浅谈钢筋腐蚀对于结构受力的影响及预防措施
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摘要：近年来，钢筋混凝土材料已成为受力结构的主要材料，在工程中已被广泛应用。钢筋腐蚀对结构受力的影响不容忽视，同时被腐蚀的钢筋也是影响混凝土耐久性的主要因素之一。而在施工中，一些现场技术员对钢筋腐蚀的认识并不深刻，因此文章就钢筋混凝土构件的工作性能、钢筋腐蚀的原因、危害及预防措施等几方面进行了探讨。
关键词：钢筋腐蚀；结构受力；钢筋混凝土
中图分类号：TU375文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）09-0160-02
一、钢筋混凝土构件的工作性能
钢筋和混凝土是两种性质不同的材料，由于混凝土硬化后与钢筋之间产生了良好的黏结力，使二者能牢固的结合在一起，从而保证在外荷载作用下，钢筋与其周围的混凝土能够共同变形；另外，钢筋与混凝土的温度线膨胀系数的数值颇为接近（钢筋为1.2×10-5、混凝土为10×10-5～1.5×10-5），当温度变化时，不致产生较大的温度应力而破坏两者之间的黏结。因此，在正常境况下，钢筋受到周围混凝土的保护，一般不会被腐蚀。但是由于保护层脱落或其他原因，在一定条件下也会发生钢筋腐蚀的现象。
二、钢筋腐蚀的危害
钢筋腐蚀通常表现在混凝土表面沿受力钢筋方向出现裂缝，并带有锈斑。这种裂缝表明，膨胀的铁锈足以使混凝土开裂。
钢筋腐蚀不仅能削弱其截面面积，使构件承载力下降，还会降低钢筋与混凝土的粘结力，影响两者共同工作的性能。同时由于钢筋腐蚀后体积膨胀，造成混凝土保护层裂开，甚至脱落，从而降低了结构的受力性能和耐久性能。
三、造成钢筋腐蚀的重要原因
所谓钢筋腐蚀，就是钢筋表面或内部晶体结构遭到破坏，不能按照设计要求承受外界荷载，从而影响结构正常的使用功能。这种腐蚀只有在一定条件下才能发生，具体原因如下：
1．混凝土不密实或有裂缝存在是造成钢筋腐蚀的主要原因，这也是钢筋与腐蚀物质接触的客观条件。当水泥用量偏小、水灰比不当、振捣不良或在浇筑中产生漏筋、蜂窝、麻面等情况，都会加速钢筋的腐蚀。但是一些施工人员往往认为这些缺陷不会对构件造成太大影响，没有引起足够的重视。
2．混凝土内掺氯盐是一个易被忽视的造成钢筋腐蚀的原因。由于施工的需要，为提高混凝土早期强度和防冻能力，会在混凝土内掺加一定量的氯盐，如氯化钙、氯化钠、氯化钾。如果氯盐掺量过大，会加速钢筋的腐蚀，具体表现在：（1）混凝土中存在的氯离子会破坏钢筋表面的钝化膜，使钢筋表面局部酸化，加速钢筋腐蚀；（2）水泥和氯化钙结合生成的新物质，会在混凝土构件中微胀而形成细微裂缝，使钢筋遭受腐蚀；（3）氯盐本身具有较大的吸水性，会增加混凝土的干缩量，加促钢筋腐蚀。
3．混凝土碳化造成钢筋腐蚀。正常情况下，空气中的二氧化碳气体在混凝土表面逐渐被氢氧化钙吸收，形成碳酸钙，这种现象称为混凝土碳化。碳化的速度除与二氧化碳的浓度有关外，还取决于相对湿度、混凝土的密实度等。一般状态下，由于水泥的水化作用，混凝土内的PH值为12～13，在此环境下，钢筋周围形成一种保护膜，即钝化膜，可保护钢筋不被腐蚀；当PH值小于9时，该钝化膜即被破坏。只有在混凝土内碱度降低，也就是说碳化深度达到或超过钢筋保护层时，钢筋表面的钝化膜被破坏，钢筋才开始被外界物质腐蚀。
4．高强钢筋中的应力腐蚀是随着预应力混凝土的采用而出现的一种特殊的腐蚀形式，即沿着垂直于钢筋长度方向而出现微裂缝并不断发展直至破坏。此种腐蚀一般在钢筋混凝土表面有轻微损害或无损伤（肉眼不可见）时就发生破坏，这种腐蚀尤为危险。
