浅谈钢筋混凝土中钢筋锈蚀机理与防治措施
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摘要：从混凝土内钢筋锈蚀的电化学基本原理出发，系统阐述了因钢筋锈蚀而引起混凝土劣化的机制，分析了钢筋锈蚀后对钢筋混凝土构件的影响，依据影响钢筋锈蚀的主要因素分析，提出了锈蚀的防治措施。
关键词：混凝土；钢筋锈蚀；耐久性；氯离子；防治措施
中图分类号：TU528文献标识码： A
建筑物处于自然环境之中，自然环境包含有很多种不同类型的侵蚀性介质，同时作用有风，冰雪，雨水等气候因素，还有地震等各种各样的荷载的作用，在这些力学的以及自然的荷载的作用下，建筑物或者构筑物混凝土的腐蚀软化，开裂，破坏了钢筋与混凝土的粘结作用，结构承受荷载维持正常使用的能力发生退化，结构的使用寿命降低，给人类的生命和财产带来损失。结构的耐久性关系到结构的功能性和适用性能，现有的结构规范明确列出，采取措施来提高结构的耐久性。
1、钢筋混凝土结构耐久性
（1）结构耐久性的含义
混凝土结构由钢筋与混凝土材料组成，外界环境的侵蚀首先导致这些组分的性能发生改变，继而改变混凝土结构的力学性能，因此混凝土结构的耐久性是在材料耐久性研究基础上的进一步的深入。混凝土结构耐久性就是，结构在外部荷载作用和环境作用下仍能够满足功能性和适用性的能力。
（2）影响因素分析
影响混凝土耐久性的因素包括自身的材料、几何特性和外部环境两个方面。自身的材料和几何特性包括：混凝土材料的组分、含水率、水灰比、孔隙率、添加剂的物理化学性质、钢筋的材料组分、钢筋的晶体结构、养护试件、浇筑方式、施工过程、箍筋与纵筋的连接方式等。外部环境因素有物理和化学两种作用，物理作用主要是侵蚀性介质的传递、温度湿度、还包括机械作用等；化学作用，是指能够与混凝土材料和钢筋发生化学反应的侵蚀性介质(氯离子、硫酸根离子、各种酸性盐、海水、碱骨料反应)进入钢筋混凝土后与混凝土发生化学反应。外部环境是耐久性退化的主要原因。
钢筋混凝土耐久性的丧失，除了冻融、裂缝、海水腐蚀、冲刷磨损、碱骨料反应等一般混凝土损坏形式之外，主要是钢筋在混凝土中的锈蚀破坏。钢筋的锈蚀破坏导致混凝土的损伤表现为膨胀、开裂以及最终保护层剥落等形式。除保护层丧失外，由于钢筋和混凝土失去黏结力，以及钢筋横截面损失引起的钢筋混凝土结构损伤，以致有时到了结构的破坏已经不可避免。因此，钢筋锈蚀已经成为影响混凝土耐久性的主要因素，特别在氯盐环境中，钢筋锈蚀是首要因素。
2.1钢筋锈蚀机制
混凝土结构中的钢筋腐蚀可分为自然电化学腐蚀和杂散电流腐蚀，对于预应力混凝土结构，还可能发生应力腐蚀和氢脆腐蚀。一般混凝土结构中发生的通常为自然电化学腐蚀。自然电化学腐蚀其发生的根本原因是源于腐蚀电池的形成，腐蚀电池可能以两种形式产生：
①混凝土中的两种不同金属（如钢筋和铝导管），或钢材的表面特性有明显差异时，可形成组分电池。
②由于在钢筋附件溶解离子的浓度差，如碱和氯化物，从而形成浓差电池。腐蚀电池的结果是两种金属中的一种（或一种金属时金属的某些部分）成为阴极，另一种（或其他部分）成为阳极。腐蚀电池的基本化学反应如下所述：
Fe Fe2 + + 2e- （阳极区，腐蚀端，产生金属铁） （1）
1/2O2 + H2O + 2e- 2(OH)- （阴极区，非腐蚀端） （2）
进一步，Fe2 + 和2(OH)- 结合生成Fe(OH)2 ，由于Fe(OH)2 不稳定，将进一步生成氢氧化铁，即
4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O 4Fe(OH)3 （3）
