不銹鋼覆層鋼筋在混凝土結構耐久性提升中的應用

葛海芳，杜隆基

宿遷市高速鐵路建設發展有限公司，江蘇 宿遷 223800

混凝土結構是工程建設中運用最廣泛的結構形式，然而鋼筋發生銹蝕或裂縫、剝落導致混凝土結構耐久性下降的問題一直沒有得到很好的解決。混凝土結構耐久性下降的原因存在于結構的設計、施工及維護等各個環節[1]。

通過調研國內外的研究成果發現，混凝土結構由于耐久性下降產生了大量的損失。甚至有混凝土結構在維修過程中產生的費用超過了其自身的造價。國外學者曾用“五倍定律”來描述混凝土結構的耐久性問題[1]：設計時在鋼筋防銹蝕方面減少1美元的支出，那么在后期的結構維修防護時，如果出現鋼筋銹蝕將產生5美元的額外支出；如果演化成了順筋開裂，將產生25美元的額外支出；如果導致了嚴重的混凝土破壞，將產生125美元的額外支出。為此，工程師在進行結構設計時越來越重視混凝土的結構耐久性問題，并且持續推出更加嚴格的檢測評價方法和更先進的監控防護措施。根據調研，在嚴酷的環境下使用了7～25年的橋梁中，有89%出現鋼筋銹蝕問題[2]。由此可見，在嚴酷環境下混凝土結構耐久性問題非常突出，需要繼續深入研究。

1 混凝土中鋼筋銹蝕的機理

水泥石由水化硅酸鈣 2Cao?SiO2?nH2O，氫氧化鈣 Ca(OH)2，含水的鐵鋁酸三鈣3Cao?Al2O3?6H2O以及含水的鐵鋁酸鈣4CaO?Al2O3?Fe2O3?nH2O等組成。氫氧化鈣等物質的存在，使混凝土的孔隙間溶液pH值可以保持在12.5以上[3]，表現出強堿性。此強堿性環境將促使鋼筋表面生成一層鈍化膜，從而阻止鋼筋的銹蝕。

周圍環境中的酸性物質（如CO2、SO2、HCl、Cl2等）進入混凝土后，會使混凝土出現中性化現象[1]，并使混凝土中孔隙液的pH值降低。下面以空氣中的CO2進入混凝土后的反應為例，分析混凝土中性化的機理[4]：

中性化后的混凝土無法對鋼筋進行保護，鋼筋鈍化層無法穩定存在，鋼筋容易出現銹蝕。此時，鋼筋表面發生的銹蝕反應分為兩種，即化學銹蝕和電化學銹蝕，其中絕大部分都屬于電化學銹蝕。電化學腐蝕過程及產物如圖1所示[4]。

圖1 鋼筋表面電化學反應過程及產物

在水分的作用下，電化學反應生成結構疏松的產物(mFe3O4?nFe2O3?rH2O)并覆蓋在鋼筋表面，由于銹蝕產物的體積較之前會發生數倍的增大，對周圍的混凝土產生壓應力，使混凝土沿鋼筋方向開裂，保護層進而脫落，鋼筋外露，此狀態下鋼筋的銹蝕反應將進一步加速。

由此可見，水、氧氣與鋼筋發生接觸并發生化學反應導致了鋼筋的銹蝕，而鋼筋鈍化膜的破壞是間接原因。因此，如果避免鋼筋與水和氧氣接觸，可以實現鋼筋的防銹蝕目標。

在惡劣的高氯離子環境下，混凝土耐久性將面臨更大的挑戰。在氯離子的作用下，混凝土表面的鈍化膜將被破壞，氯離子作為電解質將在鋼筋表面形成腐蝕電池，同時氯離子的去極化作用和導電作用將加速鋼筋的銹蝕[5]。

2 提高鋼筋耐腐蝕性的方法

提高鋼筋耐久性的思路可以從原材料組成或結構角度切入，通過一些特別的制作工藝調整鋼筋的基本組成或者結構，從而提高鋼筋的耐久性能。

從鋼筋的材料角度來看，早些年國內外一些研究人員通過改變鋼筋的成分，制造合金的方法提升鋼筋的耐久性，如美國的Cu-P-Ni-Cr系合金、日本的Mu-Cu-Ni-Cr系合金[6-7]，我國的武鋼也曾測試過在冶煉過程中添加P、Cu等成分，這些方法都是通過在鋼材冶煉的過程中加入耐腐蝕的合金元素從而提升耐久性，雖然有一定的作用，但普遍成本過高，難以推廣。

現今，采用涂層、復合等工藝改善鋼筋耐久性成為主要的研究方向，其中不銹鋼包覆鋼筋、不銹鋼鋼筋、涂層鋼筋、MMFX鋼筋[8]等工藝較為成熟。這幾種耐腐蝕鋼筋的特點如表1所示。

表1 不同耐腐蝕鋼筋的特點

通過對比可看出，不銹鋼包覆鋼筋的耐腐蝕性能好、壽命長、價格成本相對合理、力學性能更好。目前不銹鋼覆層鋼筋生產中遇到的問題主要如下：不銹鋼覆層鋼筋中不銹鋼/碳鋼無法緊密結合的問題，覆層厚度不均勻的問題，高效率、低成本生產的問題。通過提升生產工藝不斷改進其性能并降低成本，不銹鋼覆層鋼筋的市場前景比較廣闊。

3 耐久性試驗

湖南三泰新材料股份有限公司針對不銹鋼覆層鋼筋開展了混凝土耐久性測試試驗[9]，設置由不銹鋼覆層鋼筋與普通碳素鋼筋形成的對照構件，采用海拌海養海砂鋼筋混凝土（NaCl濃度為15%），模擬一般室外使用環境。通過3年的放置試驗，得到實驗結果如圖2所示。

圖2 放置實驗后形貌照片

從圖2可看出，普通碳素鋼筋表層已出現了大量銹蝕，周圍混凝土出現了寬度約1mm的裂紋；不銹鋼覆層鋼筋沒有發生肉眼可見的腐蝕，鋼筋與周圍混凝土結合牢靠。

國外學者通過開展實驗，得到了海洋環境下各種鋼筋抗腐蝕性能：316不銹鋼鋼筋≈Stelax（不銹鋼覆層鋼筋）＞220不銹鋼鋼筋＞MMFX-II?鋼筋＞3Cr12鋼筋＞Black Bar（普通碳鋼鋼筋）[10]。可見Stelax不銹鋼覆層鋼筋的抗腐蝕性能與316不銹鋼鋼筋的性能相當。同時相比于316純不銹鋼鋼筋，不銹鋼覆層鋼筋由于內部的碳鋼作用，其屈服強度比前者高出約50%，在滿足耐久性的同時，可以更好地滿足混凝土結構的力學性能。

4 結束語

鋼筋銹蝕導致的混凝土結構耐久性問題已經成為當今眾多工程師關注的重大問題。不銹鋼覆層鋼筋的應用可以極大地減少銹蝕造成的結構退化問題，雖然增加了鋼筋的成本，但延長了混凝土結構的壽命，提升了綜合經濟效益。

不銹鋼覆層鋼筋的應用可以減少混凝土結構保護層的厚度，減少不銹鋼的用量，并減少鋼筋的用量（使用高強度不銹鋼覆層鋼筋），從而降低施工難度，加快施工速度，降低維修養護成本，減少維修養護的工作量，提升工程結構的安全性，降低全壽命周期的結構風險。