5．外界环境，如空气中二氧化碳、侵蚀性气体及相对湿度等是造成钢筋腐蚀的客观原因。经调查分析显示，当空气相对湿度低于60%时，在钢筋表面难以形成水膜，钢筋几乎不生锈；当空气湿度在80%左右会有利于碳化作
用，混凝土中的钢筋锈蚀发展很快。
四、钢筋腐蚀对结构受力的影响
受腐蚀的钢筋在与混凝土的协同工作中对于结构的受力有着重要的影响，具体表现为：
1．削弱钢筋受力的截面积，尤其是预应力混凝土结构中的高强度钢丝，表面积大，截面小，应力高，一旦发生腐蚀，危险性更大，严重者会导致构件断裂。
2．钢筋腐蚀后体积膨胀，生成铁锈的体积会比被已腐蚀的钢筋体积大3～4倍，从而对包围在钢筋周围的混凝土产生径向膨胀力。当径向膨胀力达到一定程度时，会引起混凝土的开裂，使混凝土保护层沿钢筋纵向开裂，甚至脱落，从而降低了结构的受力性能和耐久性能。
3．钢筋腐蚀降低了钢筋与混凝土的粘结力，即降低了混凝土对钢筋的约束作用，影响二者共同工作的性能。锈蚀使变形钢筋与混凝土之间失去了咬合作用。
五、对钢筋腐蚀的预防措施
由以上分析可知，混凝土中钢筋腐蚀不能完全避免，但是作为工程技术人员，必须从根本上认识钢筋腐蚀对于结构影响的重要性，最大限度的减小钢筋腐蚀的可能，防患于未然。
1．提高混凝土自身的防护能力。主要是靠提高混凝土的密实性，降低有害离子入侵和减缓碱度损失。当水泥用量偏小、水灰比不当和振捣不良时，或在混凝土浇筑中产生漏筋、蜂窝、麻面等情况，都会加速钢筋的腐蚀。因此，在施工中要严格要求施工队伍按照规范施工，保证混凝土的密实度，严格把握好材质、水灰比、水泥用量、振捣和养护等关键性工序，把混凝土表面出现蜂窝、麻面的可能性降到最低，为钢筋能够更好的发挥效力提供良好的环境，预防钢筋的腐蚀。
在天津某站房及高架候车厅的拆除工程中，根据拆除钢筋的特点得出结论：在混凝土密实性及粘结较好的构件中，拆除出来的钢筋表面情况良好；对于个别表面腐蚀相对严重的钢筋，追踪其存在的混凝土构件，混凝土质量相对于其他混凝土构件存在着一定缺陷。
2．保证混凝土保护层的厚度。在内外条件均无有害气体侵蚀下，混凝土保护层保护钢筋、防止锈蚀的作用尤为重要。保证达到混凝土保护层的厚度，就相应延缓了混凝土碳化深度达到钢筋表面的时间，使钢筋不能过早锈蚀，延长建筑物的使用寿命。新规范规定的混凝土保护层厚度值是最小厚度值，是满足结构的耐久性和对受力钢筋有效锚固的要求。新规范与1992年版《混凝土结构工程施工及验收规范》相比，对保护层厚度值作了加厚规定：如一类环境，对强度等级≤C20的混凝土板和墙、梁和柱，都加厚了5mm。由此可见，经过实践检验，混凝土保护层厚度对混凝土施工质量有很大的影响。
使用标准的砂浆垫块。施工过程中要严格按照设计要求保证保护层厚度，按照图纸要求确定各种构件垫块厚度，制作标准的垫块制作模，提前制作或购置砂浆垫块。而施工现场中一些工人常认为保护层不重要，用石子或其他东西代替砂浆垫块。在某信号楼工程施工时，施工单位想利用废旧预制水磨石块作为垫块。由于个别垫块强度不足，产生压碎现象。检查人员在检查过程中发现了该问题，要求施工单位必须使用标准的砂浆垫块，以确保混凝土保护层厚度。
减小钢筋位移。对于混凝土浇筑时易对墙、柱钢筋造成位移的问题，在墙体预留竖向梯子筋（竖向梯子筋需比竖向筋大一规格，以代替竖向筋），间距为1200mm，如图1所示。严禁在绑扎好的钢筋上行走或运送材料，以保证钢筋不发生移位。钢筋安装工程属于隐蔽工程，在施工中要作为混凝土结构施工中质量监督和控制的重点。
为防止现浇板板面钢筋在混凝土浇筑中被踩弯，可利用废旧钢筋制作水平马凳，间距为1000L，代替传统的钢筋马凳，以控制板面负筋的保护层，见图2，图中h=板厚-保护层×2-三层钢筋直径。
