钢筋锈蚀对混凝土耐久性的影响原理研究-建筑设计论文

钢筋锈蚀对混凝土耐久性的影响原理研究
崔琦王希泉
摘要：通过列举钢筋锈蚀对混凝土结构造成的危害，明确了钢筋锈蚀研究的必要性。综合阐述了钢筋锈蚀的发生条件以及其对混凝土耐久性影响的作用机理，为混凝土结构耐久性措施的改进，提供了理论基础。
关键词：锈蚀，耐久性
1钢筋锈蚀对混凝土结构造成的危害
混凝土结构由于耐久性导致的失效会造成很大的经济损失和资源浪费。耐久性问题造成的损失逐年增加，根据相关调查， 1975年美国由于腐蚀造成的经济损失为700亿美元；1985年达到1680亿美元；到上世纪90年代初用于在役建筑物维修加固上的投资与新建建筑物的投资量基本持平。德国的情况更严重，这一比例甚至达到了4:1[1]。
我国幅员辽阔，气候地质条件差异很大，某些地区环境污染相当严重，给建筑物造成的影响和侵害很大。据估计，我国1999年底一年内由腐蚀造成的损失约在1800～3600亿元之间，其中钢筋腐蚀约占其中的40%[2]。2003 年出版的《中国腐蚀调查报告》[3]一书表明，我国年腐蚀损失约为5000亿元（600亿美元）占GDP的6%。
新建建筑物的设计离不开耐久性研究，否则可能会给建筑物在将来的使用阶段留有安全性和耐久性隐患。在役建筑物的加固改造也离不开耐久性研究，否则就没有可靠的设计、施工和维护方法进行加固改造。
2钢筋锈蚀对混凝土的作用机理
钢筋的锈蚀产物质地疏松，锈蚀达到一定程度时，这会削弱了钢筋和周边混凝土之间的粘结和握裹力。较严重的腐蚀会造成较大的体积膨胀，对周围混凝土中产生很大的径向拉应力，致使周围混凝土体产生胀裂，不仅进一步削弱了钢筋与混凝土之间的联系，使钢筋暴露于腐蚀环境中，而且破坏了表层混凝土的完整性[4]。严重的可以导致保护层混凝土的完全剥落，钢筋和混凝土之间的联系丧失，严重减小混凝土结构构件的横截面积。根据以上破坏特点，可以把钢筋锈蚀造成的局部损伤分为以下三类：(1)材料本身的损伤，如钢筋强度降低以及混凝土强度的改变；(2)钢筋与混凝土之间粘结锚固关系的破坏；(3)锈胀开裂导致的混凝土截面的损伤。由于材料性能的离散性、以及环境的不确定性，混凝土中钢筋锈蚀的发生和发展程度具有一定的随机性。因此，对于上述问题的研究，多是建立在试验基础之上的。
钢筋混凝土构件是通过钢筋与混凝土之间的粘结来传递应力、协调变形的。近年来，地震灾害调查表明，强震下钢筋混凝土结构常常由于粘结锚固破坏而导致结构失效。反复荷载作用下的粘结性能与单调荷载下的粘结性能有着本质的不同。在反复荷载作用下，钢筋混凝土框架节点的刚度降低，节点区钢筋与混凝土会发生粘结力退化，粘结退化是使节点区强度丧失和刚度降低的主要原因。反复荷载作用下普通未锈蚀钢筋与混凝土之间的粘结会严重退化，对于锈蚀钢筋，粘结退化会更加严重。
3混凝土中钢筋腐蚀的条件
钢筋未被腐蚀的混凝土是呈高碱性的，其pH值一般在12.5左右，当混凝土中含有少量的Na2O、K2O时，pH值可能会大于13。在高碱性环境中，钢筋很容易发生氧化作用，表面生成一层很薄的氧化膜。其厚度为，主要成分为水化氧化物nFe2O3•mH2O。它是一种致密、稳定的共格结构，水和氧气不能渗透过去，使混凝土中钢筋处于钝化状态，能够有效阻止混凝土中钢筋的锈蚀，因此被称为钝化膜[5]。混凝土中钢筋锈蚀只有在这层钝化膜遭到破坏的情况下才可能实现。钢筋表面钝化膜破坏的原因有两个：一是混凝土中性化；二是足够浓度的游离Cl－扩散到钢筋表面。当钝化膜发生破坏后，混凝土中钢筋锈蚀是一个电化学过程。
3.1 混凝土中性化作用
碳化使混凝土孔溶液中的Ca(OH)2含量逐渐减少，pH值逐渐降低，当pH值下降到11.5 左右时，钝化膜不再稳定；当pH值降至9～10时，钝化膜的作用完全被破坏，钢筋处于脱钝状态，锈蚀就有条件发生了。一般大气环境下混凝土中性化的过程非常缓慢，视保护层厚度等因素不同，一般要数年甚至数十年才能达到钢筋表面。由于部分碳化区的存在，钢筋经历了从钝化状态经逐步脱钝转化为完全脱钝状态的过程。
3.2 Cl－作用
