浅析钢筋混凝土在工程中的锈蚀与防护

王子安，谢东呈，李兆灿

山东科技大学

浅析钢筋混凝土在工程中的锈蚀与防护

王子安，谢东呈，李兆灿

山东科技大学

文章提出钢筋混凝土发生锈蚀主要是由于混凝土的碳化和氯离子的影响，分析并阐述了在一般及海洋环境下，钢筋混凝土锈蚀开裂的发展过程，进而对钢筋混凝土的锈蚀提出了一些防治措施。

钢筋混凝土；混凝土碳化；氯离子侵蚀；防治措施

1　引言

钢筋混凝土是在工程中被广泛使用的材料，有着原料来源广泛、价格低廉、结构轻质耐用、施工工艺成熟等特点，但其锈蚀一直是一个困扰人们的问题。据不完全统计，每年因钢筋混凝土锈蚀直接造成的经济损失就达国民生产总值的1.25%，因钢筋混凝土锈蚀造成的工程事故更是频发，给人们的人身和财产安全带来了巨大的威胁。研究钢筋混凝土的锈蚀机理，从各个方面进行防治，因而具有极大的学术价值和现实意义。

2　钢筋混凝土锈蚀的机理

（1）混凝土的碳化

由于混凝土本身是弱碱性的，其PH值在12-13，能使钢筋处于一个钝化的状态，起到一个保护层的作用。空气中的CO2渗透到混凝土内，会发生一个化学反应，过程如下：

Ca（OH）2+CO2=CaCO3+H2O.

这就是混凝土的碳化作用。它会降低混凝土的碱性，使间隙中的氯离子的含量大大增加，加大钢筋在空气中锈蚀的程度。

（2）氯离子的侵蚀

氯离子是通过掺加含氯盐外加剂混入或者混凝土的宏观、微观空隙进入的。它会降低混凝土的碱性，破坏钢筋表面的钝化膜，还会对暴露的铁基体形成腐蚀电池，形成电化学反应，对钢筋的危害极大，同时产生阳极去极化作用。在钢筋锈蚀过程中，氯离子在加速锈蚀速度时并不被消耗，一直参与破坏作用，增强混凝土的导电性，与水泥作用加剧钢筋锈蚀。如何减少混凝土中游离氯离子以减缓钢筋锈蚀，是当前的一个重要课题。

一般来说，混凝土碳化是钢筋腐蚀的前提条件。钢筋混凝土的锈蚀还与水泥的品种和掺和料、混凝土的密实性和保护层厚度、混凝土液相PH值等因素有关。

3　钢筋混凝土锈蚀的发展过程

钢筋混凝土保护层的开裂是钢筋混凝土破坏的主要原因。钢筋锈蚀会使自身的体积增大1-5倍，当混凝土膨胀时产生的拉应力大于混凝土的抗拉强度时，混凝土表面便会出现裂缝。内部的钢筋的布设和受力形式主要有箍筋和纵筋。箍筋主要是承受剪力，使构件满足斜截面抗剪强度，并联结受力主筋和受压区混凝土使其共同工作；纵筋一般就是指纵向的钢筋，指与梁跨度平行或柱身平行的钢筋。

（1）先是箍筋锈蚀较快，随着箍筋锈蚀处体积的不断增大，混凝土将产生锈胀应力，使锈蚀处应力较为集中，并逐渐向四周扩展，当混凝土的锈胀应力大于混凝土的抗剪强度时，表面出现初始裂纹，但此时的裂纹还属于初始裂纹，肉眼无法看到。

注：传统意义上的结构开裂指的是混凝土表面的裂缝是清晰可见的，但实际上初始裂纹的出现便说明混凝土已经开裂了。

（2）之后是纵筋的锈蚀，这时的混凝土表面裂纹开始贯通，并且失去了箍筋的支承作用，箍筋的锈蚀程度大大加快，保护层出现剥落，结构最终破坏。

一般来说，海洋环境条件下服役的钢筋混凝土结构的水平承载性状具有明显的时变效应，暴露条件越恶劣，其时变效应越明显。随着暴露时间的延长，抗剪性能和抗弯性能都有下降，对比结构剪矩和弯矩，暴露时间对水平位移的影响更加明显。

4　钢筋混凝土锈蚀的防治.

随着现代科技的发展，人们急于寻找更加安全实用的新型建筑材料来满足不断增长的建筑材料需求。钢筋混凝土虽易锈蚀，但其高强耐用的工作性能和方便实用的经济性能仍被人们所看好。渐渐地，改良型混凝土出现在了人们的面前，人们发现，在施工和维护中通过改善配比和添加外加剂的方法，可以有效消除氯离子带来的不利影响，缓解混凝土碳化，因而成为了改善混凝土的有利手段。

（1）配制混凝土时，根据建筑物的地理环境以及气候环境，选用合适的水泥品种。比如说，对于有蒸气养护的构件或地下工程以及海中工程选用粉煤灰水泥，有冻融和干湿作用的海港工程或水利工程选用抗硫酸盐硅酸盐水泥，等。

（2）外加剂的使用，可以根据不同的需求选择不同的品种。混凝土外加剂主要包括：粉煤灰等改善混凝土密实性的矿物掺和料；亚硝酸盐类无机阻锈剂；新型有机高分子阻锈剂，如橡胶集料等。

①掺入一定量的粉煤灰。粉煤灰浸水后的PH大于7，一方面能与氯离子发生化学反应，同时还会填满混凝土的孔隙，改善混凝土的颗粒级配，使杂质难以进入，减缓混凝土的锈蚀。

②掺入足量的NO2-，能够加快混凝土表面钝化膜的形成，形成保护层，进而起到阻锈作用，工程上可掺入足量的NaNO2。若掺入NO2-过少，其本身为酸性物质，会加速钢筋锈蚀，因而应该慎重使用。一般来说，对于含碳量低、原电池反应较不活跃的钢筋，Na-NO2阻锈作用较大；对于含碳量高、原电池反应活跃的钢筋，NaNO2加速锈蚀的作用较大。

③新型有机高分子阻锈剂尚处于起步阶段。目前使用较广泛的是橡胶集料，这种材料和粉煤灰一样，会充满混凝土的空隙，减缓杂质侵入。如何选用合适的阻锈剂减缓锈蚀，也是当前的一个重要的研究方向。

④尽量减少钢筋中的碳原子含量。低碳钢的使用，不仅会加强结构的坚固程度，也会降低钢筋的锈蚀速率

（3）在混凝土表面添加保护层。目前使用较广泛的是环氧树脂。环氧树脂作为防腐蚀材料不但具有密实、抗水、抗渗透好、强度高等特点，同时具有附着力强，常温操作，施工简便等良好的工艺性，而且价格适中。当混凝土受侵蚀较严重时，可将该部分凿除，彻底清理内部的杂质，并用环氧基液填补。当钢筋混凝土所处环境较潮湿且易腐蚀时，建议直接涂上环氧基液做保护层。

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