿度条件下施工，要求施工现场的温度和湿度控制精度高，施工难度较大。与此同时，普通环氧树脂涂料长期在高温环境下易发生脆化、变色等现象。在施工过程中，由于环氧树脂涂料的固化过程中会释放出气体，如果不能及时排出气泡，涂膜表面会产生缺陷。

3.2 钢筋阻锈剂

钢筋阻锈剂是一种防锈材料，能够在钢筋表面形成一层保护膜，阻止钢筋与环境中的氧气、水分等发生反应，从而达到防止钢筋锈蚀的目的，多数用于防止海洋环境下氯盐对钢筋的侵蚀。钢筋阻锈剂通常是涂在钢筋表面上的一种化学材料或者是作为添加剂掺和在混凝土里面，具有极强的附着力和抗腐蚀性能，能够形成一层厚度均匀、致密、不易剥落的保护膜，有效延长钢筋的使用寿命。同时，钢筋阻锈剂不会对钢筋的物理性能和力学性能产生明显的影响，具有较高的稳定性和可靠性［20］。钢筋阻锈剂可分为阳极型阻锈剂、阴极型阻锈剂以及复合型阻锈剂，不同阻锈剂的阻锈原理不同。在钢筋锈蚀的过程中，阴阳极反应之间需保持得失电子平衡。因此钢筋锈蚀的速度受阴阳极反应速度的影响。

阳极型阻锈剂是通过控制阳极区铁基体失去电子的速度来达到阻锈的目的。阳极型阻锈剂主要包括亚硝酸盐、钼酸盐等无机盐。李涛［21］针对氯盐和硫酸盐的侵蚀，探究了亚硝酸钙系和亚硝酸盐钠系防腐阻锈剂的钢筋防腐效果以及对混凝土的影响。结论表明，防腐阻锈剂中亚硝酸盐的掺量≥7.5%才能起到阻锈效果，且亚硝酸盐掺量为8.5%即可起到良好的阻锈效果。但在高氯盐恶劣的条件下，钢筋仍然会出现氯盐腐蚀现象，甚至是耐蚀合金钢筋都难逃一劫。对此，吴淼［22］针对高氯盐环境下，探究了钼酸盐防腐阻锈剂对耐蚀合金钢筋的防腐效果。研究表明，钼酸盐不仅能与钢筋发生反应形成保护性产物，还能够与氯离子发生竞争吸附，从而提升了低碳钢筋和10%Cr钢筋的耐氯盐点蚀能力。

阴极型阻锈剂有磷酸盐类阻锈剂和脂肪酸酯阻锈剂等。其作用机理与阳极型阻锈剂类似，通过生成脂肪酸盐来抑制阴极区得到电子的速度来减缓钢筋的锈蚀作用。同时阴极阻锈剂能增大介质的pH 值，有效的降低了铁锈的溶解度。当阻锈剂浓度不足或与氯化物的比率不合适时，阳极区会继续发生点蚀现象。这是因为在阴极型阻锈剂生成的非融盐量较低或吸附膜过薄的情况下，局部的锈蚀钢筋仍然会发生电子转移，最初仅限于阳极区的点蚀位置。随着时间的推移，点蚀范围会逐渐扩大。目前，纯阴极型阻锈剂的使用已经相对较少，而更常见的做法是将其作为复合型阻锈剂的成分之一［23］。

复合型阻锈剂包括ZnO 与Ca（OH）2的复合物以及绝大多数的有机类阻锈剂，其的阻锈作用比较全面［24］，主要为以下几方面：①增大钢筋所在环境的电阻率；②提高混凝土的密实度，以达到控制水分入侵的效果；③调控混凝土内部的pH 值；④在钢筋阴阳极区形成保护层。在3 种阻锈方式当中，复合型的阻锈性能表现最好。

