钢筋混凝土中钢筋腐蚀原理的研究

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摘 要：在建筑工程的建设过程中，多数项目离不开钢筋混凝土结构。然而钢筋混凝土中钢筋腐蚀现象普遍的存在，因此工程项目质量管理需要对这一问题进行分析与防范。钢筋混凝土腐蚀是引起结构破坏的主要原因，而大多数情况又是由于其内钢筋腐蚀引起的。本文以钢筋腐蚀的原理分析做主线，论述了其发生机理与过程，然后就国内外钢筋混凝土腐蚀的防治措施做了相应的介绍。

关键词：钢筋混凝土；钢筋腐蚀；原理；

1、问题的提出

钢筋混凝土所使用的材料是混凝土和钢筋，具有混凝土和钢筋的优点，其强度高、韧性好，并且混凝土与钢筋间具有良好的粘结力，同时二者的温度线膨胀系数相近，正因为钢筋混凝土具有这些优点，因此钢筋混凝土成为现代土木结构的主体。著名专家学者P.K.Mehia认为，钢筋腐蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性最重要的因素。混凝土中钢筋的腐蚀，不仅会造成巨大经济损失，还可导致钢筋混凝土结构破坏，甚至会引起结构坍塌。因此，钢筋腐蚀问题不容忽视。

2、钢筋混凝土中钢筋腐蚀原理分析

混凝土的孔溶液呈碱性，新拌混凝土的pH值一般都在12~13之间，在这样强的碱性环境下，钢筋表面会生成一层钝化膜，它是厚度一般为2×10-9~6×10-9m的水化氧化产物(γ-Fe2O3・nH2O)，阻止了钢筋的锈蚀，但是当pH值由于各种原因降至11.8或者更低时，钝化膜将不能保持，钢筋进入活化状态，钢筋就会发生锈蚀。

钢筋表面发生的腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀，化学腐蚀是钢筋表面与气体或介质溶液接触发生的腐蚀，这种腐蚀没有电子的流动，只是腐蚀现象的一小部分；而电化学腐蚀是钢筋表面与腐蚀介质发生电化学反应而引起的腐蚀，绝大部分腐蚀都属于电化学腐蚀，因此本文着重讨论电化学腐蚀。

钢筋表面发生电化学腐蚀的条件是当钢筋表面有水分存在时，就发生铁电离的阳极反应和溶液态氧还原的阴极反应，并以相互等速度进行，其反应方程式如下：

阳极：FeFe2++2e

阴极：0.5O2+H2O+2e2OH-

总的反应是阴阳极反应的组合，并在钢筋表面析出氢氧化铁：

Fe2++2OH-Fe(OH)2

Fe(OH)2+0.5H2O+0.25O2Fe(OH)3

氢氧化铁Fe(OH)3进一步氧化生成红锈nFe2O3・mH2O，一部分氧化不完全的生成黑锈Fe3O4，在钢筋表面形成锈层，铁锈的体积最大可膨胀至原来体积的6倍。钢筋膨胀使周围的混凝土产生较强的拉应力，当混凝土中拉应力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土将沿钢筋方向开裂，即顺筋开裂，严重的使混凝土保护层剥落。混凝土开裂后，进一步丧失了对钢筋的保护，使得腐蚀介质更容易达到钢筋表面，导致钢筋腐蚀的进一步加剧，如此周而复始，加剧了钢筋混凝土结构的破坏。

混凝土中钢筋钝化状态被破坏、钢筋活化的主要原因是混凝土保护层的碳化和氯化物的作用。混凝土碳化时，pH值显著降低，一般降到8~9，在这种状态下，钢筋将不处于钝化状态，极易发生腐蚀。相对于碳化，氯离子的危害一旦发生后果要严重的多。氯离子半径小，穿透能力强，可以很容易穿透钢筋表面的钝化膜，进而竞争吸附在钢筋的表面，当氯离子到达钢筋表面时，将使该处的pH值显著降低，导致局部酸化，造成小阳极大阴极的情况，促成严重的电化学腐蚀。Cl-除了去钝化作用外还有搬运作用，Cl-可以与Fe2+生成FeCl2，加速了阳极过程，FeCl2是可溶的，向混凝土内扩散时遇到OH-便生成Fe(OH)2沉淀，进而生成氧化铁即铁锈。Cl-不会被消耗掉，只是起到了“迁移”作用，如此周而复始，大大加速了钢筋的锈蚀。此外，Cl-的存在加大了混凝土的导电性，使得电化学腐蚀的发生更加容易，对钢筋的防腐蚀极为不利。

