混凝土中鋼筋的銹蝕與防護*

汪旭東

(中鐵十八局集團有限公司隧道工程公司，陜西商洛726001)

混凝土中鋼筋的銹蝕與防護*

汪旭東

(中鐵十八局集團有限公司隧道工程公司，陜西商洛726001)

本文對混凝土中鋼筋的銹蝕機理進行了分析，并針對性地提出了各種預防措施。

混凝土;鋼筋;銹蝕;防護

鋼筋混凝土材料是當今用量最大、最主要的建筑工程材料，也是當今各種建筑材料中耐久性較好的一種材料。隨著工業和建筑業的迅速發展，鋼筋混凝土建造的建筑工程和設施越來越多。但是，由于建筑物所處環境介質的腐蝕以及設計、施工和使用等諸多因素的影響，鋼筋混凝土結構物都程度不同地遭受各種侵蝕介質的腐蝕損壞。直接影響混凝土結構的耐久性，混凝土強度及其與鋼筋粘結強度等基本性能降低，給國民經濟的發展和安全生產造成重大的損失。因此，分析混凝土中鋼筋的銹蝕原因并找到阻止其銹蝕的原因就顯得尤為重要。

一、混凝土中鋼筋的銹蝕機理

(一)鋼筋的鈍化

拌制常態混凝土的硅酸鹽水泥含有大量的硅酸鈣，水化時會生成大量氫氧化鈣晶體(約占15%～30%)沉積于水泥石中，所以混凝土孔隙液總是氫氧化鈣的飽和溶液，加上水泥中所含可溶性堿(K2O、Na2O)，使孔隙的pH值高達12.5～13.5。鋼在這種高堿性溶液中由于初始的電化學腐蝕作用，會迅速形成一層非常致密的厚約2×10－8m的Fe3O4/γ－Fe2O3(尖晶石子固溶體)的膜。這層膜牢牢地吸附于鋼表面上，使它難以繼續進行陽極反應。從電化學動力學上看，就是由活態變為鈍態，這層膜被稱為鈍化膜。在工程中實際采用的鋼筋，往往帶有高溫氧化皮和鐵銹。它們在水泥水化后數小時內都會被破壞，所以這種鋼筋在混凝土中也能迅速鈍化。使鋼筋的銹蝕率陡然降低，實際上，鋼筋的銹蝕為陽極鈍化這一種電化學反應所制止。如果可以長期保護混凝土所固有的這種致鈍性，鋼筋就可以永遠處于鈍化狀態，不會銹蝕。因此，經濟長效地保持混凝土所固有的這種致鈍特性，就是解決混凝土中鋼筋銹蝕問題、保持鋼筋混凝土耐久性的一條最根本的途徑。

(二)去鈍化

鋼筋鈍化膜的破壞稱為去鈍化，是混凝土中鋼筋銹蝕的先決條件。如前所述，具有鈍化膜的鋼筋，即使它周圍混凝土具有適當濕度，具備水與氧，混凝土電阻率也不高，鋼筋也是不會銹蝕的。鋼筋鈍化膜一旦破壞，如果混凝土具有適當濕度，即對鋼筋陰極反應所需的水與氧供應均無困難，混凝土中鋼筋就會開始銹蝕。

二氧化碳和氯離子是破壞混凝土中鋼筋鈍化膜的兩個最常見的環境介質。因此，混凝土中鋼筋去鈍化機理有下列兩種:

(1)混凝土的碳化

二氧化碳溶于水，呈弱酸性，空氣中的二氧化碳氣體不斷地沿著不飽和水的混凝土連通毛細孔滲入混凝土中，與混凝土孔隙液中的氫氧化鈣進行中和反應，生成低堿性的碳酸鈣，這稱為碳化，它使混凝土孔隙液的pH值降到10以下，而鋼的鈍化膜在高堿性介質中才穩定，而在pH值降到小于11．5時，就不穩定;pH值降至10以下時，就完全失鈍。所以當混凝土碳化深度達到鋼筋表面時，鋼筋鈍化膜就會破壞。凡是能與氫氧化鈣進行中和反應的一切酸性氣體，如工業大氣中所含的二氧化硫、三氧化硫、硫化氫以及氣相氯化氫等都能降低混凝土堿度，使鋼筋失去鈍化。

(2)混凝土的鹽污染

在常見的污染物中，氯化物(氯鹽，以下簡稱鹽)為最能促使混凝土中鋼筋去鈍化的物質。鹽污染混凝土有兩種途徑:一種是由混凝土原材料帶入混凝土拌合物中的，如海產骨料、拌合用鹽水、含鹽的早強劑、減水劑等;另一種是混凝土硬化后，滲入混凝土的含鹽環境介質，如海水、海霧和浪花以及冷天為防止高速公路路面冰凍而撒布的化冰鹽。氯離子只能在水中傳輸，它在混凝土中的傳輸方式有兩種。一是在不流動的水柱，由于氯離子濃度差一起的單純的離子擴散;二是在干燥材料的毛細孔中，含氯鹽的水被毛細管吸收。至于溫度影響，因為在不高于80℃的氣溫下氯離子活度、氯離子擴散率氧的擴散率以及水分蒸發速度均隨溫度升高而增大，而氧在水中的溶解度隨溫度升高降低不多，pH值也降低不多，所以混凝土中鋼的銹蝕速度與溫度成正比。

