水工鋼筋混凝土結構的鋼筋銹蝕破壞和防控

母俊卿

（新疆卡拉貝利水利樞紐工程建設管理局，新疆 喀什 844000）

水工鋼筋混凝土結構的鋼筋銹蝕破壞和防控

母俊卿

（新疆卡拉貝利水利樞紐工程建設管理局，新疆 喀什 844000）

水工鋼筋混凝土結構的鋼筋銹蝕破壞是危及水利工程結構安全的一大病害，不同地區、不同環境、不同作業階段，防控措施各不相同。文章針對在不利外部環境作用下鋼筋銹蝕現象進行機理分析，總結影響因素和發生原因，并結合工程規劃設計、施工建設實際提出了一些預防、控制措施。

鋼筋混凝土結構；鋼筋銹蝕破壞；銹蝕原因；防控措施

水利水電工程中，鋼筋混凝土是建筑物結構構件的重要組成部分。在不利外部環境作用下如出現比較嚴重的鋼筋銹蝕現象，會使水工鋼筋混凝土結構遭受破壞，使用年限縮短，安全性、可靠性降低，輕度危及建筑物安全的，必須進行除險加固建設，嚴重破壞無法使用的，甚至要報廢工程。水工鋼筋混凝土結構鋼筋銹蝕破壞除要投入巨額資金維修外，還嚴重威脅人民生命財產安全，無論是水利水電工程設計、施工、建設和運行管理，都應深刻認識其形成機理、原因并掌握其基本防治措施［1］。

1 鋼筋銹蝕破壞機理及主要影響因素

1.1 鋼筋銹蝕機理

水工鋼筋混凝土結構中存在Ca（OH）2及其它堿性物，pH值約為 12.5，鋼筋在混凝土的強堿性環境中，表面形成的鈍化膜可阻止鋼筋腐蝕，因而質量良好、沒有裂縫的鋼筋混凝土，鋼筋基本上不發生腐蝕［2］。當鋼筋表面的鈍化膜受到破壞，組成鋼筋的Fe元素就容易腐蝕，鋼筋表面有溶解氧的水分存在時，產生電化學反應過程，發生Fe（鋼筋）電離的陽極反應和溶解氧還原的陰極反應：

若溶氧量有限，較容易產生含亞鐵離子的產物，在鋼筋表面析出化學反應物 Fe（OH）2，若溶解氧充足，Fe（OH）2可被繼續氧化：Fe＋3O2＋6H2O＝4Fe（OH）3，Fe（OH）3可在空氣中脫水形成疏松的Fe2O3·xH2O。鋼筋銹蝕即為鋼筋中的 Fe元素發生電化學反應，在鋼筋表面形成由Fe的多種氧化物及水合物組成的鐵銹混合物的過程［3］。

1.2 鋼筋銹蝕對鋼筋混凝土結構的破壞

鋼筋混凝土結構中的鋼筋發生銹蝕以后，鐵銹的體積是鋼筋體積的2～4倍，在鋼筋與四周混凝土交界面上產生鋼筋銹脹力，混凝土保護層因受拉而出現開裂，進一步加劇銹蝕，鋼筋的有效面積減小、強度降低導致結構承載力下降。

當預應力鋼筋局部受損發生坑銹蝕時，由于結構截面小而鋼筋工作應力高，極有可能發生突然斷裂，對結構安全造成極大威脅。另一方面，銹蝕鋼筋的抗滑移能力降低，有可能導致結構出現滑移破 壞［4］。

水利部2014年1月發布《水利水電工程合理使用年限及耐久性設計規范》（SL654—2014），提出了水利水電工程及其水工建筑物的合理使用年限（見表1、表2），是在正常設計、正常施工、正常運行使用和規定的維修下應達到的最低使用年限，而當混凝土結構出現嚴重鋼筋銹蝕破壞后，工程或建筑物難以滿足規范規定、不能達到合理使用年限，降低了預期投資效果。

表1 水利水電工程合理使用年限 年

表2 水利水電工程各類永久性水工建筑物的合理使用年限 年

2 鋼筋腐蝕的主要原因及防控措施

2.1 促使鋼筋發生腐蝕破壞的常見原因

1）在工程設計階段，對外部環境不利因素考慮不足或對應環境類別（見表3）的水工混凝土結構設計安全等級不足，在超負荷荷載作用下，混凝土結構構件產生裂縫或鋼筋混凝土結構不能有效應對不利環境的侵蝕，混凝土耐久性降低而逐漸造成鋼筋銹蝕。

表3 水工混凝土結構所處的環境類別

2）混凝土配合比設計時，處于碳化、氯化物、化學腐蝕及堿活性骨料等不利環境時，在滿足強度、抗凍、抗滲等主要指標的前提下，對外界不利環境的研究或經驗不足，造成水灰比、水泥品種及用量、外加劑等不能完全滿足混凝土耐久性設計要求，不利條件下降低了混凝土對鋼筋的保護作用，引起鋼筋銹蝕。