氢氧化铁进一步氧化生成铁锈（ Fe2O3 ·Fe3O4 · H2O）。金属铁转变为铁锈时，体积增大，其增量因氧化状态不同，一般要增加2~4 倍，最多可增大6倍。这种体积增大可引起混凝土膨胀和开裂，一旦造成钢筋外露，会进一步加速钢筋的恶性锈蚀，直至构件丧失承载能力。对于应力高、直径细的高强钢丝，则常因钢丝表面局部缺陷或锈坑处形成应力集中而发生脆断。一般来讲，混凝土孔隙液具有很高的碱性（pH值为12.5~13.5），钢筋在这种介质中，表面受到一层非常致密的钝化膜（Ca(OH)2碱性薄膜，厚度为200~1000nm）保护，只有当钝化膜的保护作用消失后，钢筋才有可能锈蚀。当混凝土孔隙液中不存在氯离子，只要孔隙液的pH 值保持在11.5以上，钝化膜就处于稳定状态，但在某些情况（如混凝土有很高的渗透性，孔隙液中的碱和大部分氢氧化钙或者被碳化、或者被溶解），空气中的二氧化碳和混凝土孔隙中的氢氧化钙进行中和反应，生成碳酸钙，临近钢筋的混凝土pH 值会下降到11.5以下，钝化膜变得不稳定而被破坏，失去对钢筋的保护作用。当混凝土孔隙液中存在氯离子，即使孔隙液的pH值保持在11.5以上，在钢筋表面氯离子含量增加到某一临界值时，也具有局部破坏钝化膜的能力。氯离子含量的临界值为n(Cl-): n(OH)-物质的量比，当其大于6时，难溶解的氢氧化铁可转变成易溶的氯化铁，形成铁与氯化物的复合物，即绿锈（FeCl2·4H2O），致使钝化膜局部破坏。在此破坏过程中，氯离子虽然不构成腐蚀产物，在腐蚀过程中也不消耗，但是作为腐蚀的中间产物促进了腐蚀的发生，对钢筋的腐蚀起到了催化和搬运的作用。氯离子的催化反应可用式（4）、（5）表示：
Fe2 + + 2Cl- + 4H2O FeCl2 · 4H2O （4）
FeCl2 · 4H2O Fe(OH)2- +2Cl- + 2H+ + 2H2O （5）
3、钢筋锈蚀的防治措施
钢筋锈蚀的防治是一个系统问题，应该在设计、施工、检测等主要工作环节中，有针对性地采取措施加以控制，以确保钢筋混凝土结构安全，使用时间达到或超过设计使用年限。从前述分析可知，提高钢筋防治钢筋锈蚀的关键，是防止或延缓腐蚀介质（二氧化碳、氯离子、水和氧）通过混凝土保护层向钢筋表面渗透和扩散。
(1) 防止钢筋混凝土构件表面过早碳化
中国建筑科学研究院提出的混凝土在二氧化碳体积分数为20 %，标准养护为28 d时快速碳化的多系数方程为
（6）
式中，D 为混凝土碳化深度（mm）；η1 为水泥用量影响系数，对普通混凝土（轻集料混凝土）：η1 = 253C-0. 954 (η1 = 582C-1. 107) ，C 为每立方米混凝土的水泥用量（kg）；η2 为水灰比(W/C) 影响系数，对普通混凝土（轻集料混凝土）：η2 = 4. 15(W/C) -1.03（ η2 = 0. 017 + 2. 06(W/C) ）；η3 为粉煤灰取代量影响系数，对普通混凝土（轻集料混凝土）：η3 = 0. 968 + 0. 32F（ η3 = 1. 006 + 0. 17F ），F 为粉煤灰等量取代水泥的质量分数（%），如10 %，以10代入；η4 为水泥品种影响系数；η5 为集料品种影响系数；η6 为养护方法影响系数；K 为碳化速度系数，对普通混凝土取2. 32，对轻集料混凝土取4. 18；t 为标准养护天数，取28。
由公式（6）可知，增加水泥用量、降低水灰比、控制粉煤灰最大取代量、选用不含混合材的硅酸盐水泥或少含混合材的普通硅酸盐水泥、控制骨料粒径和级配、良好的养护方式等可以提高混凝土的抗碳化性能。
(2) 其他经济有效的措施
其他经济有效的措施，如适当增大混凝土保护层厚度；采取掺加减水剂以减小水灰比、加添优质掺合料、振捣密实和良好的养护等措施，以提高混凝土的密实性。在腐蚀环境较为恶劣的条件下，设计中应尽量避免采用形状复杂、尺寸单薄的构件等。此外，在严重腐蚀环境下，采取在混凝土中掺加缓蚀剂，如可采用聚合物水泥乳胶砂浆等涂料密封混凝土表面，以及采用喷敷树脂的防锈钢筋等措施。
4结束语
钢筋锈蚀对钢筋混凝土结构以及预应力钢筋混凝土结构的耐久性影响极大，其现象表现为钢筋的有效面积减小、钢筋应力集中、疏松铁锈层对钢筋与混凝土界面的作用、钢筋横肋锈损、锈蚀产物体积膨胀等。因此，需要根据钢筋锈蚀的基本原理以及各种因素的影响规律，科学地采取措施来保护钢筋，达到保证结构安全、延长结构使用寿命的目的。