钢筋混凝土结构中钢筋的锈蚀与保护问题

钢筋混凝土结构中钢筋的锈蚀与保护问题
彭尚东
钢筋混凝土结构是现代工程界广泛应用的结构形式之一。这些钢筋混凝土建筑物和构筑物由于自然环境的恶劣或生产工艺的限制，长期受着有害介质的侵蚀作用，造成了钢筋混凝土结构的腐蚀性破坏，其损失是惊人的。因此，钢筋混凝土结构中钢筋的锈蚀与保护是一个十分重要的课题，必须引起工程界技术人员的广泛重视。
一、钢筋锈蚀的基本原理
钢筋混凝土是一种复合材料。在钢筋混凝土结构中，钢筋主要承受拉力，而混凝土则主要承受压力并保护钢筋免受腐蚀及火灾时高温的作用。在这种结构中混凝土是直接与周围介质接触的，若混凝土十分密实并能长期发挥保护钢筋的作用，那么，这种结构将是耐久的。
但是，工程实践中并非任何钢筋混凝土结构都能稳定并长期保护钢筋的。往往出现这样两种情况，一种情况是在结构物建造后不久钢筋很快锈蚀；另一种情况是，要经过一段时间或更长一段时间钢筋才开始锈蚀的。介质不直接破坏混凝土，而是使混凝土液相发生改变，钢筋在其内部发生锈蚀。
当钢筋以水为介质发生锈蚀时，大部分是电化学锈蚀，发生的氧化还原反应过程如下:
1．氯化物的作用。氯化物是一种钢筋的活化剂，当其浓度不高时，亦能使处于碱性混凝土介质中钢筋的钝化膜破坏。这与氯离子的高吸附性有直接关系。它置换吸附的氧破坏钝化膜而导致钢筋发生溃烂锈蚀。
2．钙盐的作用。当含卤气体，如氯化氢、氯气、二氧化氯、溴和碘的蒸气渗入混凝土孔隙时，溶解在其液相中形成酸，该酸又与水泥石中的氢氧化钙、硅酸盐、铝酸盐及其它化合物发生反应生成相应钙盐、硅酸凝胶等水化物，于是混凝土被中和而导致水泥石变质，逐渐丧失钝化钢筋的能力。这种钙盐具有可溶性、吸湿性，在高湿度的条件下其对钢筋的溶蚀作用也是强烈的。
3.PH值大小。混凝土的碱性及其孔隙中的PH值为12-13的氢氧化钙饱和溶液有利于形成和保持钢筋的钝化膜，则钢筋处于高抗腐蚀状态。当混凝土的PH值由于各种原因降至11.8或更低时，由于不能保存钝化膜，则钢筋的钝化变得不稳定，甚至被破坏。因为混凝土失去了钝化钢筋的性能，导致钢筋处于活化状态并进而发生锈蚀。
二、钢筋锈蚀破坏的形式及其危害
钢筋锈蚀后产生的垢块之体积是其锈蚀层体积的2.5~3倍，因而挤压周围的混凝土并发生超过其抗拉强度的拉应力，结果使保护层沿着锈蚀的钢筋形成裂缝。接着有害介质沿着裂逢大量侵入，则钢筋的锈蚀不断加快。这时，钢筋与混凝土的粘结力遭到破坏，共同工作能力大幅度下降。
钢筋在混凝土中因锈蚀而发生破坏是由于其表面层变成锈斑而削弱截面积引起的。如果阴极区的面积比阳极区大，则锈蚀损害一般在钢筋表面的局部发生，呈现锈斑、锈坑形式。
因为钢筋在混凝土中锈蚀一般为氧气向阴极表面的扩渗作用所支配，其面积越小，则在阳极区域范围内的损失越大。
在含氯盐的混凝土中的钢筋之锈蚀是典型的不均匀的坑锈蚀。对钢筋混凝土结构来说，局部的钢筋受损要比匀质受损更危险。其原因是：第一在坑腐蚀情况下，钢筋局部的断面削弱发展比匀质锈蚀要快；第二、结构损害到危险程度时没有象保护层剥落的明显预兆。因单根钢丝的断面小，加之应力大以及高强材料的变形性能差，一旦形成坑腐蚀时会突然断裂破坏。
三、预防钢筋锈蚀的措施
预防钢筋混凝土结构中的钢筋发生锈蚀必须采用技术手段进行综合防治，才能取得良好的实际效果。
1．设计、施工方面。
(1)在工程设计中采取切实可行措施，预防有害介质对钢筋的侵蚀。一是采取通风措施排除、过滤有害气体，净化建筑物的使用环境；二是在建筑物发生有害介质的一面做保温、隔热、隔气层，避免主体结构受高温、冷冻或湿汽的作用，保护钢筋混凝土结构始终处于不发生钢筋锈蚀的限度以内。
(2)在结构中设置可靠的钢筋保护层。对于受有害介质侵害的钢筋混凝土结构，除了要求混凝土具有一定强度外，还要求具有良好密实度，以保护混凝土不被中和。严禁混合料掺有不良物质，要合理设置保护层的厚度，确保结构具有良好的耐久性。
(3)严格控制混凝土中氯化物的含量。我国公路工程规定：“在钢筋混凝土中不得掺用氯化钙、氯化钠等氯盐。位于温暖和严寒地区、无侵蚀性介质影响及与土直接接触的钢筋混凝土构件，混凝土中的氯离子含量不宜超过水泥用量的0.3%……”建筑工程《钢筋混凝土工程施工及验收规范》中对氯的含量也作了严格规定。
(4)在工程中使用高效减水剂。减水剂掺入混凝土拌合物中对水泥颗粒有强烈的分散作用，能显著降低水灰比，提高混凝土的密实度，增强其抗渗能力，阻碍有害物质的侵入。
(5)在混凝土中掺加亚硝酸钠、亚硝酸钙等阻锈剂，可有效地提高混凝土的保护性能，但在掺加前应进行配合比试验，确定其最佳掺量。
2．对钢筋、混凝土进行防护。
(1)对钢筋进行保护。一是开发钢筋新品种，如在钢材中加入微量元素，从而提高其防锈蚀能力；二是给钢筋涂覆保护层，如镀锌、涂覆环氧层、特种涂料或特种漆等，能有效防护有害介质的侵入。
(2)对混凝土进行防护。第一，可以在混凝土表面涂刷防水膜，能隔断含有氯离子的水、汽侵入混凝土中对钢筋造成腐蚀；第二，对混凝土结构用聚合物浸渍，填充已硬化混凝土的一些孔隙，使混凝土变为高强、耐久，而且几乎不透水；亦可用聚合物混凝土或乳液改性混凝土做构件的覆盖层，不仅有较好的力学性能和耐久性，其隔离性也很强。
3．采取阴极保护法。由前所述我们可以看到，如果减小电位差，即减少电子在金属中移动的电动力和减小金属表面阳极与阴极之间电解质中离子移动的电动力（即锈蚀电流），就可能使锈蚀过程减慢。这样，虽然整个钢筋表面不可能处于等电位状态，然而剩下的锈蚀电流极小，可以忽略不计，从而中止钢筋的锈蚀。
外加电流的方法是，使用比被保护钢筋活跃的金属（如镁、铝）或合金制成的电极，称之为电化阳极。这一系统不需要外电源，仅有有限的小电流输出，对邻近的建筑物不会产生干扰，亦不会过保护，但对湿度、温度条件较敏感。