3．减少混凝土浆对钢筋的污染。在浇筑混凝土时，剪力墙及柱的上部钢筋在输送泵的冲击力和振捣棒的振捣下，混凝土浆会污染钢筋。对于强度及性能要求较高的剪力墙、柱，可利用工地上的废旧PVC管（直径比钢筋略粗）直接套在墙、柱竖向钢筋上，长度以800mm～1000mm为宜。PVC管可直接放在墙、柱水平定位钢筋上，两端用胶带纸缠在钢筋上。这样在混凝土浇筑时PVC管就不会移动，混凝土浆也不会污染钢筋。待混凝土浇筑完毕，抽出PVC管，擦掉表面的混凝土浆后存放，PVC管重复利用。
4．正确使用氯盐及亚硝酸缓冲剂。氯盐是使用比较广的防冻外加剂，在冬季施工中，浇筑混凝土要按规范控制好氯盐的用量。但氯盐的最大缺点是造成钢筋锈蚀。因此，对于禁止使用氯盐的结构，绝不使用；可以使用氯盐的结构，在使用过程中可以在混凝土中加入适当量的亚硝酸钠，可消除或延缓钢筋的腐蚀。
在使用亚硝酸钠钠过程中，要注意以下几点：（1）氯盐的使用范围。根据《混凝土外加剂应用技术规范（GB50119-2003）》不得用于预应力混凝土工程，以及与镀锌钢材或铝铁相接触部位的混凝土工程；严禁用于饮水工程及与食品接触的工程；（2）氯盐与亚硝酸钠的比例要适当。对于氯盐与亚硝酸钠的使用，由于一些施工人员缺乏考虑或疏于了解，容易造成错加错用的问题。根据规范要求，当氯盐掺量为水泥重量的0.5%～1.5%时，亚硝酸钠与氯盐之比应大于1.0；而当氯盐掺量为水泥重量的1.5%～3.0%时，亚硝酸钠与氯盐之比应大于1.3。
5．外涂隔离剂。这种方法能够提高混凝土防水性及耐久性，隔离腐蚀环境，可延缓碳化速度，起到保护混凝土的作用。施工时，首先应清除混凝土表面附着物，用水冲洗后令其充分干燥，在构件外表涂抹砂浆或绝缘层，如沥青漆、环氧树脂涂料等材料用于防腐。一般采用下列方法：（1）涂刷沥青漆。其配方为：30号沥青：10号沥青：汽油=1:1:2。要涂刷均匀，妥善存放，保证使用时漆膜完好。（2）涂刷水泥防腐涂料，其配方为：水泥:水:亚硝酸钠：甲基硅醇钠=100:30:6:2。配制时先用2/3的水溶解亚硝酸钠，与水泥拌和后在加入甲基硅醇钠，搅拌3～5分钟，再将剩余的水视稠度情况酌量加入搅拌，至均匀为止，涂层厚度以1.5L左右为宜，干燥后即可使用。
6．对于高强度钢丝的应力腐蚀和脆性断裂，应从根本上认识其危害的严重性。因此在制作预应力钢筋时，不要盲目拉伸，一味要求增加强度，节约钢筋，而忽视了由此带来的负面影响，造成严重的后果。
7．对于环境条件这一客观因素，如有侵蚀性气体或处于沿海环境的建筑承重结构，要事先分析，在设计过程中增加一些保护措施，适当增加混凝土保护层的厚度，或加入一些外加剂，阻止有害离子对钢筋的腐蚀或减缓其腐蚀速度，降低钢筋腐蚀的可能性。
六、结语
近年来，根据国内外的大量研究发现，不少在役的钢筋混凝土结构已受到不同程度的腐蚀损伤，尤其在潮湿多雨的地方，情况更为严重。混凝土工程是一个复杂的体系，钢筋的腐蚀对于结构的受力有着不可忽视的影响。实践证明，对腐蚀环境认识不足或没有采取适当的防护措施，是导致钢筋腐蚀过早出现的重要原因。作为工程技术人员，应该认识到问题的严重性，防患于未然，确保工程质量。
参考文献
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[4]张誉，等．混凝土结构耐久性概论[M]．上海：上海科学技术出版社，2003．
作者简介：宋萌（1988－），女，北京人，就读于中国矿业大学建筑工程学院土木工程专业，研究方向：工业与民用建筑；刘彬（1986－），男，四川自贡人，就读于中国矿业大学建筑工程学院土木工程专业，研究方向：矿山建设与地下工程；李博（1987－），男，吉林长春人，就读于中国矿业大学建筑工程学院土木工程专业，研究方向：矿山建设与地下工程。