混凝土中钢筋锈蚀与结构耐久性研究

王 玮

（南京市公共工程建设中心，江苏 南京210019）

1 研究背景

建筑构件的功能和特性主要包括其安全特性、通用特性以及结构的耐久程度等三个主要层面。这当中耐久程度有关的要求是指在正常维护条件下结构不发生严重的风化、腐蚀、脱落、碳化，钢筋不发生锈蚀等[1-2]。由于结构的耐久性不足而造成混凝土结构的失效已成为实际工程中的重要问题。各种因素对混凝土耐久性的影响程度是不同的。在某年的第2届世界水泥混凝土结构的耐久程度国际讨论大会上，世界知名学者梅塔博士（P.K.Mheta）把影响混凝土耐久性的因素按如下因素进行了排列：钢筋锈蚀、冻融破坏和可能出现侵蚀的外部环境带来化学以及物理方面的效应。国际上以及国内建筑领域的水泥混凝土结构的耐久程度相关的调查报告指出，钢筋部位出现锈蚀属于钢筋水泥混凝土结构的耐久程度受到削弱以及破坏的最重要的原因之一。

2 钢筋部分发生锈蚀现象的原理

2.1 锈蚀现象发生的原理

我们分析金属材料发生腐蚀现象的各种原理，发现可以将其划分为化学方面的腐蚀以及电化学方面的腐蚀现象两大种类。一般状态之下，电化学方面的腐蚀现象要比化学方面的腐蚀现象发展的速度快得多，同时发生的场合也更加普遍，对于建筑结构造成的危害也就更大。水泥混凝土的构件中钢筋部位发生腐蚀现象通常是金属铁和电解质间发生了相互作用，是一种电化学方面的腐蚀现象。

电化学方面的反应的出现需要满足如下4大条件：

（1）钢筋具有电化学特性的不均匀特征，即为电位负值阳极（A）与电位正值的阴极（K）间存在着电位差值△V。

（2）阳极区位置和阴极区位置间，电解质的R值比较小。

（3）阳极区位置的钢筋处在活化情况下，钢筋容易发生氧化反应，也就是铁离子变成Fe2+，并且放出电子，阳极PA数值比较小。

（4）阴极区位置，钢筋表面的电解质的氧化剂比较充足，可与阳极区位置的自由电子发生反应，生成OH-，也就是发生了氧的还原反应，此时的阴极PK数值比较小。

此时钢筋表面位置处的电化学方面的腐蚀现象对应的反应方程式为：

阳极区，铁被腐蚀，反应的化学方程式为：

在阴极区是氧和水吸取电子的过程：

阴阳极共同反应的结果是：

钢筋部分发生锈蚀的产物为Fe（OH）3，其发生失水反应变成了Fe2O3，该物质即为俗称的“铁锈”。在钢筋部位表层出现，铁锈的体积有可能为原来铁材质的3-5倍，伴随的膨胀应力为45-75兆帕，能够将水泥撑开，钢筋部分直接和外部环境发生接触，氧气与水份，也会加速钢筋部分发生锈蚀现象的速度，进而使得钢筋的力学性能下降甚至完全失效。

通常情况，水泥混凝土为碱性，其pH值在12上下。在此环境中，因为电化学方面的效应，使得钢筋材料的表层出现了一层致密的尖晶石固溶体为主的薄膜，其厚度数值约为1.5×10-8毫米。其吸附在钢筋材质的表层，阻碍阳极反应。如果钢筋材质的表层薄膜出现破坏的情况，钢筋部分才有可能发生锈蚀的现象，水泥混凝土内部的钢筋部分发生锈蚀现象能够划分为3个主要过程：

（1）水泥混凝土的外层出现了碳化现象，钢筋材料表层的钝化膜缺损。

（2）氧气以及水汽等介质经过水泥混凝土渗透至钢筋材质的表层部位。

（3）钢筋材质的表层出现了电化学方面的腐蚀现象。

氯化物属于钢筋材料锈蚀过程的一类活性物质，具备极高的吸附能力，如果水泥混凝土结构中的pH值大于12.5的时候，钢筋材质表层的钝化膜部分就会出现破坏的情况[3]。

2.2 钢筋水泥混凝土结构中氯离子的侵蚀原理

通常来讲，氯化物针对钢筋水泥混凝土结构内的混凝土以及钢筋材质均有较强的腐蚀能力，因此长时间处于氯化物浓度较高的环境中，钢筋水泥混凝土结构的各项指标将显著下降[4]。研究表明，钢筋材质的周边混凝土孔隙液内的氯离子处于某个临界数值的情况下，氯离子更易渗入到钢筋结构的钝化膜并且和铁离反应形成二价铁和氯化物的复合产物。这时钢筋材质周边的水泥混凝土孔隙液依然具有比较高的碱性，钢筋表层的钝化膜也遭到破坏。因此，氯盐属于一种严重威胁钢筋水泥混凝土结构安全的危险物质，必须严格限制钢筋水泥混凝土结构中氯盐的组成成分并且阻止外部氯离子入侵。