3、钢筋的腐蚀过程及防范措施

3.1混凝土中钢筋的腐蚀过程

钢筋的腐蚀过程有两种，一种是电极反应交换电流引起的腐蚀。钢铁在酸性溶液中的溶解属于此类。另外一种是扩散速度控制的腐蚀过程。混凝土中钢筋的腐蚀大多数属于这种腐蚀。混凝土内钢筋的腐蚀，一般多属于金属电化学腐蚀这种腐蚀的发生一般都在以下两种情况下：一是钢筋表面氧化铁保护膜被破坏，使钢筋失去保护层；二是有水和氧气的参与。具体表现在以下几个方面

1.混凝土内掺入了氯盐。我国用氯盐做早强防冻剂的历史很长，有些工程仍在使用。为提高混凝土早期强度，在混凝土中掺加一定量的氯盐往往是有效的。但因氯化钙是以氯离子和钙离子的状态存在，氯离子能破坏钢筋表面的氧化铁保护膜，并能使钢筋表面局部酸化，使钢筋腐蚀。另外，如果氯化钙掺量过多，还会增加混凝土的干缩度，使其在早期产生干缩裂缝。加上氯盐本身具有较强的吸湿性，从而加速了钢筋的腐蚀。

2.混凝土不密实或存在裂缝。混凝土密实度不良和构件上产生的裂缝，往往是造成钢筋腐蚀很重要的原因。尤其当水泥用量偏少、水灰比不当，在混凝土浇筑过程中振捣不实，产生露筋、蜂窝麻面和裂缝时，就会给水和氧及其它侵蚀性介质的渗透创造条件，从而加速钢筋的锈蚀。

3.混凝土“碳化”。混凝土的“碳化”，是指空气中的二氧化碳气体在混凝土表层逐渐为氢氧化钙的碱性溶液所吸收，相互生成碳酸钙的现象或碳化的结果，使混凝土的PH值不断下降，并不断向内部深化，当碳化深度达到或超过钢筋保护层时，钢筋表面的氧化铁保护膜便遭到破坏，使钢筋失掉了保护的屏障。这时，大气中含有的工业废气，如氯化氢等将被棍凝土吸收并与氢氧化钙结合，使混凝土碱度迅速下降，钢筋遭受腐蚀。

4.高强钢筋中的应力腐蚀。高强钢筋在应力的作用下，容易导致氧化铁保护膜的破坏，裂缝比较活化，并作为阳极而腐蚀。同时，由于钢筋中具有很高的拉应力和高强钢筋的低变形性能，腐蚀和应力共同作用，加速了裂缝的深度发展，使钢筋在看不到明显腐蚀的情况下突然产生断裂。

3.2混凝土中钢筋的腐蚀防范措施

从目前的技术条件来看，混凝土结构物中钢筋腐蚀的检测方法主要包括破损法和非破损法（电阻棒法、涡流探测法、声发射探测法自然电位法、交流阻抗谱法、线性极化法、恒电量法等许多种），修复技术主要有补丁法、电化学氯化物萃取技术及再碱化技术等几种。在工程实际中，需要针对具体情况选用合适的检测方法和修复技术可采用单一的检测方法和修复技术，必要时也可采用多种检测法和修复技术相结合的方法。

4、结束语

在建筑工程项目质量管理越来越严的今天，钢筋混凝土结构中的钢筋的腐蚀问题日益引起人们的重视。因此，了解发生腐蚀的机理，进而采取针对性的防范措施，是保证工程质量的必要前提和要求。

参考文献：

[1] 朱彦鹏主编.混凝土结构设计原理[M].重庆：重庆大学出版社，2002.

[2] 牛荻涛主编.混凝土结构耐久性与寿命预测[M].北京：科技出版社，2003.

[3] 洪乃丰.防冰盐腐蚀与钢筋混凝土的耐久性.建筑技术，2000.