钢筋锈蚀引起混凝土保护层胀裂事故分析

王晨阳

（中铁建设集团有限公司，北京 100040）

0 引言

随着施工企业从规模化发展逐步向创品牌方向演变，工程质量的优劣已成为最重要的市场竞争力，且是企业的生存命脉。近年来，影响结构耐久性的质量事故频发，不仅关系到施工企业的生死存亡，更给业主的生命财产安全带来了巨大损失。钢筋锈蚀导致混凝土保护层胀裂，是影响结构耐久性的重要因素，本文通过对某工程地下结构保护层大面积胀裂事件的调查、分析、处理、总结，从不同角度阐述了钢筋锈蚀的原因和机理，并对避免钢筋锈蚀的预控措施进行总结。

1 工程实例

某工程地处江苏省徐州市，始建于 2007-2009 年， 总建筑面积为 41 万 m2，车库总建筑总面积 4.5 万 m2，结构形式为钢筋混凝土框架结构。建筑结构安全等级为二级，防火分类为一类，耐火等级为一级，抗震设防烈度为 7 度，结构设计使用年限为 50 年。地下室混凝土强度 C30，地下室框架梁柱钢筋保护层厚度 35 mm，墙板混凝土保护层厚度 25 mm。

2017 年，地下车库及主楼地下室开始陆续出现大面积混凝土保护层胀裂现象，分布在柱侧、板底、梁底、墙面等部位。主要为两种情况，情况一为严重胀裂，即耐水腻子脱落或空鼓开裂，锈蚀钢筋外露，如图 1、图 2 所示；情况二为一般胀裂，即耐水腻子轻微的开裂，铲掉腻子，剔除混凝土保护层，发现内部钢筋已锈蚀，如图 3、图 4 所示。立即组织相关结构专家进行现场勘察，对结构实体质量进行现场检测，并委托第三方试验室对结构强度、混凝土中氯离子含量进行取样复试。

图1 锈胀（情况一）

图2 清理后（情况一）

图3 锈胀（情况二）

图4 清理后（情况二）

2 原因分析

通过现场勘察，剔除胀裂部位混凝土保护层，发现内部钢筋锈蚀严重，基本确认保护层胀裂为混凝土内部钢筋表层发生电化学反应后锈蚀膨胀导致，如图 5 所示。

图5 钢筋锈蚀

2.1 理论分析

混凝土为高碱性物质（pH 至约为 13），钢筋在高碱性环境下表面会形成氧化铁钝化膜，厚度约为 200～600 nm。钝化膜为致密、稳定的共格结构，水和氧气无法渗入，内部无法形成腐蚀电池，确保钢筋在未受外界因素影响下不会锈蚀。

钢筋锈蚀从化学原理角度分析主要有两方面原因，一是氯离子去钝化和搬运作用，二是酸性物质（如二氧化碳）侵入，如图 6 所示。

图6 混凝土中钢筋腐蚀机理

钢筋锈蚀从施工角度分析主要有 5 方面原因，即结构裂缝、混凝土碳化深度大、混凝土中氯离子含量高、钢筋保护层厚度小、混凝土密实性差。

1）结构裂缝。在荷载因素或非荷载因素（施工、构造和环境等）作用下，使结构构件产生裂缝，钢筋表层钝化膜遭到破坏，氧气、水分和腐蚀性介质侵入，造成钢筋锈蚀。调查表明，在潮湿环境中，裂缝宽度达到 0.2 mm 即可引起钢筋锈蚀。

2）混凝土碳化。混凝土的多孔性构造，使其内部存在大小不同的毛细管、空隙、气泡，具有一定的透气性。混凝土硬化后，多孔性构造形成，空气中 CO2顺势借助其构造特点侵入内部，与碱性化合物有效结合后生成盐和水：Ca（OH）2+CO2=CaCO3+H2O，使混凝土 pH 值下降，表面碳化。当保护层混凝土完全碳化后，高碱性条件下形成的钝化膜即遭到破坏，此时氧气、水分和腐蚀性介质侵入，致使钢筋逐步锈蚀。

3）氯离子含量。氯离子是混凝土中的腐蚀性有害因子，高性能阳极活化剂，主要存在于水泥、海砂、水和外加剂等原材料中，相对于OH-、O2- 等其他阴离子，其优先被吸附性更强。当氯离子扩散至钢筋表层钝化膜附近时将被吸附，使周边 pH 值降低，逐步侵蚀破坏钝化膜，当氯离子含量达到一定浓度时，所形成的的氯化物将直接造成钢筋锈蚀［1］。

