□□ ，，

(大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024)

引言

鋼筋混凝土結(jié)合了鋼筋和混凝土的優(yōu)點(diǎn)，是工程中用量最大的建筑材料。雖然隨著結(jié)構(gòu)計(jì)算理論的提出和新型建筑材料的出現(xiàn)，將來(lái)還會(huì)出現(xiàn)很多新的結(jié)構(gòu)形式，但可以肯定的是，混凝土結(jié)構(gòu)仍然是最常用的結(jié)構(gòu)形式之一[1]。隨著鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的大量使用，其耐久性問(wèn)題也逐漸暴露出來(lái)。鋼筋銹蝕帶來(lái)的耐久性問(wèn)題不僅造成了大量的經(jīng)濟(jì)損失，還威脅到人們的生命安全。Mehta教授曾在《混凝土耐久性——五十年進(jìn)展》報(bào)告中指出：“當(dāng)今世界混凝土破壞的原因，按照重要性遞減順序排列是：鋼筋銹蝕、凍害、物理化學(xué)作用”[2]。

據(jù)估計(jì)，全世界混凝土結(jié)構(gòu)每年因鋼筋銹蝕引起的維護(hù)加固費(fèi)用達(dá)1 000億美元[3]。例如，日本引以為豪的新干線，運(yùn)行不到10年就出現(xiàn)了鋼筋銹蝕開(kāi)裂、混凝土剝落等情況。英國(guó)為解決海洋環(huán)境下鋼筋混凝土構(gòu)筑物的腐蝕與防護(hù)問(wèn)題，每年花費(fèi)將近20萬(wàn)英鎊[4]。我國(guó)因鋼筋銹蝕引起的耐久性問(wèn)題同樣很嚴(yán)重，根據(jù)1999年底的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，僅1999年當(dāng)年我國(guó)由于結(jié)構(gòu)老化造成的損失約為1 800～3 600億元，其中鋼筋銹蝕占40%，約為720～1 440億元[5]。

所以，有必要對(duì)混凝土中鋼筋的銹蝕機(jī)理及影響因素進(jìn)行研究，從而更好地對(duì)混凝土的鋼筋銹蝕進(jìn)行預(yù)測(cè)、預(yù)防及處理。

1 鋼筋銹蝕的機(jī)理

混凝土中水泥的水化產(chǎn)物中有20%～30%的氫氧化鈣，所以混凝土的孔溶液呈現(xiàn)堿性，pH值在12左右。在這種堿性環(huán)境下，鋼筋的表面會(huì)形成一層致密的鈍化膜。研究表明[6]，鋼筋的鈍化膜存在兩個(gè)pH臨界值，一個(gè)是pH=9.8，低于此值，鋼筋表面的鈍化膜不可生成；另一個(gè)是pH=11.5，當(dāng)pH>11.5才能生成完整的鈍化膜。鋼筋的鈍化膜不破壞，即使在存在水和氧氣的情況下鋼筋也不會(huì)銹蝕。鋼筋鈍化膜的破壞主要有兩種途徑，一是混凝土碳化，二是氯離子擴(kuò)散到鋼筋的表面。在一般的大氣環(huán)境下，鋼筋鈍化膜的破壞主要是由于混凝土碳化引起的。在海洋環(huán)境下，高濃度的氯離子會(huì)導(dǎo)致鈍化膜的破壞。

1.1 鈍化膜的破壞

混凝土碳化又稱為混凝土的中性化，是在有水存在的情況下，混凝土中水泥的水化產(chǎn)物與空氣中的二氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。具體反應(yīng)式如下：

CO2+H2O→H2CO3

(1)

Ca(OH)2+H2CO3→CaCO3+2H2O

(2)

由(2)式可知，由于氫氧化鈣參加反應(yīng)后變成碳酸鈣，生成物與反應(yīng)物相比密度變大，體積變小。因此，混凝土的碳化會(huì)引起混凝土的不可逆收縮，從而導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂紋，容易使有害離子進(jìn)入混凝土內(nèi)部。有害離子可能會(huì)導(dǎo)致混凝土的鋼筋銹蝕。更嚴(yán)重的是，混凝土的孔溶液的初始pH值在12～13，碳化后的pH值為8～10，這致使鋼筋的鈍化膜破壞。

