浅谈混凝土中钢筋锈蚀机理及影响因素

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(大连理工大学 建设工程学部，辽宁 大连 116024)

引言

钢筋混凝土结合了钢筋和混凝土的优点，是工程中用量最大的建筑材料。虽然随着结构计算理论的提出和新型建筑材料的出现，将来还会出现很多新的结构形式，但可以肯定的是，混凝土结构仍然是最常用的结构形式之一[1]。随着钢筋混凝土结构的大量使用，其耐久性问题也逐渐暴露出来。钢筋锈蚀带来的耐久性问题不仅造成了大量的经济损失，还威胁到人们的生命安全。Mehta教授曾在《混凝土耐久性——五十年进展》报告中指出：“当今世界混凝土破坏的原因，按照重要性递减顺序排列是：钢筋锈蚀、冻害、物理化学作用”[2]。

据估计，全世界混凝土结构每年因钢筋锈蚀引起的维护加固费用达1 000亿美元[3]。例如，日本引以为豪的新干线，运行不到10年就出现了钢筋锈蚀开裂、混凝土剥落等情况。英国为解决海洋环境下钢筋混凝土构筑物的腐蚀与防护问题，每年花费将近20万英镑[4]。我国因钢筋锈蚀引起的耐久性问题同样很严重，根据1999年底的统计数据，仅1999年当年我国由于结构老化造成的损失约为1 800～3 600亿元，其中钢筋锈蚀占40%，约为720～1 440亿元[5]。

所以，有必要对混凝土中钢筋的锈蚀机理及影响因素进行研究，从而更好地对混凝土的钢筋锈蚀进行预测、预防及处理。

1 钢筋锈蚀的机理

混凝土中水泥的水化产物中有20%～30%的氢氧化钙，所以混凝土的孔溶液呈现碱性，pH值在12左右。在这种碱性环境下，钢筋的表面会形成一层致密的钝化膜。研究表明[6]，钢筋的钝化膜存在两个pH临界值，一个是pH=9.8，低于此值，钢筋表面的钝化膜不可生成；另一个是pH=11.5，当pH>11.5才能生成完整的钝化膜。钢筋的钝化膜不破坏，即使在存在水和氧气的情况下钢筋也不会锈蚀。钢筋钝化膜的破坏主要有两种途径，一是混凝土碳化，二是氯离子扩散到钢筋的表面。在一般的大气环境下，钢筋钝化膜的破坏主要是由于混凝土碳化引起的。在海洋环境下，高浓度的氯离子会导致钝化膜的破坏。

1.1 钝化膜的破坏

混凝土碳化又称为混凝土的中性化，是在有水存在的情况下，混凝土中水泥的水化产物与空气中的二氧化碳发生化学反应。具体反应式如下：

CO2+H2O→H2CO3

(1)

Ca(OH)2+H2CO3→CaCO3+2H2O

(2)

由(2)式可知，由于氢氧化钙参加反应后变成碳酸钙，生成物与反应物相比密度变大，体积变小。因此，混凝土的碳化会引起混凝土的不可逆收缩，从而导致混凝土产生裂纹，容易使有害离子进入混凝土内部。有害离子可能会导致混凝土的钢筋锈蚀。更严重的是，混凝土的孔溶液的初始pH值在12～13，碳化后的pH值为8～10，这致使钢筋的钝化膜破坏。

一般情况下，氯离子主要是通过扩散、渗透和毛细管吸附透过混凝土保护层，最后到达钢筋位置。氯离子会使混凝土的pH值急剧下降，致使钝化膜遭到破坏，而且氯离子对钝化膜的破坏作用特别大。闻建[7]的研究表明，即使孔隙液的pH值保持在11.5以上，当钢筋表面的氯离子含量增加到某一临界值时，也具有局部破坏钝化膜的能力。金伟良等[1]从4个方面总结了氯离子对钢筋的腐蚀机理：①破坏钝化膜，氯离子是很强的去钝剂；②形成腐蚀电池，氯离子的点蚀使钢筋表面形成小阴极大阳极，加快蚀坑的发展；③去极化作用，氯离子是腐蚀电池的催化剂，加速了腐蚀电池的进行；④导电作用，氯离子强化了离子通路，提高了腐蚀电池的效率。

1.2 钢筋锈蚀

根据钢筋所处环境的不同，可以将钢筋锈蚀分为自然电化学锈蚀和杂散电流锈蚀。二者的相同之处是[8]：①腐蚀时发生的都是氧化还原反应；②钢筋锈蚀的发生必须具备3个条件：钢筋表面存在电位差，构成腐蚀电池；钢筋的钝化膜遭到破坏，处于活化状态；钢筋表面有电化学反应和离子扩散所需的氧气和水；③腐蚀产物相同；④都是一个电化学反应。

