混凝土中钢筋的锈蚀与防护*

汪旭东

(中铁十八局集团有限公司隧道工程公司，陕西商洛726001)

混凝土中钢筋的锈蚀与防护*

汪旭东

(中铁十八局集团有限公司隧道工程公司，陕西商洛726001)

本文对混凝土中钢筋的锈蚀机理进行了分析，并针对性地提出了各种预防措施。

混凝土;钢筋;锈蚀;防护

钢筋混凝土材料是当今用量最大、最主要的建筑工程材料，也是当今各种建筑材料中耐久性较好的一种材料。随着工业和建筑业的迅速发展，钢筋混凝土建造的建筑工程和设施越来越多。但是，由于建筑物所处环境介质的腐蚀以及设计、施工和使用等诸多因素的影响，钢筋混凝土结构物都程度不同地遭受各种侵蚀介质的腐蚀损坏。直接影响混凝土结构的耐久性，混凝土强度及其与钢筋粘结强度等基本性能降低，给国民经济的发展和安全生产造成重大的损失。因此，分析混凝土中钢筋的锈蚀原因并找到阻止其锈蚀的原因就显得尤为重要。

一、混凝土中钢筋的锈蚀机理

(一)钢筋的钝化

拌制常态混凝土的硅酸盐水泥含有大量的硅酸钙，水化时会生成大量氢氧化钙晶体(约占15%～30%)沉积于水泥石中，所以混凝土孔隙液总是氢氧化钙的饱和溶液，加上水泥中所含可溶性碱(K2O、Na2O)，使孔隙的pH值高达12.5～13.5。钢在这种高碱性溶液中由于初始的电化学腐蚀作用，会迅速形成一层非常致密的厚约2×10－8m的Fe3O4/γ－Fe2O3(尖晶石子固溶体)的膜。这层膜牢牢地吸附于钢表面上，使它难以继续进行阳极反应。从电化学动力学上看，就是由活态变为钝态，这层膜被称为钝化膜。在工程中实际采用的钢筋，往往带有高温氧化皮和铁锈。它们在水泥水化后数小时内都会被破坏，所以这种钢筋在混凝土中也能迅速钝化。使钢筋的锈蚀率陡然降低，实际上，钢筋的锈蚀为阳极钝化这一种电化学反应所制止。如果可以长期保护混凝土所固有的这种致钝性，钢筋就可以永远处于钝化状态，不会锈蚀。因此，经济长效地保持混凝土所固有的这种致钝特性，就是解决混凝土中钢筋锈蚀问题、保持钢筋混凝土耐久性的一条最根本的途径。

(二)去钝化

钢筋钝化膜的破坏称为去钝化，是混凝土中钢筋锈蚀的先决条件。如前所述，具有钝化膜的钢筋，即使它周围混凝土具有适当湿度，具备水与氧，混凝土电阻率也不高，钢筋也是不会锈蚀的。钢筋钝化膜一旦破坏，如果混凝土具有适当湿度，即对钢筋阴极反应所需的水与氧供应均无困难，混凝土中钢筋就会开始锈蚀。

二氧化碳和氯离子是破坏混凝土中钢筋钝化膜的两个最常见的环境介质。因此，混凝土中钢筋去钝化机理有下列两种:

(1)混凝土的碳化

二氧化碳溶于水，呈弱酸性，空气中的二氧化碳气体不断地沿着不饱和水的混凝土连通毛细孔渗入混凝土中，与混凝土孔隙液中的氢氧化钙进行中和反应，生成低碱性的碳酸钙，这称为碳化，它使混凝土孔隙液的pH值降到10以下，而钢的钝化膜在高碱性介质中才稳定，而在pH值降到小于11．5时，就不稳定;pH值降至10以下时，就完全失钝。所以当混凝土碳化深度达到钢筋表面时，钢筋钝化膜就会破坏。凡是能与氢氧化钙进行中和反应的一切酸性气体，如工业大气中所含的二氧化硫、三氧化硫、硫化氢以及气相氯化氢等都能降低混凝土碱度，使钢筋失去钝化。

(2)混凝土的盐污染

在常见的污染物中，氯化物(氯盐，以下简称盐)为最能促使混凝土中钢筋去钝化的物质。盐污染混凝土有两种途径:一种是由混凝土原材料带入混凝土拌合物中的，如海产骨料、拌合用盐水、含盐的早强剂、减水剂等;另一种是混凝土硬化后，渗入混凝土的含盐环境介质，如海水、海雾和浪花以及冷天为防止高速公路路面冰冻而撒布的化冰盐。氯离子只能在水中传输，它在混凝土中的传输方式有两种。一是在不流动的水柱，由于氯离子浓度差一起的单纯的离子扩散;二是在干燥材料的毛细孔中，含氯盐的水被毛细管吸收。至于温度影响，因为在不高于80℃的气温下氯离子活度、氯离子扩散率氧的扩散率以及水分蒸发速度均随温度升高而增大，而氧在水中的溶解度随温度升高降低不多，pH值也降低不多，所以混凝土中钢的锈蚀速度与温度成正比。