一般情況下，氯離子主要是通過(guò)擴(kuò)散、滲透和毛細(xì)管吸附透過(guò)混凝土保護(hù)層，最后到達(dá)鋼筋位置。氯離子會(huì)使混凝土的pH值急劇下降，致使鈍化膜遭到破壞，而且氯離子對(duì)鈍化膜的破壞作用特別大。聞建[7]的研究表明，即使孔隙液的pH值保持在11.5以上，當(dāng)鋼筋表面的氯離子含量增加到某一臨界值時(shí)，也具有局部破壞鈍化膜的能力。金偉良等[1]從4個(gè)方面總結(jié)了氯離子對(duì)鋼筋的腐蝕機(jī)理：①破壞鈍化膜，氯離子是很強(qiáng)的去鈍劑；②形成腐蝕電池，氯離子的點(diǎn)蝕使鋼筋表面形成小陰極大陽(yáng)極，加快蝕坑的發(fā)展；③去極化作用，氯離子是腐蝕電池的催化劑，加速了腐蝕電池的進(jìn)行；④導(dǎo)電作用，氯離子強(qiáng)化了離子通路，提高了腐蝕電池的效率。

1.2 鋼筋銹蝕

根據(jù)鋼筋所處環(huán)境的不同，可以將鋼筋銹蝕分為自然電化學(xué)銹蝕和雜散電流銹蝕。二者的相同之處是[8]：①腐蝕時(shí)發(fā)生的都是氧化還原反應(yīng)；②鋼筋銹蝕的發(fā)生必須具備3個(gè)條件：鋼筋表面存在電位差，構(gòu)成腐蝕電池；鋼筋的鈍化膜遭到破壞，處于活化狀態(tài)；鋼筋表面有電化學(xué)反應(yīng)和離子擴(kuò)散所需的氧氣和水；③腐蝕產(chǎn)物相同；④都是一個(gè)電化學(xué)反應(yīng)。

鋼筋的鈍化膜因?yàn)榛炷恋奶蓟黄茐?。在有氧氣和水存在的情況下，鋼筋開(kāi)始銹蝕。在一般的大氣環(huán)境下，鋼筋銹蝕時(shí)陰極和陽(yáng)極發(fā)生的反應(yīng)如下：

陽(yáng)極反應(yīng)：2Fe→2Fe2++4e-

(3)

陽(yáng)極產(chǎn)生的電子通過(guò)鋼筋傳到陰極，而陽(yáng)極產(chǎn)生的亞鐵離子通過(guò)水溶液向周圍擴(kuò)散。

陰極反應(yīng)：O2+2H2O+4e-→4OH-

(4)

陰極反應(yīng)生成的OH-也向四周擴(kuò)散，在陽(yáng)極附近Fe2+與OH-相遇發(fā)生如下反應(yīng)：

Fe2++2OH-→Fe(OH)2

(5)

在氧氣量不足的情況下，反應(yīng)為：

6Fe(OH)2+O2→2Fe3O4+6H2O

(6)

當(dāng)氧氣充足的情況下，F(xiàn)e(OH)2會(huì)進(jìn)一步發(fā)生氧化反應(yīng)：

4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3

(7)

Fe(OH)3脫水生成紅色的鐵銹，即：

2Fe(OH)3→Fe2O3+3H2O

(8)

銹蝕產(chǎn)物疏松多孔，可以比原來(lái)鐵的體積膨脹2～4倍[8]。

在有氯離子侵蝕的混凝土機(jī)體中，氯離子的催化作用大大加速了鋼筋的銹蝕。具體反應(yīng)式如下：

Fe2++2OH-→Fe(OH)2

(9)

FeCl2+2H2O→Fe(OH)2+2HCl

(10)

4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3

(11)

2Fe(OH)3→Fe2O3+3H2O

(12)

4Fe(OH)2+O2→2Fe2O3+4H2O

(13)

除了自然電化學(xué)銹蝕外，雜散電流也可以使鋼筋銹蝕。這個(gè)因素開(kāi)始并未引起人們的注意，研究也相對(duì)較少。隨著輕軌、地鐵等用電驅(qū)動(dòng)的交通設(shè)施的快速發(fā)展，雜散電流對(duì)鋼筋銹蝕的影響越來(lái)越受到研究人員的重視。地鐵及輕軌是利用直流供電牽引驅(qū)動(dòng)機(jī)車的軌道交通系統(tǒng)，列車走行的鋼軌是做直流回流用的，由于鋼軌與大地之間難以完全絕緣，因此會(huì)有部分直流回流經(jīng)鋼軌泄漏到隧道地下埋設(shè)的各類金屬管線和隧道本體結(jié)構(gòu)鋼筋上，這類電流稱為雜散電流[9]。其銹蝕機(jī)理為[8]：當(dāng)電流從a點(diǎn)進(jìn)入鋼筋混凝土?xí)r，鋼筋的電位高，鋼筋相當(dāng)于得到電子，所以鋼筋為陰極；當(dāng)電流離開(kāi)混凝土?xí)r，相當(dāng)于鋼筋失去電子，這時(shí)鋼筋為陽(yáng)極，如圖1所示。

