鋼筋銹蝕的機理 1前言 鋼筋銹蝕對鋼筋混凝土結構及預應力混凝土結構的耐久性和安全性影響極大?；炷猎诙喾N因素作用下（如碳化、氯離子侵蝕等），鋼筋因原先在堿性介質中生成的鈍化膜被破壞而漸漸失去保護作用，導致鋼筋銹蝕，生成的鐵銹體積比被腐蝕掉的金屬體積大34倍，使混凝土保護層沿鋼筋縱向開裂，而裂縫一旦產生，鋼筋銹蝕速度大大加快，結構構件的承載力與可靠性劣化的速度大大加快，有的甚至發展到鋼筋銹斷，危及結構的安全。 文獻資料表明，鋼筋銹蝕引起鋼筋混凝土結構的過早破壞已成為世界各國普遍關注的一大災害。美國標準局1975年的調查表明，混凝土中鋼筋的腐蝕占全美各種腐蝕的40%；日本新干線使用不到10年，就出現大面積因鋼筋腐蝕引起的混凝土開裂、剝蝕。在我國，大量采用鋼筋混凝土結構已有幾十年歷史，對于遭受惡劣環境條件的腐蝕作用影響，尤其是在20世紀五六十年代，由于要求早強或防凍在混凝土中摻加過量的氯鹽的結構，耐久性破壞現象非常嚴重。長期以來，人們發現混凝土結構在復雜惡劣的環境下會出現未老先衰的現象，尤其是接連不斷的工程事故，使學術界在血的教訓面前深刻認識到研究和提高混凝土耐久性的現實意義。 筆者將對鋼筋銹蝕機理、影響因素、腐蝕過程、銹后鋼筋混凝土的力學性能及粘結性能等進行分析，提出鋼筋銹蝕應采取的預防措施，提高混凝土的耐久性和結構的安全性，減少耐久性破壞造成的損失，將是一項具有重大實際意義和社會經濟效益的研究課題。 2對鋼筋銹蝕的分析 2.1混凝土中鋼筋銹蝕機理的研究 2.1.1鋼筋的腐蝕過程電化學反應過程 混凝土空隙中的水分通常以飽和的氫氧化鈣的溶液形式存在，其中還含有一些氫氧化鈉和氫氧化鈣，pH值為12.5。在這樣的強堿性的環境中，鋼筋表面形成鈍化膜，它是厚度為210-9610-9m的水化氧化物（nFe3O3mH2O），阻止鋼筋進一步腐蝕。因此，施工質量良好、沒有裂縫的鋼筋混凝土結構，即使處在海洋環境中，鋼筋基本上也能不發生腐蝕。但是，當鋼筋表面的鈍化膜受到破壞，成為活化態時，鋼筋就容易腐蝕。 呈活化態的鋼筋表面所發生的腐蝕反應的電化學機理是，當鋼筋表面有水分存在時，就發生鐵電離的陽極反應和溶液態氧還原的陰極反應，相互以等速度進行，其反應式如下： 陽極反應 2Fe-4e-2Fe2+ 陰極反應 O2+2H2O+4e-4OH- 腐蝕過程的全反應是陽極反應和陰極反應的組合，在鋼筋表面析出氫氧化鐵，其反應式為 2Fe+ O2+2H2O2Fe2+4OH-2Fe（OH2） 4 Fe（OH2）+ O2+2H2O4 Fe（OH）3 該化合物被溶解氧化后生成氫氧化鐵Fe（OH）3，并進一步生成nFe3O3mH2O（紅銹），一部分氧化不完全的變成Fe3 O4（黑銹），在鋼筋表面形成銹層。紅銹體積可大到原來體積的4倍，黑銹體積可大到原來的兩部。鐵銹體積膨脹，對周圍混凝土產生壓力，將使混凝土沿鋼筋方向開裂（通常稱之為“順筋開裂”、“先銹后裂”），進而使保護層成片脫落，而裂縫及保護層的剝落又進一步導致鋼筋更劇烈的腐蝕。 2.1.2裂縫狀態下鋼筋的腐蝕 當結構出現橫向裂縫，根據電化腐蝕機理，裂縫處的鋼筋表現為陰極，氧主要是通過未裂區域混凝土傳遞到陰極。 根據電化學作用原理，鋼筋銹蝕須具備4個條件： （1）鋼筋表面要有電勢差； （2）陰極和陽極之間要有電介質聯系； （3）在陽極金屬表面要處于活化狀態； （4）在陰極，鋼筋表面要有足夠數量的氧和水分。 