混凝土中鋼筋銹蝕機理及其影響因素分析

孔 燕

（中鐵十一局集團城市軌道工程有限公司，湖北 武漢430074）

鋼筋長期暴露在外會發生銹蝕，這是一個電化學反應過程。造成鋼筋銹蝕的因素很多，主要有自然環境因素和人為因素，如潮濕的空氣、含侵蝕性介質的地下水、海洋環境，以及工業生產產生的酸等因素。盡管引起鋼筋銹蝕的原因不同，但鋼筋銹蝕對結構造成的破壞是一樣的，即鋼筋銹蝕到一定程度后，銹蝕產物產生的膨脹壓力將會使混凝土保護層發生順筋開裂，進而造成一系列破壞。

1 混凝土中鋼筋的銹蝕機理

混凝土在水化作用時水泥中的氧化鈣生成氫氧化鈣，使得混凝土孔隙中含有大量的OH-離子，其PH值一般可達到 12.5～13.5，使得鋼筋混凝土結構中，混凝土內部的堿性很高。這樣高的堿性可以使其內部的鋼筋表面保持鈍化狀態，鋼筋表面會形成一層不易滲透的牢固的粘附于鋼筋表面的氧化物—鈍化膜，鈍化膜使鋼筋表面不存在活性的鐵，因此電化學腐蝕無法進行，阻止鋼筋進一步銹蝕。鈍化膜是阻止鋼筋銹蝕的實質，而混凝土保護層是使鋼筋表面形成鈍化膜的前提，二者共同作用形成了防止鋼筋銹蝕的兩道防線。

在使用過程中隨著混凝土的碳化，鋼筋銹蝕會逐步產生。在混凝土碳化過程中，混凝土的堿性大大降低，其pH值由原來的12.5降到9左右。據有關資料顯示，當混凝土內部的pH值降低至11.5以下時，埋在混凝土內部的鋼筋表面鈍化膜就被破壞了，使鋼筋表面處于活化狀態。呈現活化狀態的鋼筋表面在其表面有水和氧氣的作用下，就會發生如下反應：

1）在陽極發生以下陽極反應：

2Fe-4e-→2Fe2+

2）在陰極發生如下陰極反應：

2H2O+O2+4e-→4OH-

鋼筋銹蝕過程的全反應是陽極反應和陰極反應的組合，在鋼筋表面析出Fe(OH)2，其反應式為：

2Fe+2H2O+O2→2Fe2++4OH-→2Fe(OH)2

Fe(OH)2再與水中的氧反應生成Fe(OH)3。一旦鋼筋表面有Fe(OH)3生成，其下面的鐵就成為陰極，會更進一步促成鐵的銹蝕。

隨著時間的推移，一部分Fe(OH)3進一步氧化生成nFe2O3mH2O（鐵紅），另一部分氧化不完全的變成Fe3O4（黑銹），在鋼筋表面形成銹層。鐵紅體積可以大到原來體積的四倍，黑銹體積可以大到原來體積的二倍。鐵銹體積膨脹對周圍混凝土產生壓力，使混凝土沿鋼筋方向和垂直鋼筋方向開裂，進而造成混凝土保護層成片脫落，裂縫的形成及保護層的脫落，使更多的水、氧氣和二氧化碳得以水里進入混凝土內部，又加快了鋼筋的銹蝕速度。

2 影響鋼筋銹蝕的主要因素

2.1 混凝土不密實或有裂縫存在

混凝土密實不良和構件上產生的裂縫，往往是造成鋼筋腐蝕的重要原因，尤其當水泥用量偏小，水灰比不當和振搗不良，或在混凝土澆筑中產生露筋、蜂窩、麻面等情況，都會加速鋼筋的銹蝕。大量研究結果表明：混凝土的碳化深度和混凝土密實度有很大關系。密實度良好的混凝土碳化深度僅局限在表面，而密實度差的混凝土，則碳化深度就較大。

2.2 混凝土碳化和酸性介質的侵入

空氣中的CO2氣體在混凝土表面逐漸與氫氧化鈣。碳化是介質與混凝土相互作用的一種很廣泛的形式，最典型的例子是空氣中的CO2逐漸與混凝土的氫氧化鈣發生反應生成碳酸鈣，這種現象稱為碳化。由于生成的碳酸鈣難溶解，其飽和值的pH值為9，因此隨著碳化反應的不斷進行，混凝土碳化區的pH值也不斷下降，并不斷向內部發展；當碳化深度達到或超過保護層時，鋼筋表面的鈍化膜遭到局部破壞，鋼筋開始銹蝕。當大氣中由氯化氫、硫化氫等酸性氣體，將同樣被混凝土吸收并與氫氧化鈣結合，從而使混凝土堿度迅速下降，使鋼筋遭受腐蝕。

2.3 環境濕度

鋼筋銹蝕與環境濕度有直接關系。在十分潮濕的環境中，其空氣相對濕度幾近于100%，混凝土空隙中充滿了水，阻礙了空氣中的二氧化碳和氧氣向鋼筋表面擴散，使鋼筋難以銹蝕。當相對濕度低于60%時，在鋼筋表面難以形成水膜，混凝土碳化也難以深入，鋼筋幾乎不生銹。而相對濕度在80%左右時，有利于碳化作用，混凝土中的鋼筋銹蝕發展很快。

2.4 Cl-侵蝕

混凝土中的Cl-主要源于原材料和外加劑，如使用海砂、海水或氯化鈣作外加劑等。研究表明，由于Cl-半徑小，活性大，具有很強的穿透力，所以當它進入混凝土中并達到鋼筋表面，容易吸附在氧化膜有缺陷的地方，并穿過氧化膜，在氧化物內層形成易溶的FeCl2，使氧化膜局部溶解，形成蝕坑現象。如果混凝土中含有大量均勻分布的氯離子，而鋼筋保護層又比較薄，有足夠的氧可以達到鋼筋表面，則鋼筋表面就可以大面積的發生上述氯離子的脫鈍化反應，導致許多點蝕坑合并、擴大，在鋼筋表面形成均勻的銹蝕層。

在Cl-侵蝕造成鋼筋銹蝕過程中，Cl-不僅促成了鋼筋表面的腐蝕電池，而且加速了電池的作用過程。C1-與Fe2+相互作用生成了FeCl2，C1-和Fe2+消失，從而加速了陽極反應?？扇苄缘腇eCl2在混凝土中擴散時遇到OH-，立即生成沉淀Fe(OH)2，在有氧條件下進一步氧化成Fe(OH)3，最后生成鐵的氧化物（鐵銹）。由以上反應可發現，C1-在整個過程中只起媒介作用而不被消耗，即凡是進入混凝土中的C1-，會周而復始的起破壞作用。

3 結語

鋼筋銹蝕到一定程度會導致粘結強度的明顯下降、結構承載力的降低，破壞模式及結構動力特性的改變等不利影響，因此，在施工嚴格按照施工規范要求，把握好混凝土原材料材質、水灰比、水泥用量、振搗和養護等關鍵工序，保證混凝土的密實性；對于有侵蝕性氣體、粉塵等介質，環境濕度較大時，用從工藝和建筑構造入手，減輕外界的侵蝕條件，避免侵蝕性液體直接觸及結構，并適當增加混凝土保護層厚度；在澆筑鋼筋混凝土結構時嚴格按照施工規范要求控制外源氯鹽用量，并通過添加適量緩蝕劑（如亞硝酸鈉等）消除或延緩鋼筋的銹蝕。

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