鋼筋銹蝕對混凝土結構的危害及其預防措施

雍玉鯉 王 欣(揚州市職業大學土木工程學院，江蘇 揚州 225009)

鋼筋銹蝕對鋼筋混凝土結構及預應力混凝土結構的耐久性和安全性影響極大。目前，鋼筋銹蝕引起混凝土結構的過早破壞已成為世界各國普遍關注的一大災害[1]。據有關資料介紹，美國腐蝕損失的40%與混凝土中鋼筋的銹蝕有關。我國以基礎設施為主的鋼筋混凝土結構中鋼筋的銹蝕也已經造成很大的危害，并潛存著很大的結構安全威脅。我國的海港碼頭、濱海設施、水工、橋梁等都有很多鋼筋銹蝕破壞的事例，許多工程達不到設計壽命的要求，大量的修復工程已經或正在進行[2]。因而，采取適當措施預防鋼筋混凝土中鋼筋的銹蝕，具有十分重大的經濟意義，在某些情況下甚至關系到人民的生命安全。

1 鋼筋銹蝕的機理

正常情況下，在正常混凝土中pH值約為12，這時鋼材表面能形成堿性氧化膜(鈍化膜)，對鋼筋起保護作用，若混凝土碳化后，由于堿性降低(中性化)會失去對鋼筋的保護作用。此外，混凝土中氯離子達到一定濃度也會嚴重破壞鋼筋表面的鈍化膜。

對于鋼筋混凝土，在一般環境條件下，鋼筋的銹蝕通常由兩種作用引起：一種是混凝土碳化作用，一種是氯離子的侵蝕[3]。二氧化碳和氯離子對混凝土本身都沒有嚴重的破壞作用，但是這兩種環境物質都是混凝土中鋼筋鈍化膜破壞的最重要又最常遇到的環境介質：混凝土碳化使混凝土孔隙溶液中的Ca(0H)2含量逐漸減少，pH值逐漸下降，鈍化膜逐漸變得不再穩定以至于完全被破壞，使鋼筋處于脫鈍狀態；周圍環境中的氯離子從混凝土表面逐漸滲入到混凝土內部，到達鋼筋表面的混凝土孔溶液中的游離氯離子濃度超過一定值(臨界濃度)時，即使混凝土堿度再高，pH值大于l1.5時，Cl-也能破壞鈍化膜，從而使鋼筋發生銹蝕。氯鹽引起鋼筋銹蝕的發展速度很快，遠比碳化銹蝕嚴重，這種情況常發生在近海或海洋環境以及冬季經常使用除冰鹽的環境。

2 影響鋼筋銹蝕的因素

在混凝土結構中，鋼筋受到周圍混凝土的保護，一般并不被腐蝕，只有在一定條件下才產生銹蝕。影響鋼筋銹蝕的因素很多，包括鋼筋位置、鋼筋直徑、水泥品種、混凝土的密實度、保護層厚度及完好性、外部環境等。

1）混凝土液相pH值及碳化程度。鋼筋銹蝕速度與混凝土液相pH值有密切關系，pH值大于10時，鋼筋銹蝕速度很小；pH值小于4時，鋼筋銹蝕速度急劇增加。混凝土的碳化降低了混凝土的堿度，造成pH值降低，給鋼筋脫鈍提供了可能。鋼筋的失重率與混凝土的碳化深度差不多呈線性關系，由此混凝土的碳化程度對鋼筋銹蝕有重大影響。

2）混凝土中Cl-的含量。混凝土中Cl-的含量對鋼筋銹蝕影響極大，氯鹽的摻量應少于水泥重量的l%。氯化物是一種很危險的侵蝕介質，但是在我國北方地區，為保證冬季交通暢行，向道路、橋梁及城市立交橋等撤除冰鹽，大量使用的氯化鈉和氯化鈣，使得氯離子滲入混凝土，引起鋼筋銹蝕破壞。

3）混凝土的密實度和保護層厚度。混凝土能阻止外界腐蝕介質、氧氣和水分等的滲入，混凝土密實度越高，保護層越厚，外界有害物質就越難滲入，鋼筋銹蝕就不容易發生。這三個方面都與侵蝕性介質的侵蝕速度有關，保護層厚度對鋼筋銹蝕的影響呈線性關系，因此世界各國規范對保護層厚度都作了規定。在我國新修訂的《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》對鋼筋的最小保護層厚度規定中，隨著使用環境條件的劣化，混凝土保護層厚度也在增加。混凝土的密實度影響著混凝土的滲透性，滲透性高的混凝土更容易發生銹蝕。