對裂縫處的鋼筋，一般大氣條件下，條件（1）、（2）是具備的；從客觀上講，裂縫處是陽極，混凝土未開裂處是陰極，由于裂縫處鋼筋暴露于空氣中，鋼筋失去混凝土的鈍化而處于活化狀態，因此，條件（3）也是具備的；至于條件（4），氧的擴散速度越大，鋼筋腐蝕越快，因此腐蝕的速度取決于混凝土的密實度及保護層厚度，混凝土密實度越差，腐蝕速度越大。 2.2影響鋼筋腐蝕的主要因素 混凝土中鋼筋銹蝕的影響因素有：混凝土的密實度、混凝土保護層厚度、混凝土碳化、環境濕度、氯離子侵入等。在這些因素中，混凝土保護層的碳化和氯離子侵入是造成鋼筋銹蝕的主要原因。 2.2.1混凝土不密實或有裂縫存在 混凝土密實不良和構件上產生的裂縫，往往是造成鋼筋腐蝕的重要原因，尤其當水泥用量偏小，水灰比不當和振搗不良，或在混凝土澆筑中產生露筋、蜂窩、麻面等情況，都會加速鋼筋的銹蝕。調查資料表明：混凝土的碳化深度和混凝土密實度有很大關系。密實度好的混凝土碳化深度僅局限在表面；而密實度差的混凝土，則碳化深度就大。 2.2.2混凝土碳化、侵蝕氣體和介質的侵入 碳化是介質與混凝土相互作用的一種很廣泛的形式，最典型的例子是空氣中的CO2滲入，與孔隙中的Ca（OH）2反應，生成CaCO3，使pH值下降。當pH值11.5時，鈍化膜就開始不穩定；當pH值降低到9左右時，鋼筋表面的鈍化膜遭到破壞，鋼筋開始腐蝕。 理論分析和實驗分析表明，在大氣環境下，混凝土的碳化深度與時間的關系為： 式中，碳化深度； DkCO2的擴散系數； C混凝土表面的濃度； B單位體積混凝土碳化所需的CO2量； K混凝土碳化系數，與結構所處的自然環境和使用環境、水泥品種、結構混凝土質量及混凝土早期養護條件有關； T混凝土暴露時間（年）。 2.2.3與環境濕度密切相關 混凝土的碳化和鋼筋腐蝕與環境濕度有直接關系。在十分潮濕的環境中，其空氣相對濕度接近于100%時，混凝土孔隙中充滿水分，阻礙了空氣中的氧向鋼筋表面擴散，二氧化碳也難以透入，所以，使鋼筋難以腐蝕。 當相對濕度低于60%時，在鋼筋表面難以形成水膜，鋼筋幾乎不生銹，碳化也難以深入。而空氣相對濕度在80%左右時，有利于碳化作用，混凝土中的鋼筋銹蝕發展很快。由于環境中濕度往往隨氣候和生產情況而變化，因而混凝土在氣侯或生產環境變化中會遭到碳化，鋼筋會腐蝕。 2.2.4混凝土中C1-含量對鋼筋銹蝕的影響 一方面，C1-可能是隨混凝土組成材料（水泥、砂、石、外加劑）進入的如在冬季施工，為提高混凝土抗凍性而摻入氯鹽、海砂拌制混凝土等；另一方面，C1-是在混凝土硬化后經其孔隙由外界滲入的，如遭受海水侵蝕的海岸混凝土構筑物，冬季在混凝土路面上噴灑鹽水防止路面冰凍，游泳池用氯氣消毒等。 當混凝土構件長期處于上述環境時，氯離子就會通過混凝土中的氣孔，隨水進入混凝土的內部，最終會接觸鋼筋并開始積累。當氯離子達到臨界濃度后，在足夠的氧氣和水分條件下引起腐蝕的發生（氯離子臨界濃度與力筋周圍混凝土的堿度有關，堿度愈高，氯離子臨界濃度值愈大，通常用氯離子和氫氧根離子的濃度比值來表示氯離子臨界濃度）。其主要反應式如下，反應最終產物氫氧化鐵Fe（OH）3即是鐵銹。 