二、钢筋锈蚀的预防措施

(一)设计方面

结构选型和细部设计时，应尽量限制在混凝土面上、接缝和密封处排水、积水;应尽量减少潮湿和溅湿的表面积。在棱角或凸处，侵蚀介质可同时从多个方面渗入混凝土;而凹处，承载构件应力异常，容易开裂，凹凸处均加剧其中钢筋的锈蚀，所以构件形状应力戒单薄、复杂、带棱角，特别是要使这种部位避开频繁的干湿交替的浪溅区域。钢筋锈蚀引起的混凝土顺筋裂缝，一旦形成，也是不可控制的，应以保证钢筋长期不锈蚀的有效措施事先预防。

(二)混凝土保护层的质量与厚度

有盐污染环境中的钢筋混凝土结构，免遭钢筋锈蚀破坏的基本预防措施是最大限度的降低混凝土保护层的渗透性，并具有适当的厚度。虽然，惯用硅酸盐水泥常态混凝土并不是完全不渗透的，但是只要采用优质材料、尽量低的水灰比，则可以制备渗透性很低的混凝土。为保证混凝土拌合物具有必要的工作性，常态混凝土拌合水量远大于水泥充分水化所需的结合水量。多余水分在混凝土中形成连通毛细孔，成为氯离子、二氧化碳、氧气和水渗入混凝土的主要通道，因此，水灰比愈大，混凝土中毛细孔也愈多，混凝土渗透性愈大，对钢筋的保护作用就愈差。

(三)水泥品种、掺合料与外加剂

掺矿渣、粉煤灰或天然火山灰等矿物质掺合料以代替部分硅酸盐水泥或采用掺混合料的硅酸盐水泥，由于它们与水泥的水化产物氢氧化钙反应产生凝胶体的过程比水泥水化反应慢。火山灰反应生成的水化硅酸钙凝胶体，后期可以封堵混凝土中毛细孔，从而显著改善骨料与水泥浆体界面区显微组织，减少微裂缝，可以结合更多氯离子，甚至还可以组织二氧化碳侵入，从而降低混凝土的碳化速度，提高混凝土对钢筋的保护能力。

(四)静电喷涂粉末环氧树脂钢筋

镀锌钢筋，由于锌比钢更活泼，具有较负的腐蚀电位，当锌层局部损伤时，可以其自身的腐蚀，为钢筋基材提高阴极保护作用。静电喷涂粉末环氧树脂钢筋，它是在工厂流水线上，严格控制各种工序工艺条件下涂覆的。由于除锈彻底、环氧树脂涂覆均匀，热熔固化充分、均匀、迅速;并连续通过高压电的针孔检测和及时修补，所以可使钢筋与环境侵蚀介质氯离子、水、氧气等完全隔离，无论混凝土已碳化或是已被盐严重污染，它均具有极高的耐腐蚀性能。

(五)混凝土拌合物中掺阻锈剂

钢筋阻锈剂是掺加于混凝土拌合物中，通过单分子层的化学反应阻止钢筋表面阳极或阴极过程的一种外加剂。它主要用于预防盐污染混凝土引起的钢筋锈蚀，阻锈剂使用方便，不必专门维护，可均布于整个混凝土中，不仅集中于混凝土保护层这一关键部位，且费用低廉，是一种经济有效的防护措施。

(六)混凝土表面涂覆

从钢筋的锈蚀机理可知，混凝土碳化和氯离子渗透是导致钢筋钝化膜破坏的主要因素。钝化膜破坏后，由于氧的继续渗入，在水分子存在的条件下钢筋产生了电化学锈蚀。因此，在混凝土表面涂覆各种保护层，使混凝土与二氧化碳、氯离子、氧气和水隔离，是防止钢筋混凝土结构钢筋锈蚀的一种常用的、有效措施。根据电化学腐蚀机理，钢筋混凝土表面必须全面涂覆，如果仅局部涂覆，由于宏观腐蚀电池的作用，钢筋仍可能产生腐蚀。混凝土碳化，是空气中的二氧化碳沿混凝土毛细孔扩散，与孔隙中氢氧化钙反应生成碳酸钙，使混凝土失去碱性保护作用。氯离子在混凝土中则是一种液相扩散，由于混凝土孔隙液聚集了超过限值的游离氯离子时，氯离子会渗进并破坏钝化膜，导致钢筋锈蚀。因此，用混凝土表面涂覆法来防止钢筋锈蚀时，所选用的涂覆材料和涂覆工艺，必须能防止气体和水的渗透，具有很好的气密性和水密性，并能牢固地与混凝土表面节后，长期发挥作用。

三、结语

虽然钢筋锈蚀会给混凝土建筑物带来严重的危害，但在实际施工中，只要加强领导，严格管理，精心施工，并根据环境的特点和材料的性质，采取相应的措施，是完全能够防止和推迟混凝土中钢筋的锈蚀，从而提高混凝土的使用性和耐久性。

［1］葛燕，等．混凝土中钢筋的腐蚀与阴极保护［M］．北京:化学工业出版社，2007．

［2］［瑞士］汉斯·博尼．钢筋混凝土结构的腐蚀［M］．蒋正武，龙广成，孙振平译．北京:机械工业出版社，2009．

2011－04－11

汪旭东(1977－)，男，湖北武汉人，工程师。