4）钢筋保护层厚度。混凝土保护层是指结构构件中，最外层钢筋的外缘至混凝土表面之间的混凝土层，具有防止钢筋受到空气、水和腐蚀性介质侵袭的作用。当钢筋混凝土保护层厚度过小时，宜产生结构裂缝、露筋等情况，此时将降低保护层的防护作用，增大钢筋锈蚀概率［2］。

5）混凝土密实性。结构强度对钢筋锈蚀的影响因素主要为混凝土密实度。混凝土浇筑过程中由于震捣不到位，产生露筋、蜂窝、麻面等情况，使得混凝土内部结构质地松散，孔隙较多，空气中的 H2O、CO2及其它腐蚀性介质可直接与钢筋表面接触，并与之发生化学反应，导致钢筋电化学腐蚀［3］。

2.2 现场检测

现场对外部环境、内部实体质量情况进行了全面详细的勘察检测，结果如下。

1）地下室环境潮湿，空气流通性差，排风系统常年处于关闭状态。

2）车库框架梁、板、柱未进行抹灰施工，混凝土饰面层只有一道腻子涂料。

3）现场对问题区域混凝土强度进行回弹检测，强度满足设计要求，但碳化深度过大，部分大于保护层厚度。

4）现场对问题区域构件饰面层进行剔除，发现部分构件存在结构裂缝。

5）现场对问题区域钢筋保护层厚度进行检测，保护层厚度过小，不满足设计及规范要求，部分区域露筋情况严重。

2.3 试验室检测

委托国家建筑工程质量监督检验中心对问题区域结构构件进行钻心取样，检测混凝土强度，并对锈胀区域混凝土氯离子含量进行取样检测。

2.3.1 混凝土强度检测结论

对 15 个混凝土芯样进行抗压强度成批推定，抗压强度平均值为 53.3 MPa，标准差为 5.60 MPa，k1为 1.222，k2为 2.566，抗压强度下限值为 38.9 MPa，上限值为 46.5 MPa，因上下限的差值大于 0.10fcu，cor，m， 应按单个进行评定，该批混凝土强度推定值为 45.8～65.9 MPa，均达到混凝土设计强度等级（C30）要求。证明混凝土质量合格，且未发生性质变化，非保护层胀裂原因。

2.3.2 混凝土中氯离子含量检测结论

地下车库构件混凝土氯离子占砂浆质量百分比为 0.023 %。因混凝土配合比相关资料缺失，无法获得混凝土中凝胶材料与砂浆的材料质量比，因而无法准确得出氯离子占凝胶材料总量的百分比。依据经验，常规 C30 混凝土中凝胶材料与砂浆的材料质量比不会小于 1/4，可知该混凝土中氯离子占凝胶材料总量的百分比不会超过 0.092 %，满足 GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》［4］中室内干燥环境（环境类别为一类）规定的最大氯离子含量限值 0.30 % 的要求。因此，可以证明钢筋锈蚀非氯离子化学反应造成。

2.4 综合分析

通过现场勘察、实体检测，并结合第三方检测试验结果进行综合分析，该工程地下结构钢筋保护层过小，碳化深度过大，使钢筋表层钝化膜遭到破坏；地下室环境潮湿、空气流动性差，是形成钢筋锈蚀的有利因素；且结构表面未进行抹灰施工，使空气中的水分、氧气和腐蚀性介质更易侵入混凝土内部，与钢筋表层发生化学反应，最终造成钢筋锈蚀，导致混凝土保护层大面积胀裂。

3 预防措施

为避免钢筋锈胀问题的发生，施工过程中，需加强对结构裂缝、混凝土碳化深度、混凝土中氯离子含量、钢筋保护层厚度、混凝土密实性的质量控制。交付使用后，需保证地下室环境干燥，通风良好。

1）混凝土原材料控制。通过对施工配合比调控，降低水胶比，添加减水剂和引气剂，选用级配良好、含砂率低的骨料，改善成型混凝土内部物理构造，提高混凝土结构各项性能指标。

2）混凝土施工过程控制。施工过程严格落实关键工序管理，加强混凝土浇筑振捣、收面及养护措施控制，避免蜂窝、麻面等质量通病的产生，提高混凝土密实性。

3）钢筋保护层厚度控制。钢筋施工过程中，垫块的材质、数量和分布要符合设计及规范要求，并加强定位筋的设置，混凝土浇筑过程中严格旁站。

4 结语

钢筋锈蚀对混凝土结构耐久性影响极大，表观现象为混凝土保护层胀裂，装修饰面层脱落，内在现象为钢筋截面减小、应力集中、横肋锈损，严重降低结构耐久性，造成极大结构安全隐患。因此，在施工过程中需从方案设计、原材料检验、工艺质量控制、结果验收等方面，严格把控。发现问题或隐患后，要综合各种影响因素全面分析，科学有效地采取处理措施，最终达到保证结构安全、延长结构耐久性的目的。Q