FeFe2+2e Fe2+ 2Cl2-+4H2OFeCl2?4H2O FeCl2?4H2O2Fe(OH) 2+2Cl2-+2H+2 H2O 4Fe(OH) 2+O2+ 2H2O4Fe(OH) 3 2.3鋼筋的腐蝕過程 從時間上講，混凝土因鋼筋腐蝕發生的破壞過程可由下圖所示的幾個階段來表示，其具體內容如下： （1）t0段：碳化前沿達到鋼筋表面或侵蝕介質在混凝土與鋼筋界面達到臨界值，但鋼筋鈍化膜未被破壞。這一階段主要是腐蝕介質在混凝土中的擴散及其在混凝土與鋼筋界面的積累。 （2）t1段：由于腐蝕介質在局部區域超過臨界值而發生局部腐蝕，腐蝕產物的積累導致混凝土局部開裂，這一階段是由鋼筋表面的鈍化膜發生局部破壞至混凝土發生局部開裂的時間。 （3）t2段：鋼筋發生大面積腐蝕，混凝土大面積開裂，鋼筋腐蝕速度加快，導致鋼筋界面迅速減小，以致結構安全性能低于安全性允許的可靠性指標。 （4）t3段：構件不能安全使用，必須進行維修加固。鋼筋腐蝕破壞的幾個階段 因此，可以認為，t0段是真正的結構安全使用期，最保守的壽命預測應當是t0段的預測。雖然現在不少研究者致力于t2段或t3段的預測，但是由于混凝土和實際環境的復雜性，加上數據和模型的缺乏，在進行預測時往往遇到許多困難。更值得一提的是，當結構處于t3段時，應當盡快實施加固維修方案，不能任其受到破壞。 2.4鋼筋腐蝕對結構受力的影響 在鋼筋混凝土結構內，鋼筋受到周圍混凝土的保護，一般不腐蝕。但當保護層破壞或保護層厚度不足時，鋼筋在一定條件下將產生腐蝕，鋼筋腐蝕對結構受力影響變化過程如下表所示。 截面積損失率對結構受力的影響 見表 總的說來，由于鋼筋與混凝土交界面上鋼筋銹脹力的存在，導致混凝土產生順筋裂縫，甚至使混凝土保護層剝落，使構件截面有效面積減小，更重要的是使鋼筋與混凝土間粘接性能退化；同時，由于鋼筋銹損，其截面面積減少，嚴刑降低，力學性能退化，使結構或構件受到不同程度的損傷?；炷林袖摻钿P蝕會使構件的承載力下降，使結構的性能劣化。 2.5鋼筋銹蝕對混凝土粘結性能的影響 鋼筋與混凝土之間形成的鐵銹層，削弱了變形鋼筋與混凝土的膠結作用；鐵銹的膨脹將導致混凝土開裂，降低了混凝土對鋼筋的約束作用；鋼筋變形肋銹蝕使變形鋼筋與混凝土之間失去了機械咬合作用。 （1）混凝土中鋼筋銹蝕的產物是一種結構疏松的氧化物，它在鋼筋與混凝土之間形成一層疏松隔離層，明顯地改變了鋼筋與混凝土的接觸面積，從而降低了鋼筋與混凝土之間的粘結作用。 （2）鋼筋的銹蝕產物比銹蝕前鋼材占據的體積更大，從而對包圍在鋼筋周圍的混凝鋼筋腐蝕破壞的幾個階段 因此，可以認為，t0段是真正的結構安全使用期，最保守的壽命預測應當是t0段的預測。雖然現在不少研究者致力于t2段或t3段的預測，但是由于混凝土和實際環境的復雜性，加上數據和模型的缺乏，在進行預測時往往遇到許多困難。更值得一提的是，當結構處于t3段時，應當盡快實施加固維修方案，不能任其受到破壞。 2.4鋼筋腐蝕對結構受力的影響 在鋼筋混凝土結構內，鋼筋受到周圍混凝土的保護，一般不腐蝕。但當保護層破壞或保護層厚度不足時，鋼筋在一定條件下將產生腐蝕，鋼筋腐蝕對結構受力影響變化過程如下表所示。 截面積損失率對結構受力的影響 見表 總的說來，由于鋼筋與混凝土交界面上鋼筋銹脹力的存在，導致混凝土產生順筋裂縫，甚至使混凝土保護層剝落，使構件截面有效面積減小，更重要的是使鋼筋與混凝土間粘接性能退化；同時，由于鋼筋銹損，其截面面積減少，嚴刑降低，力學性能退化，使結構或構件受到不同程度的損傷?；炷林袖摻钿P蝕會使構件的承載力下降，使結構的性能劣化。 2.5鋼筋銹