当钢筋表面的混凝土孔溶液中的游离Cl－浓度超过一定值时，即使在碱度较高，pH值大于11.5时，Cl－也能破坏钝化膜，从而使钢筋发生锈蚀。因为Cl－的半径小，活性大，溶液吸附在位错区，晶界区等氧化膜有缺陷的地方。Cl－有很强的穿透氧化膜的能力，在氧化物内层（铁与氧化物界面）形成易溶的FeCl2，使氧化膜局部溶解，形成坑蚀现象。如果Cl－在钢筋表面分布比较均匀，这种坑蚀现象便会广泛地发生，点蚀坑扩大、合并，发生大面积的腐蚀。
3.3混凝土中钢筋锈蚀的电化学机理
混凝土中钢筋锈蚀的发生必须具备三个条件：
(1) 钢筋表面存在电位差，构成腐蚀电池；
(2) 钢筋表面钝化膜遭到破还，处于活化状态；
(3) 钢筋表面有电化学反应和离子扩散所需的水和氧气。
钢筋实际是一个多种物质和元素共同存在的混合物，如碳素体、铁素体、杂质等，金相组织有不均匀性，钢筋的表面状况也有不均匀性。再加上混凝土的非均质性，都会使钢筋各部位的电极电位不同而形成腐蚀电池，因此第一个条件总是能够实现的。在一般的大气环境下，钢筋脱钝大多是由于混凝土保护层碳化引起的，混凝土碳化是一般大气环境下混凝土中钢筋锈蚀最主要的的前提条件。实际的混凝土中存在贯通的孔隙和裂缝，空气中的氧气和水分很容易通过保护层到达钢筋表面，提供锈蚀反应所需的水和氧。与原电池相类似，在钢筋生锈的化学反应过程中，锈蚀发生位置的钢筋表面相当于原电池的阳极，没有发生锈蚀的钢筋表面相当于原电池的阴极，钢筋周围混凝土中的空隙水相当于原电池中的电解液。忽略局部区域内钢筋本身的电阻，就相当于把原电池阳极和原电池阴极短路连接。其电化学腐蚀的工作历程包括下述四个基本过程：
（1）阳极反应过程：阳极区铁原子离开晶格转变为表面吸附原子，然后越过双电层放电转变为阳离子(Fe2+)，并释放电子，这个过程称为阳极反应，其方程式为：
Fe → Fe2+ + 2e－ (1)
（2）电子传输过程：即阳极区释放的电子通过钢筋向阴极区传送。
（3）阴极反应过程：阴极区由周围环境通过混凝土孔隙吸附、渗透、扩散作用进来并溶解于孔隙水中的O2吸收阳极区传来的电子，发生还原反应：
O2 + 2H2O + 4e－→ 4OH－ (2)
（4）腐蚀产物产生过程：阳极区产生的Fe2+向周围水溶液深处扩散、迁移，阴极区生成的OH－通过混凝土孔隙及钢筋与混凝土界面空隙中的电解质扩散到阳极区，与阳极附近的Fe2+反应生成Fe(OH)2。富氧情况下Fe(OH) 2被进一步氧化成Fe(OH)3，Fe(OH)3脱水后变成疏松、多孔的红锈Fe2O3；在少氧条件下，Fe(OH)2氧化不完全，部分形成黑锈Fe3O4。其氧化还原反应方程式如下：
Fe2+ + 2OH－ → Fe(OH)2 (3)
4Fe(OH)2 + O2 + H2O → 4Fe(OH)3 (4)
Fe(OH)3 → Fe2O3 + 3H2O (5)
6Fe(OH)2 + O2 → 2Fe3O4 + 6H2O (6)
最终的锈蚀产物的成分取决于氧气的供应量，即取决于大气环境以及混凝土的密实情况。
4结语
（1）对钢筋锈蚀对混凝土结构造成的危害进行了调查，明确了钢筋锈蚀研究的必要性。
（2）论述了钢筋锈蚀的发生条件以及造成混凝土构件退化的机理，为混凝土结构耐久性措施的改进，提供了理论基础。
5参考文献
[1] 美国ACI222委员会报告, 混凝土中金属的腐蚀, 海工钢筋混凝土耐久性译文集. 上海：交通部第三航务工程科研所, 1988. [2] 张誉, 蒋利学, 张伟平, 屈文俊. 混凝土结构耐久性概论. 上海: 上海科学技术出版社, 2003. [3] 刘西拉. 重大土木与水利工程安全性与耐久性的基础研究. 结构工程学的研究现状和趋势. 同济大学出版社, 1995. [4] 雷国强. 锈蚀钢筋混凝土偏心受压柱承载力试验研究: [硕士学位论文]. 长沙: 湖南大学土木工程学院, 2006, 1-37. [5] 张伟平, 张誉. 一般大气环境条件下混凝土中钢筋开始锈蚀时间的预测. 四川建筑科学研究, 2002, 28(1): 27-29.