3）水工混凝土結構施工時未按設計或規范進行作業，產生使鋼筋銹蝕破壞的不利條件，使鋼筋暴露在空氣和外界不利條件下發生銹蝕，形成的主要原因有：①工程重要部位（如閘井、擋水拱壩、泄洪洞、渡槽）鋼筋混凝土澆筑過程中，施工縫面處理不當，澆筑層面未按規范做鑿毛、沖洗、界面漿處理；或連續澆筑的混凝土，不能保持混凝土澆筑的連續性，新舊混凝土結合不緊密形成施工縫，留下鋼筋銹蝕破壞隱患；②工程地質勘察的內容和深度不滿足建筑物耐久性所需的地質基本資料要求或由于基礎施工處理不符合要求，產生基礎不均勻沉降，水工混凝土結構受力不勻引起裂縫，逐漸形成鋼筋銹蝕破壞；③由于混凝土施工后水泥水化熱過大，混凝土表層未作妥善溫度養護處理，因溫度應力造成混凝土結構出現裂縫，形成鋼筋銹蝕條件；④混凝土結構在施工過程中，保護層厚度不夠、施工中鋼筋偏位，混凝土澆筑振搗不足或過振、混凝土產生蜂窩、狗洞等質量問題，使混凝土對鋼筋的保護作用減弱或喪失，耐久性降低而留下鋼筋銹蝕破壞隱患；⑤混凝土施工中由于措施不當產生裂縫，如：混凝土施工分縫留縫位置不當或拆模板過早或養護不力造成表面干縮裂縫等。

4）外部不良環境改變對混凝土結構的破壞作用。外部條件變化后，環境水水質出現改變、周圍介質的 有 害 成 分 增 多，如 氯 離 子 （Cl-）、硫 酸 根（SO4

2-）及硫離子（S2-）、磷（P2-）等有害元素含量超過混凝土構件的設計使用條件范圍，使混凝土對鋼筋的保護作用降低逐漸引起鋼筋銹蝕破壞。

2.2 鋼筋銹蝕的防治措施

對水工鋼筋混凝土結構的鋼筋銹蝕問題必須給予高度重視，并積極采取措施加以防治：

1）在水工混凝土結構設計階段，應根據《水利水電樞紐工程等級劃分及設計標準》規定的水工建筑物的級別，采用適宜的水工建筑物的結構安全級別。

2）水工混凝土結構的耐久性、設計使用年限應和結構所處的環境掛鉤。

a.合理提出混凝土設計指標。根據《水工混凝土結構設計規范》（SL191—2008）要求，按照水工混凝土結構所處的環境條件（參見表3）提出相應的耐久性要求，分別做好混凝土強度、抗凍、抗滲、抗侵蝕、抗沖刷等耐久性指標的確定，可根據結構保護措施的實際情況及預期的施工質量控制水平，將環境類別適當提高，以保證結構耐久性和使用年限；選取不小于規范的混凝土保護層厚度，合理使用年限150 a的，專門研究確定保護層厚度。

b.在不同環境，混凝土給予適當的配合比工藝。對混凝土中氯化物的含量應嚴格限制，預應力混凝土中不得摻用氯鹽；降低混凝土的水灰比，降低混凝土的透水系數有助于提高鋼筋的抗蝕性；對于接觸侵蝕性介質的結構，應采用抗侵蝕性水泥；對于不得不使用堿活性骨料的混凝土結構，采用低堿水泥、加入足量的粉煤灰、礦渣等摻合料等抑制堿骨料反應措施；水流沖刷劇烈部位的水工混凝土結構，在混凝土中摻入硅粉提高抗沖耐磨性能，增加混凝土的耐久性。

3）混凝土對鋼筋有很好的保護作用，施工中提高混凝土的澆筑質量是最簡單有效的方法。在混凝土澆筑前做好鋼筋綁扎、模板支立等準備工作，按設計預留好混凝土保護層厚度；混凝土澆筑中，避免發生混凝土裂縫、混凝土密實度不好等混凝土質量缺陷，提高混凝土密實性，降低滲透性、抑制氧和水分的進入，防止鋼筋銹蝕；根據外界溫度，采取適當的保溫或降溫、保水養護控制措施，避免出現溫度裂縫。

4）加強工程檢查和維修養護。對于已發現混凝土結構構件出現的鋼筋銹蝕破壞問題，應積極查找原因并加以防治，避免擴大；對于因周圍環境變化可能對水工鋼筋混凝土結構形成的有害因素，要及早發現及時采取對策，及早消除影響，有條件的地區，建議逐步建立起水利水電工程鋼筋混凝土不良影響預警預報系統。

3 結 語

鋼筋銹蝕現象在水利水電工程實踐中很常見，水工鋼筋混凝土結構往往因鋼筋銹蝕破壞開始而引起工程和建筑物的安全問題，隨之帶來工程維修養護或除險加固的資金大量投入，對人民生命財產安全構成威脅、給生產管理帶來不利影響。本文結合工程建設實踐，系統深入分析水工鋼筋混凝土結構鋼筋銹蝕破壞的機理、原因，意在引起重視，并總結提出防控措施，為類似問題提供參考。

［1］張譽，蔣利學，張偉平，等.混凝土結構耐久性概論［M］.上海：上海科學技術出版社，2003：59-61.

［2］劉宏.水工建筑混凝土施工質量控制［J］.中國新技術新產品，2010（07）：109.

［3］水利部長江水利委員會長江勘測規劃設計研究院 . SL191—2008水工混凝土結構設計規范［S］.北京：中國水利水電出版社，2008.

TU375

B

1007-7596（2015）02-0087-02

2014-12-15

母俊卿（1975-），男，河南永城人，工程師，從事水利水電工程規劃建設。