3.3 锌基镀层

镀锌层的防腐可以起到双重防护的作用：①在混凝土腐蚀环境中，锌能在钢筋表面形成一层致密、坚固、耐腐蚀的Zn（OH）2保护层。在含少量氯离子情况下还会形成ZnCl2·4Zn（OH）2保护层。保护层将金属基体和它所处的腐蚀环境隔离开来，阻止有害离子对会属的侵蚀，保护钢铁基体［25］；②即便在较为恶劣的易锈蚀环境中，锌比铁更为活跃，能够替代钢筋，在电化学反应中作为阳极牺牲，防止钢筋锈蚀，从而起到双重防护的作用。目前主要采用热浸镀锌和冷镀锌（电镀锌）两种方法进行镀锌。但考虑到工程量以及施工难度的问题，对于长期停建工程的裸露钢筋采用镀锌的方法防锈并不现实。现阶段已有一种经济简单的锌粉防锈方法，其主要步骤如下［26］：⑴通过计算钢筋锈蚀重量来换算锌粉的有效使用量；⑵锌粉的实际使用量为锌粉的有效使用量乘以调整系数；⑶在浇筑混凝土时，当混凝土与第一层钢筋齐平后，向钢筋周围均匀撒入实际使用量的锌粉；⑷继续浇筑混凝土，当混凝土与另一层钢筋齐平后，继续用锌粉防锈；⑸当所有钢筋都防锈处理完成后，最后完成整根混凝土构件的浇筑。

总体来说，采用锌基镀层钢筋防锈方法具有很高的防腐蚀性能和施工便利性，对于裸露钢筋采用该方法是可行的。但成本较高且无法避免钢筋在弯曲、剪切等过程中的局部损伤和脱锌现象，从而影响其防腐蚀性能，应根据具体情况选择适合的钢筋防锈方法。

3.4 水泥浆包裹

水泥浆包裹是指外露的钢筋在经过除锈这一过程后，在其表面直接涂刷水泥浆保护层，以便起到保护外露钢筋的作用。这种处理方法简单便捷，其防护效果取决于水泥浆的配合比，施工质量以及保护层厚度等［27］。通常采用108 胶加纤维素和42.5R 水泥搅拌成水泥胶浆，灰胶比为1∶2，用毛刷涂刷均匀，裹住钢筋表面，厚度控制在1.5 mm 以上。间隔6 个月涂刷一次。后续施工启动时清除。此方法杜绝钢筋与氧气接触，减缓钢筋氧化速度，一般后期继续施工时钢筋仍比较明亮，出现锈斑几率较小。

水泥浆可以对钢筋进行一定程度的包裹和保护，且成本较低。但水泥浆的孔隙度较大，难以达到完全密封的效果，从而无法避免钢筋在潮湿环境下的锈蚀。此外，由于水泥浆本身的化学性质，如果施工不当或者浆体质量不佳，反而可能会加速钢筋的锈蚀。因此，即使采用水泥浆包裹的方式进行钢筋防锈，也需要严格控制施工质量，同时配合其他的防锈措施进行使用，以获得更好的防锈效果。

4 结论

本文基于现有的文献，探讨了钢筋锈蚀影响和原理，并且重点对建筑钢筋主要防锈措施的应用状况进行了归纳总结，得出以下几点结论：

⑴环氧树脂涂层钢筋在建筑、桥梁、港口、道路、铁路和海洋工程等领域都有广泛的应用前景。并且在我国有相应行业标准规范和多个成功应用案例。另外，环氧树脂具有广泛的改性方案，可针对特定性能改性增强。然而，对工程建筑裸露钢筋涂刷环氧树脂会带来施工难、成本高等问题，在实际应用中需要综合评估和考虑。

⑵对于长期停建工程裸露钢筋保护采用钢筋阻锈剂的方法能够有效防止钢筋锈蚀，它通常可以与混凝土、水泥等常见材料掺合使用，无需对混凝土配合比做出调整，施工较为方便。但其使用成本较高，且钢筋阻锈剂的使用需要一定的技术和专业知识，操作不当可能会影响防锈效果，因此需要使用者进行成本权衡。

⑶锌基镀层是一种可靠的钢筋防锈方法，具有优异的防腐蚀性能、良好的附着力和一致性，以及较长的使用寿命和可持续性。在钢筋混凝土结构中广泛应用锌基镀层技术，可以有效提高结构的耐久性和减少维护成本，为工程建设提供可靠保障。然而，仍然需要进一步研究和实践来优化锌基镀层的性能，以满足不同环境和应用条件下的需求。

⑷水泥浆包裹具有良好的可操作性和适用性。水泥浆包裹钢筋可以保证钢筋短期内不出现锈迹，且水泥浆包裹技术简单易行，可以在施工现场进行，无需特殊的设备和条件，成本较低。但如果施工不当或者浆体质量不佳，反而可能会加速钢筋的锈蚀。