氯离子对于钝化膜的破坏原理，某学者提出了氯离子与氢氧根争夺腐蚀过程中生成的铁离子，生成易溶解的4FeCl2·4H2O，其为浅绿蓝色的物质，俗称绿锈。绿锈从阳极区域向水泥混凝土孔隙液方位移动，生成Fe（OH）2，俗称褐锈。褐锈在阳极区域沉积，生成氢氧根以及氯离子，它们返回阳极区域，造成阳极区域酸化，氯离子带出更多的2价铁离子。此时氯离子属于加速腐蚀现象的中反应产物，对腐蚀现象起到催化剂的效果。化学反应方程式为：

对于非均匀材质的钢筋水泥混凝土，在很小的钢筋材质的表层上，混凝土孔隙的氯化物的浓度相对比较高，造成钢筋材质表层的钝化膜受到局部的破坏，形成比较小的阳极。钢筋表层的多数面积依旧覆盖着钝化膜组织，形成比较大的阴极。由比较大的阴极和比较小的阳极构成的腐蚀反应的电偶，因为大阴极位置的氧气量足够，小阳极部位的铁材质快速溶解出现深坑，比较小的阳极出现酸化反应，比较大的阴极发生相应的反应，使得孔隙液的pH值增大。氯化物的存在加强了钢筋水泥混凝土的吸湿的能力，使水泥混凝土空隙液位置处的阻值下降。上述发生局部腐蚀的电偶结构将会以局部推进的模式进行，这类局部的腐蚀即为点腐蚀或者坑腐蚀。点腐蚀对于断面面积比较小、应力数值比较高同时又比较脆弱的预应力钢筋的危害性较强，尤其是预应力数值较大的强钢丝材质[5]。假如钢筋水泥混凝土中包含均布的游离形式的氯离子，并且保护层又相对比较薄，氧气容易到达钢筋的表层，这样钢筋表层就能够大范围的发生氯离子去钝化的化学反应，任其发展能够造成很多点蚀坑的增大及融合，进而导致大范围的腐蚀发生。

3 水泥混凝土内部的钢筋锈蚀机理研究

水泥混凝土内部钢筋出现锈蚀状况，通常状况下都属于电化学锈蚀，CO2与氯离子都是水泥混凝土内部钢筋钝化膜遭到损坏的最关键及最普遍的介质环境，所以水泥混凝土内部钢筋锈蚀机理一般有两大类：水泥混凝土碳化及氯离子的进入。水泥混凝土内部钢筋锈蚀是在有水分子参与的条件下发生的。在O2与H2O的共同反应下，逐步发生非常严重的腐蚀化学反应，导致水泥混凝土表面出现开裂状况。

4 钢筋锈蚀的原因及防锈解决方案

4.1 钢筋锈蚀的原因

混凝土内部钢筋发生锈蚀是由很多原因引起的，当中有外部原因也有内部原因，外部原因指的是环境条件，内部原因指的是混凝土及钢筋实际工况，分析如下。

4.1.1 钢材

钢材品质优异，金相构造符合行业相关法规及标准，那么钢筋就具备良好的防锈性能。如果使用耐磨蚀性能优异的钢筋，就能够防止锈蚀的产生，但是因为经济等层面的因素，到现在未能实现[6]。

4.1.2 钢筋内应力

钢筋内应力对于其锈蚀的制约是非常明显的。此类内应力腐蚀性远高于一般腐蚀反应，破坏性极大。通常来讲，钢筋的内应力腐蚀分成两个周期，即裂缝及局部电化学腐蚀。钢筋内应力如图1所示。