圖1 雜散電流進(jìn)入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)[8]

雜散電流較小時(shí)不會(huì)引起鋼筋銹蝕，但是，當(dāng)雜散電流的值超過(guò)0.6 mA/dm2時(shí)，腐蝕電流就會(huì)引起鋼筋的銹蝕?？刂齐s散電流的強(qiáng)度，能夠有效地控制鋼筋銹蝕[10]。

2 鋼筋銹蝕的影響因素

造成混凝土中鋼筋銹蝕的因素有很多，包括混凝土自身的原因，例如：混凝土裂縫、混凝土密實(shí)度、混凝土保護(hù)層厚度、水泥品種、混凝土施工中帶入的氯離子等?；炷了幍耐獠凯h(huán)境也會(huì)對(duì)混凝土中鋼筋銹蝕產(chǎn)生影響，例如：環(huán)境中氯離子含量、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、氧氣等。

2.1 內(nèi)部因素

內(nèi)部因素是指混凝土材料本身具有的可能影響鋼筋銹蝕的因素。

2.1.1 混凝土裂縫

混凝土裂縫的產(chǎn)生是由多種因素導(dǎo)致的，包括混凝土的干縮、外部荷載、混凝土施工質(zhì)量、堿骨料反應(yīng)、鋼筋銹蝕、養(yǎng)護(hù)不當(dāng)?shù)?。常立新等[11]認(rèn)為裂縫的寬度對(duì)鋼筋早期銹蝕的影響比較大，對(duì)鋼筋后期的銹蝕影響比較小。張平生[12]的研究發(fā)現(xiàn)混凝土表面的縱向裂縫對(duì)鋼筋銹蝕的影響要比垂直裂縫的大?；炷恋牧芽p給有害離子或氣體進(jìn)入混凝土內(nèi)部提供了通道?？梢?jiàn)一定寬度的裂縫加速了鋼筋的銹蝕。

2.1.2 混凝土的密實(shí)度

如果混凝土的密實(shí)度好，可以有效地防止或推遲鋼筋的銹蝕，因?yàn)槊軐?shí)度好的混凝土可以阻止侵蝕介質(zhì)滲入。良好的密實(shí)度可以通過(guò)嚴(yán)格控制水灰比、施工質(zhì)量等來(lái)實(shí)現(xiàn)。林樂(lè)琴[13]認(rèn)為水灰比應(yīng)控制在0.5以下，這樣可以有效地防止鋼筋銹蝕。一般來(lái)講，混凝土強(qiáng)度越高密實(shí)性越好，賀鴻珠等[14]通過(guò)試驗(yàn)得出混凝土的強(qiáng)度越高，混凝土的抗銹蝕能力越強(qiáng)?？傊?，其他條件相同時(shí)，混凝土密實(shí)度越高抗銹蝕能力越強(qiáng)。

2.1.3 混凝土保護(hù)層厚度

混凝土保護(hù)層一般定義為鋼筋外表面到混凝土構(gòu)件表面的這層混凝土，位于鋼筋與外界環(huán)境之間，是保護(hù)鋼筋及內(nèi)部混凝土不受外界侵蝕的重要防線，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性具有十分重要的意義[13]。施惠生等[15]研究發(fā)現(xiàn)，增大混凝土保護(hù)層的厚度能有效地延緩混凝土中鋼筋的銹蝕，延長(zhǎng)鋼筋開(kāi)始銹蝕的時(shí)間。黃德強(qiáng)[16]曾對(duì)中外混凝土保護(hù)層的厚度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)中國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)要比外國(guó)標(biāo)準(zhǔn)要求的保護(hù)層厚度小。綜上，應(yīng)該綜合考慮建筑物的使用年限、所處環(huán)境等因素，在施工中保證保護(hù)層質(zhì)量，適當(dāng)增加保護(hù)層的厚度。

2.1.4 水泥品種

水泥的品種也會(huì)影響鋼筋的銹蝕。如果水泥的堿度較低，混凝土的抗碳化能力低，則鋼筋較易產(chǎn)生銹蝕，銹蝕程度較為嚴(yán)重。水泥的品種還會(huì)影響混凝土保護(hù)層的抗?jié)B性。不同品種的水泥對(duì)引起鋼筋銹蝕的因子的抵抗能力不同[17]。