钢筋的钝化膜因为混凝土的碳化被破坏。在有氧气和水存在的情况下，钢筋开始锈蚀。在一般的大气环境下，钢筋锈蚀时阴极和阳极发生的反应如下：

阳极反应：2Fe→2Fe2++4e-

(3)

阳极产生的电子通过钢筋传到阴极，而阳极产生的亚铁离子通过水溶液向周围扩散。

阴极反应：O2+2H2O+4e-→4OH-

(4)

阴极反应生成的OH-也向四周扩散，在阳极附近Fe2+与OH-相遇发生如下反应：

Fe2++2OH-→Fe(OH)2

(5)

在氧气量不足的情况下，反应为：

6Fe(OH)2+O2→2Fe3O4+6H2O

(6)

当氧气充足的情况下，Fe(OH)2会进一步发生氧化反应：

4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3

(7)

Fe(OH)3脱水生成红色的铁锈，即：

2Fe(OH)3→Fe2O3+3H2O

(8)

锈蚀产物疏松多孔，可以比原来铁的体积膨胀2～4倍[8]。

在有氯离子侵蚀的混凝土机体中，氯离子的催化作用大大加速了钢筋的锈蚀。具体反应式如下：

Fe2++2OH-→Fe(OH)2

(9)

FeCl2+2H2O→Fe(OH)2+2HCl

(10)

4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3

(11)

2Fe(OH)3→Fe2O3+3H2O

(12)

4Fe(OH)2+O2→2Fe2O3+4H2O

(13)

除了自然电化学锈蚀外，杂散电流也可以使钢筋锈蚀。这个因素开始并未引起人们的注意，研究也相对较少。随着轻轨、地铁等用电驱动的交通设施的快速发展，杂散电流对钢筋锈蚀的影响越来越受到研究人员的重视。地铁及轻轨是利用直流供电牵引驱动机车的轨道交通系统，列车走行的钢轨是做直流回流用的，由于钢轨与大地之间难以完全绝缘，因此会有部分直流回流经钢轨泄漏到隧道地下埋设的各类金属管线和隧道本体结构钢筋上，这类电流称为杂散电流[9]。其锈蚀机理为[8]：当电流从a点进入钢筋混凝土时，钢筋的电位高，钢筋相当于得到电子，所以钢筋为阴极；当电流离开混凝土时，相当于钢筋失去电子，这时钢筋为阳极，如图1所示。

图1 杂散电流进入混凝土结构内[8]

杂散电流较小时不会引起钢筋锈蚀，但是，当杂散电流的值超过0.6 mA/dm2时，腐蚀电流就会引起钢筋的锈蚀。控制杂散电流的强度，能够有效地控制钢筋锈蚀[10]。

2 钢筋锈蚀的影响因素

造成混凝土中钢筋锈蚀的因素有很多，包括混凝土自身的原因，例如：混凝土裂缝、混凝土密实度、混凝土保护层厚度、水泥品种、混凝土施工中带入的氯离子等。混凝土所处的外部环境也会对混凝土中钢筋锈蚀产生影响，例如：环境中氯离子含量、环境温度、环境湿度、氧气等。

2.1 内部因素

内部因素是指混凝土材料本身具有的可能影响钢筋锈蚀的因素。

2.1.1 混凝土裂缝

混凝土裂缝的产生是由多种因素导致的，包括混凝土的干缩、外部荷载、混凝土施工质量、碱骨料反应、钢筋锈蚀、养护不当等。常立新等[11]认为裂缝的宽度对钢筋早期锈蚀的影响比较大，对钢筋后期的锈蚀影响比较小。张平生[12]的研究发现混凝土表面的纵向裂缝对钢筋锈蚀的影响要比垂直裂缝的大。混凝土的裂缝给有害离子或气体进入混凝土内部提供了通道。可见一定宽度的裂缝加速了钢筋的锈蚀。

2.1.2 混凝土的密实度

如果混凝土的密实度好，可以有效地防止或推迟钢筋的锈蚀，因为密实度好的混凝土可以阻止侵蚀介质渗入。良好的密实度可以通过严格控制水灰比、施工质量等来实现。林乐琴[13]认为水灰比应控制在0.5以下，这样可以有效地防止钢筋锈蚀。一般来讲，混凝土强度越高密实性越好，贺鸿珠等[14]通过试验得出混凝土的强度越高，混凝土的抗锈蚀能力越强。总之，其他条件相同时，混凝土密实度越高抗锈蚀能力越强。