图1 钢筋内应力

4.1.3 水泥品种

碱含量较低的水泥混凝土原材料，比如矿渣混凝土，因为混凝土碳化速率非常快，所以钢筋腐蚀的程度就随之加重。

4.1.4 水泥混凝土紧密程度的制约因素

密实性能优异的混凝土具有优良的抗渗能力，能够行之有效地防止钢筋锈蚀状况的产生。

4.1.5 水泥混凝土裂缝的制约因素

混凝土出现裂缝会导致其渗透性能降低，加快混凝土侵蚀物质及碳化的浸入，导致钢筋出现比较严重的腐蚀现象。水泥混凝土裂缝如图2所示。

图2 水泥混凝土裂缝

4.4.6 水泥混凝土内部氯离子占比的制约因素

氯离子对于混凝土内部钢筋的腐蚀起到加速作用。当混凝土内部氢氧离子与氯离子的比例大于0.52的时候，钢筋就会出现腐蚀的现象。

4.1.7 水泥混凝土保护层厚度的影响

在相同环境下，保护层越厚，钢筋的腐蚀程度就越轻。

4.2 防止钢筋锈蚀以及提升耐久性能的方法

钢筋出现锈蚀现象是由多种因素造成的。所以，为了预防钢筋产生锈蚀就需要由多方面着手，结合工程实际，具体可以从以下几个方面入手。

4.2.1 设计时采取的措施

在结构选型和细部设计时，应最大限度地降低潮湿的表面。构件的外形不允许奇特、过薄及带锐棱，并且此类区域及构件的单薄区域必须完全避开干湿交替及飞溅的区域。

4.2.2 混凝土保护层的质量及厚度

混凝土的抗渗性好可降低碳化速率和有害离子侵蚀速度，合理厚度能够暂缓离子侵入至钢筋表层的时间。能够使用全方位养护、侵入离子极限数值及高水泥实际使用量等方法来实现。

4.2.3 水泥种类、搅拌料及外添加试剂

当水泥混凝土内部混有自然火山灰、粉尘煤灰、矿物渣质以及硅灰等矿物质混合材料用来替代使用混合材质的硅酸盐水泥以某些硅酸盐水泥，因为此类化学元素与水泥的水化物氢氧化钙进行化学反应产生凝胶体的进程比水泥水化反应要缓慢很多。所以，和28天强度等级与工作度都一致的基本水泥混凝土进行比较，其前期强度偏低，紧密性能较差及易干枯萎缩。所以在考虑钢筋混凝土结构的耐久性时，应对水泥品种进行筛选。

4.2.4 使用抗锈蚀性强的钢筋

使用耐锈蚀钢筋能够大幅提升混凝土的耐久能力，根据相关试验得出，不锈钢以及钨合金钢在外部侵入离子的作用下表现出优异的防锈能力。然而因为经济等原因，现阶段极少有关于耐锈蚀钢筋在使用层面的科研报道[7]。

4.2.5 使用静电喷涂树脂型钢筋

静电喷涂粉尘树脂型钢筋，因为进行彻底的除锈及树脂均匀涂抹，热溶固化反应快速、均匀及彻底，可使钢筋环境侵蚀介质（CO2、Cl-、O2和H2O等）完全隔离，具备非常优异的耐腐能力。

4.2.6 向水泥混凝土搅拌物内添加阻锈剂

钢筋阻锈剂（见图3）指的是添加在水泥混凝土搅拌物内借助单分子的化学裂变防止钢筋表层阴极或者阳极进程的一类外部添加试剂[8]。其通常使用在防止盐污染水泥混凝土导致的钢筋锈蚀现象，特点是应用便利，不需要特殊维护，能够均匀分布在全部混凝土体内，不但能集中在混凝土防护层，并且造价低廉。

图3 钢筋阻锈剂

4.2.7 使用阴极保护方式

钢筋锈蚀一般指的是电化学的腐蚀。因为钢筋的阴极区不能发生腐蚀，如果将钢筋的全部阳极换成阴极，钢筋就不会出现锈蚀。借助增加阴极的电流值，导致钢筋电位转移至比原阳极更负的电流位置，那么钢筋就会只吸入电子而不排放电子，再也不会排放铁离子。使用此类电化学法达成钢筋的防保，即为钢筋水泥混凝土的阴极保护方法。阴极保护法适合水泥混凝土碳化导致的钢筋锈蚀状况，也适合于氯化物污染导致的钢筋锈蚀状况。

4.2.8 向构件表层涂抹覆盖物

根据钢筋锈蚀原理得出，混凝土氯离子渗透及碳化是导致钢筋混凝土结构钢筋钝化膜破坏的主要因素。在其表层涂抹各类保护层，使混凝土构造和环境侵蚀物质彻底分离，进而起到防锈的作用。

5 结束语

钢筋出现锈蚀是制约水泥混凝土结构安全性的关键因素，本文针对钢筋锈蚀现象进行了较为全面的讨论。总结给出了钢筋锈蚀机理，主要从电化学反应展现钢筋的锈蚀过程。在此基础上，通过文献调研及结合自身的工作经验给出了影响钢筋锈蚀的主要因素，包括：钢的材料性质、钢的应力、水泥种类、混凝土氯离子占比的因素及保护层间距的影响等七个方面。并且通过影响钢筋锈蚀原因的分析给出了预防钢筋锈蚀及提高钢筋混凝土结构耐久性的一些方法，包括：在进行结构设计时采取一定的措施、控制混凝土保护层的质量及厚度、选择合适的水泥品种及混凝土添加剂。