2.1.5 混凝土施工中帶入的氯離子

混凝土的原料如骨料、水、外加劑、水泥等均可能帶入氯離子。馬紅巖等[18]的研究發(fā)現(xiàn)，海砂帶入的氯離子要比拌和水中帶入的氯離子對(duì)混凝土鋼筋銹蝕的影響要小，而且海砂帶入的氯離子要超過(guò)一定的濃度后才會(huì)引起鋼筋的銹蝕。謝燕等[19]的試驗(yàn)表明，摻入不同種類的氯鹽對(duì)鋼筋銹蝕的影響不同?？傊?，混凝土原料中引入在規(guī)范的限量?jī)?nèi)少量的氯離子對(duì)混凝土鋼筋銹蝕的影響不大，但是氯離子濃度越高，鋼筋銹蝕越嚴(yán)重。

2.1.6 混凝土的骨料

混凝土的骨料屬于惰性材料，一般不會(huì)因發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而影響混凝土的性能。但是，隨著混凝土用量的增大以及骨料供應(yīng)的不足，再生骨料已開(kāi)始應(yīng)用。孫平平等[20]的研究表明，再生粗骨料取代率在20%～50%時(shí)，鋼筋抗銹蝕能力下降不顯著。但是，再生骨料與天然骨料相比不利于防止鋼筋銹蝕。

2.2 外部因素

混凝土所處的外部環(huán)境條件也是誘發(fā)混凝土中鋼筋銹蝕的關(guān)鍵因素。其中氯離子對(duì)鋼筋銹蝕的影響已經(jīng)在鋼筋銹蝕機(jī)理中做過(guò)介紹，不再贅述。其他環(huán)境因素對(duì)鋼筋銹蝕的影響分析如下。

2.2.1 環(huán)境溫度

鋼筋的銹蝕是電化學(xué)反應(yīng)。化學(xué)反應(yīng)速率會(huì)隨溫度的升高而加快。Jiang J H等[21]的研究表明，在自然環(huán)境下溫度對(duì)混凝土的鋼筋銹蝕影響很大。由于鋼筋銹蝕的影響因素比較復(fù)雜，所以鋼筋銹蝕速率與環(huán)境溫度之間并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。沈建德等[22]的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在40 ℃以下，增加環(huán)境溫度顯著增加銹蝕率；在40 ℃以上，隨著溫度的增加，銹蝕率反而下降。這可能是因?yàn)殡S著環(huán)境溫度的升高，陰陽(yáng)極之間的離子移動(dòng)速度和氯離子的侵入速度變快，但是氧氣進(jìn)入混凝土的量變小，不同溫度時(shí)主導(dǎo)因素不同，所以存在著鋼筋銹蝕的一個(gè)最適溫度。

2.2.2 環(huán)境濕度

相對(duì)濕度主要通過(guò)兩個(gè)方面影響鋼筋的銹蝕：一是環(huán)境的相對(duì)濕度影響混凝土的相對(duì)濕度，從而影響混凝土的電阻；二是相對(duì)濕度會(huì)影響侵蝕介質(zhì)進(jìn)入混凝土中的速度。當(dāng)環(huán)境的相對(duì)濕度較大時(shí)，水充滿了混凝土的孔隙，使得二氧化碳、氧氣等不容易進(jìn)入鋼筋的內(nèi)部，所以相對(duì)濕度太大時(shí)對(duì)鋼筋的銹蝕有抑制。環(huán)境中的相對(duì)濕度太小時(shí)，鋼筋的銹蝕是無(wú)法進(jìn)行的。當(dāng)相對(duì)濕度在80%～90%時(shí)，鋼筋的銹蝕達(dá)到最大[10]。

2.2.3 氧氣含量

氧氣是鋼筋發(fā)生銹蝕的一個(gè)必要條件。氧氣是鋼筋銹蝕時(shí)陰極反應(yīng)必不可少的。沒(méi)有氧氣，即使鋼筋的鈍化膜破壞且氯離子含量很高，鋼筋也不會(huì)銹蝕。趙煒璇等[23]的研究表明，溶液中氧氣含量的適當(dāng)降低有效減緩了鋼筋鈍化膜的破壞速度，但對(duì)鋼筋鈍化膜破壞的臨界氯離子濃度未產(chǎn)生影響。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)的發(fā)展，混凝土的組分也在發(fā)生著變化，例如再生骨料代替天然骨料用于混凝土中。這些新的材料組分對(duì)鋼筋銹蝕的影響，需要進(jìn)行系統(tǒng)的研究。