2.1.3 混凝土保护层厚度

混凝土保护层一般定义为钢筋外表面到混凝土构件表面的这层混凝土，位于钢筋与外界环境之间，是保护钢筋及内部混凝土不受外界侵蚀的重要防线，对钢筋混凝土结构的耐久性具有十分重要的意义[13]。施惠生等[15]研究发现，增大混凝土保护层的厚度能有效地延缓混凝土中钢筋的锈蚀，延长钢筋开始锈蚀的时间。黄德强[16]曾对中外混凝土保护层的厚度标准进行了对比，发现中国的标准要比外国标准要求的保护层厚度小。综上，应该综合考虑建筑物的使用年限、所处环境等因素，在施工中保证保护层质量，适当增加保护层的厚度。

2.1.4 水泥品种

水泥的品种也会影响钢筋的锈蚀。如果水泥的碱度较低，混凝土的抗碳化能力低，则钢筋较易产生锈蚀，锈蚀程度较为严重。水泥的品种还会影响混凝土保护层的抗渗性。不同品种的水泥对引起钢筋锈蚀的因子的抵抗能力不同[17]。

2.1.5 混凝土施工中带入的氯离子

混凝土的原料如骨料、水、外加剂、水泥等均可能带入氯离子。马红岩等[18]的研究发现，海砂带入的氯离子要比拌和水中带入的氯离子对混凝土钢筋锈蚀的影响要小，而且海砂带入的氯离子要超过一定的浓度后才会引起钢筋的锈蚀。谢燕等[19]的试验表明，掺入不同种类的氯盐对钢筋锈蚀的影响不同。总之，混凝土原料中引入在规范的限量内少量的氯离子对混凝土钢筋锈蚀的影响不大，但是氯离子浓度越高，钢筋锈蚀越严重。

2.1.6 混凝土的骨料

混凝土的骨料属于惰性材料，一般不会因发生化学反应而影响混凝土的性能。但是，随着混凝土用量的增大以及骨料供应的不足，再生骨料已开始应用。孙平平等[20]的研究表明，再生粗骨料取代率在20%～50%时，钢筋抗锈蚀能力下降不显著。但是，再生骨料与天然骨料相比不利于防止钢筋锈蚀。

2.2 外部因素

混凝土所处的外部环境条件也是诱发混凝土中钢筋锈蚀的关键因素。其中氯离子对钢筋锈蚀的影响已经在钢筋锈蚀机理中做过介绍，不再赘述。其他环境因素对钢筋锈蚀的影响分析如下。

2.2.1 环境温度

钢筋的锈蚀是电化学反应。化学反应速率会随温度的升高而加快。Jiang J H等[21]的研究表明，在自然环境下温度对混凝土的钢筋锈蚀影响很大。由于钢筋锈蚀的影响因素比较复杂，所以钢筋锈蚀速率与环境温度之间并不是简单的线性关系。沈建德等[22]的试验发现：在40 ℃以下，增加环境温度显著增加锈蚀率；在40 ℃以上，随着温度的增加，锈蚀率反而下降。这可能是因为随着环境温度的升高，阴阳极之间的离子移动速度和氯离子的侵入速度变快，但是氧气进入混凝土的量变小，不同温度时主导因素不同，所以存在着钢筋锈蚀的一个最适温度。

2.2.2 环境湿度

相对湿度主要通过两个方面影响钢筋的锈蚀：一是环境的相对湿度影响混凝土的相对湿度，从而影响混凝土的电阻；二是相对湿度会影响侵蚀介质进入混凝土中的速度。当环境的相对湿度较大时，水充满了混凝土的孔隙，使得二氧化碳、氧气等不容易进入钢筋的内部，所以相对湿度太大时对钢筋的锈蚀有抑制。环境中的相对湿度太小时，钢筋的锈蚀是无法进行的。当相对湿度在80%～90%时，钢筋的锈蚀达到最大[10]。

2.2.3 氧气含量

氧气是钢筋发生锈蚀的一个必要条件。氧气是钢筋锈蚀时阴极反应必不可少的。没有氧气，即使钢筋的钝化膜破坏且氯离子含量很高，钢筋也不会锈蚀。赵炜璇等[23]的研究表明，溶液中氧气含量的适当降低有效减缓了钢筋钝化膜的破坏速度，但对钢筋钝化膜破坏的临界氯离子浓度未产生影响。

3 结语

随着社会的发展，混凝土的组分也在发生着变化，例如再生骨料代替天然骨料用于混凝土中。这些新的材料组分对钢筋锈蚀的影响，需要进行系统的研究。

钢筋锈蚀的影响因素很多，各个因素之间相互影响，相互制约。目前对于单因素的研究较多、较详细，缺少对多个因素对钢筋锈蚀影响的研究[24]。综合考虑多因素的影响，可以对钢筋的锈蚀更好地进行预防，而且可以促进钢筋锈蚀预测模型的发展。

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