二、鋼筋銹蝕的預防措施

(一)設計方面

結構選型和細部設計時，應盡量限制在混凝土面上、接縫和密封處排水、積水;應盡量減少潮濕和濺濕的表面積。在棱角或凸處，侵蝕介質可同時從多個方面滲入混凝土;而凹處，承載構件應力異常，容易開裂，凹凸處均加劇其中鋼筋的銹蝕，所以構件形狀應力戒單薄、復雜、帶棱角，特別是要使這種部位避開頻繁的干濕交替的浪濺區域。鋼筋銹蝕引起的混凝土順筋裂縫，一旦形成，也是不可控制的，應以保證鋼筋長期不銹蝕的有效措施事先預防。

(二)混凝土保護層的質量與厚度

有鹽污染環境中的鋼筋混凝土結構，免遭鋼筋銹蝕破壞的基本預防措施是最大限度的降低混凝土保護層的滲透性，并具有適當的厚度。雖然，慣用硅酸鹽水泥常態混凝土并不是完全不滲透的，但是只要采用優質材料、盡量低的水灰比，則可以制備滲透性很低的混凝土。為保證混凝土拌合物具有必要的工作性，常態混凝土拌合水量遠大于水泥充分水化所需的結合水量。多余水分在混凝土中形成連通毛細孔，成為氯離子、二氧化碳、氧氣和水滲入混凝土的主要通道，因此，水灰比愈大，混凝土中毛細孔也愈多，混凝土滲透性愈大，對鋼筋的保護作用就愈差。

(三)水泥品種、摻合料與外加劑

摻礦渣、粉煤灰或天然火山灰等礦物質摻合料以代替部分硅酸鹽水泥或采用摻混合料的硅酸鹽水泥，由于它們與水泥的水化產物氫氧化鈣反應產生凝膠體的過程比水泥水化反應慢。火山灰反應生成的水化硅酸鈣凝膠體，后期可以封堵混凝土中毛細孔，從而顯著改善骨料與水泥漿體界面區顯微組織，減少微裂縫，可以結合更多氯離子，甚至還可以組織二氧化碳侵入，從而降低混凝土的碳化速度，提高混凝土對鋼筋的保護能力。

(四)靜電噴涂粉末環氧樹脂鋼筋

鍍鋅鋼筋，由于鋅比鋼更活潑，具有較負的腐蝕電位，當鋅層局部損傷時，可以其自身的腐蝕，為鋼筋基材提高陰極保護作用。靜電噴涂粉末環氧樹脂鋼筋，它是在工廠流水線上，嚴格控制各種工序工藝條件下涂覆的。由于除銹徹底、環氧樹脂涂覆均勻，熱熔固化充分、均勻、迅速;并連續通過高壓電的針孔檢測和及時修補，所以可使鋼筋與環境侵蝕介質氯離子、水、氧氣等完全隔離，無論混凝土已碳化或是已被鹽嚴重污染，它均具有極高的耐腐蝕性能。

(五)混凝土拌合物中摻阻銹劑

鋼筋阻銹劑是摻加于混凝土拌合物中，通過單分子層的化學反應阻止鋼筋表面陽極或陰極過程的一種外加劑。它主要用于預防鹽污染混凝土引起的鋼筋銹蝕，阻銹劑使用方便，不必專門維護，可均布于整個混凝土中，不僅集中于混凝土保護層這一關鍵部位，且費用低廉，是一種經濟有效的防護措施。

(六)混凝土表面涂覆

從鋼筋的銹蝕機理可知，混凝土碳化和氯離子滲透是導致鋼筋鈍化膜破壞的主要因素。鈍化膜破壞后，由于氧的繼續滲入，在水分子存在的條件下鋼筋產生了電化學銹蝕。因此，在混凝土表面涂覆各種保護層，使混凝土與二氧化碳、氯離子、氧氣和水隔離，是防止鋼筋混凝土結構鋼筋銹蝕的一種常用的、有效措施。根據電化學腐蝕機理，鋼筋混凝土表面必須全面涂覆，如果僅局部涂覆，由于宏觀腐蝕電池的作用，鋼筋仍可能產生腐蝕。混凝土碳化，是空氣中的二氧化碳沿混凝土毛細孔擴散，與孔隙中氫氧化鈣反應生成碳酸鈣，使混凝土失去堿性保護作用。氯離子在混凝土中則是一種液相擴散，由于混凝土孔隙液聚集了超過限值的游離氯離子時，氯離子會滲進并破壞鈍化膜，導致鋼筋銹蝕。因此，用混凝土表面涂覆法來防止鋼筋銹蝕時，所選用的涂覆材料和涂覆工藝，必須能防止氣體和水的滲透，具有很好的氣密性和水密性，并能牢固地與混凝土表面節后，長期發揮作用。

三、結語

雖然鋼筋銹蝕會給混凝土建筑物帶來嚴重的危害，但在實際施工中，只要加強領導，嚴格管理，精心施工，并根據環境的特點和材料的性質，采取相應的措施，是完全能夠防止和推遲混凝土中鋼筋的銹蝕，從而提高混凝土的使用性和耐久性。

［1］葛燕，等．混凝土中鋼筋的腐蝕與陰極保護［M］．北京:化學工業出版社，2007．

［2］［瑞士］漢斯·博尼．鋼筋混凝土結構的腐蝕［M］．蔣正武，龍廣成，孫振平譯．北京:機械工業出版社，2009．

2011－04－11

汪旭東(1977－)，男，湖北武漢人，工程師。