4）環境條件。環境對鋼筋銹蝕的影響主要有以下幾個方面：溫度、濕度、二氧化碳的濃度、氧氣的濃度以及侵蝕性介質的濃度。

5）其他因素。除上述因素外，鋼筋應力狀態對其銹蝕也有很大影響，預應力鋼筋更容易腐蝕，而且應力腐蝕比一般腐蝕更危險。

3 鋼筋銹蝕對混凝土結構的危害

鋼筋銹蝕后會對混凝土結構的強度安全與耐久性產生一定的危害，主要體現在以下幾個方面：

1）鋼筋名義屈服強度下降。衡量鋼筋強度的指標有兩個，分別是名義屈服強度和實際屈服強度，名義屈服強度是指屈服荷載與鋼筋未銹蝕的面積之比。而實際強度是指鋼筋在屈服時鋼筋所受到的拉力與實際面積的比值。所以，從概念上可以看出，實際屈服強度比名義屈服強度更能反應銹蝕鋼筋強度的真實情況。但是，實際情況的鋼筋面積是很難測定的，所以，對于銹蝕的鋼筋而言，用名義屈服強度來衡量鋼筋的力學性能是比較方便的。

造成鋼筋名義強度降低的原因有二，一是鋼筋的截面減小，這樣，截面減小后在相同受力的情況下承載力就會降低；二是鋼筋表面具有凹凸不平的銹坑，使得鋼筋在受力過程中會產生應力集中。鋼筋的名義強度降低自然會影響到整體結構的強度。

2）混凝土構件截面的損傷。鋼筋在銹蝕后，會對周圍的混凝土產生膨脹，如果膨脹量達到一定程度，達到混凝土的極限抗拉強度時，會造成混凝土沿鋼筋方向開裂，嚴重時可能會造成保護層的脫落，使混凝土截面受損。混凝土截面受損后，構件的受壓區就會減小，對受彎構件而言，彎矩的力臂減小，鋼筋和混凝土所要承擔的力就會變大，會降低結構安全的可靠度。

3）鋼筋與混凝土之間握裹力下降。鋼筋銹蝕膨脹后，會造成混凝土沿著鋼筋產生裂縫，裂縫的產生勢必會造成混凝土對鋼筋握裹力的下降，握裹力下降造成的連帶影響使鋼筋與混凝土應變將不再協調，即同一位置的鋼筋和混凝土的應變大小將不再一致（通常鋼筋的應變將小于混凝土的應變），造成鋼筋的強度不能得到充分發揮，對混凝土結構安全造成不利影響。

4 鋼筋銹蝕的預防措施

為避免混凝土中鋼筋銹蝕問題的發生，確保建筑工程的質量和使用性能，需采取一定的預防措施：

1）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、接縫和密封處排水和積水；應盡量減少潮濕和濺濕的表面積。在棱角或凸出處和凹處應注意。因此，構件形狀應力求避免單薄、復雜、帶棱角等，特別是要使這種部位避開頻繁的干濕交替的浪濺區域。

2）混凝土保護層的質量和厚度

對于有鹽污染環境中的鋼筋混凝土結構，免遭銹蝕破壞的基本預防措施是最大限度降低混凝土保護層的滲透性，并具有適當的厚度。一般只要采用優質材料，盡量低的水灰比，可以制備滲透性很低的混凝土。

3）混凝土中拌和物中摻阻蝕劑

鋼筋阻蝕劑摻加于混凝土拌和物中，可均布于整個土體中，預防鹽污染混凝土引起的鋼筋銹蝕，且費用低廉，效果明顯。

4）水泥摻和料與外加劑

摻礦渣、煤粉灰或天然火山灰等礦物質摻和料以替代部分硅酸鹽水泥或采用摻混和材的硅酸鹽水泥，可以結合更多的Cl-，阻止二氧化碳侵入，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。

5）靜電噴涂粉末環氧樹脂鋼筋

環氧樹脂可使鋼筋與環境侵蝕介質完全隔離，大大提高抗銹蝕能力。

6）提高設計、施工質量

在工程建設中切實抓好設計、施工的質量，確保建筑工程達到國家規定的質量要求；切實控制好建筑工程的使用條件，避免因使用不當而造成混凝土開裂；遠離污染源，杜絕建筑工程直接受到有害氣體或化學物質的污染和侵蝕；做好建筑工程的保護工作，使混凝土的保護層和建筑工程的內外墻的粉刷面保持完好，避免混凝土受到有害環境物質的污染和侵蝕。

5 結 語

混凝土結構中鋼筋的銹蝕是混凝土結構耐久性的重要影響因素，也是目前混凝土耐久性課題中的一個難點。本文主要論述了鋼筋銹蝕的產生機理、影響銹蝕的因素和鋼筋銹蝕給混凝土結構帶來的危害，最后提出了幾條具有實際指導意義的鋼筋銹蝕預防措施。值得一提的是，預防鋼筋混凝土中鋼筋銹蝕的措施很多，每種方法都有自身的優勢與不足。關鍵是要針對混凝土所處的環境條件和可能預測到的銹蝕源，有的放矢地采取預防措施。有時候，將幾種方法綜合使用可能會取得最好的防銹效果，從而大大提高混凝土結構的安全可靠度與耐久性。

[1]牛荻濤.混凝土結構耐久性與壽命預測[M].北京:科學出版社，2003.

[2]孟凡斌.混凝土中鋼筋的銹蝕和預防[J].安徽建筑工業學院學報，2002，10(2):74～77.

[3]金偉良，趙羽習.混凝土結構耐久性[M].北京:科學出版社，2002.