鋼筋銹蝕的影響因素很多，各個(gè)因素之間相互影響，相互制約。目前對(duì)于單因素的研究較多、較詳細(xì)，缺少對(duì)多個(gè)因素對(duì)鋼筋銹蝕影響的研究[24]。綜合考慮多因素的影響，可以對(duì)鋼筋的銹蝕更好地進(jìn)行預(yù)防，而且可以促進(jìn)鋼筋銹蝕預(yù)測(cè)模型的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 金偉良，趙羽習(xí).混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的回顧與展望[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2002，36(4)：371-380.

[2] 尚琛煦.基于鋼筋銹蝕的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2007.

[3] 張偉平，顧祥林，金賢玉，等.混凝土中鋼筋銹蝕機(jī)理及銹蝕鋼筋力學(xué)性能研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2010(S1)：327-332.

[4] 牛獲濤.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性與壽命預(yù)測(cè)[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[5] 李長(zhǎng)明.不均勻銹蝕鋼筋與混凝土粘結(jié)性能試驗(yàn)研究[D].鄭州：華北水利水電學(xué)院，2012.

[6] 洪乃豐.混凝土堿度與鋼筋銹蝕[J].混凝土與水泥制品，1990(5)：16-18.

[7] 聞建.鋼筋混凝土中鋼筋銹蝕機(jī)制與防治措施分析[J].江漢大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，40(6)：42-44，52.

[8] 干偉忠，高明贊.雜散電流對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響[J].混凝土，2009，31(6)：21-24，45.

[9] 耿健.雜散電流與氯離子共存環(huán)境下鋼筋混凝土劣化機(jī)理的研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2008.

[10] 施錦杰，孫偉.混凝土中鋼筋銹蝕研究現(xiàn)狀與熱點(diǎn)問(wèn)題分析[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2010，38(9)：1753-1764.

[11] 常立新，丁煜祥，程澤和，等.混凝土裂縫對(duì)鋼筋銹蝕的影響[J].工業(yè)建筑，2006(S1)：903-904.

[12] 張平生.混凝土狀況對(duì)鋼筋銹蝕的影響及原因[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1998，30(1)：5-8.

[13] 林樂(lè)琴.混凝土保護(hù)層質(zhì)量與鋼筋銹蝕[J].浙江水利水電?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2013，25(2)：17-19.

[14] 賀鴻珠，范立礎(chǔ)，史美倫.海水對(duì)不同強(qiáng)度混凝土中鋼筋銹蝕的影響[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2004，7(3)：291-294.

[15] 施惠生，郭曉潞，張賀.保護(hù)層厚度對(duì)混凝土中鋼筋銹蝕的影響[J].水泥工程，2009(2)：79-83.

[16] 黃德強(qiáng).混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋保護(hù)層厚度控制研究[D].青島：青島理工大學(xué)，2012.

[17] Pereira V，Monteiro E，Almeida K D.Influence of cement type in reinforcement corrosion of mortars under action of chlorides[J].ConstructionandBuildingMaterials，2013，40：710-718.

[18] 馬紅巖，邢鋒，董必欽，等.海砂混凝土中鋼筋銹蝕特性的電化學(xué)表征研究[J].混凝土，2007(7)：20-23.

[19] 謝燕，吳笑梅，樊粵明，等.內(nèi)摻氯離子對(duì)鋼筋銹蝕的影響及不同材料對(duì)氯離子的固化[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，37(8)：132-139.

[20] 孫平平，葉良.再生骨料混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕影響因素試驗(yàn)研究[J].新型建筑材料，2013，40(3)：19-22.

[21] Jiang J H，Yuan Y S.Development and prediction strategy of steel corrosion rate in concrete under natural climate[J].ConstructionandBuildingMaterials，2013，44：287-292.

[22] 沈德建，吳勝興.環(huán)境溫度對(duì)砂漿中鋼筋銹蝕率的影響[J].建筑科學(xué)，2002，18(2)：41-42，59.

[23] 趙煒璇，巴恒靜.含氧量對(duì)臨界氯離子濃度及鋼筋銹蝕速率影響[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，40(5)：714-719.

[24] 許建榮.混凝土中鋼筋銹蝕速度影響因素研究進(jìn)展[J].化工礦物與加工，2002，31(12)：29-31，33.