【文章內(nèi)容簡介】 發(fā)現(xiàn)修補處的附近，鋼筋又加劇腐蝕造成破壞，不得不拆除，更換。 60 年代建在的舊金山海灣第二座 San MateoHayward 跨海灣大橋，處于浪濺區(qū)的預制橫梁，雖然采用優(yōu)質(zhì) （水灰比 ，水泥用量 370kg/）混凝土拌合物，但由于梁體尺寸 大 ，底部配筋密，加上蒸汽養(yǎng)護引起微裂隙，給鋼筋腐蝕創(chuàng)造了必要條件，因此有發(fā)生了嚴重腐蝕， 1980 年又耗巨資修補。 我國工業(yè)與民用建筑中，因鋼筋銹蝕而引起的混凝土結(jié)構(gòu)失效問題 也 非常嚴重，如青島一座大樓僅使用 3 年而因樓蓋鋼筋嚴重銹蝕導致結(jié)構(gòu)失效， 16 層樓蓋全部拆除 。山東改革開放以來興建的一批高速公路橋，投入使用約十年左右已經(jīng)發(fā)現(xiàn)鋼筋嚴重銹蝕，雖經(jīng)維修加固， 2～ 3 年后仍出現(xiàn)銹蝕破壞，部分橋梁則需要重建，由此造成的經(jīng)濟損失實在是巨大。如圖 、圖 7 總之，無論在國內(nèi)，還是在國外，混凝土碳化，尤其是氯化物污染引起的鋼筋腐蝕破壞，都是嚴重威脅鋼筋混凝土上部結(jié)構(gòu)耐久性最主要、最普遍的病害 。 從國內(nèi)外對水利工程、海港工程、路橋結(jié)構(gòu)、工業(yè)建筑、民用建筑等調(diào)查研究結(jié)果來看，混凝土中鋼筋銹蝕，尤其是在海洋環(huán)境、化工車間、冬天撒化冰鹽的氯化物污染環(huán)境中，導致混凝土結(jié)構(gòu)的過早破壞，是當今影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久 的首要原因，鋼筋銹蝕已經(jīng)給國民經(jīng)濟帶來巨大經(jīng)濟損失?？梢婁摻钿P蝕是影響混凝土上結(jié)構(gòu)耐久性的最主要因素。因此研究鋼筋混凝土銹蝕構(gòu)件的損 傷，對在用結(jié)構(gòu)的抗力評定、可靠性評價、準確預測結(jié)構(gòu)使用的壽命都具有十分重要 的 意義。 鋼筋銹蝕 的化學機理和條件 鋼筋銹蝕機理 普通混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋在一般情況下是不會發(fā)生銹蝕的，但是在某些條件下，由于混凝土的堿性降低或者由于有害介質(zhì)的侵入，鋼筋表面的氧化膜遭到破壞，空氣中的氧氣和水分通過混凝土保護層達到鋼筋表面，并在其上形成一層很薄的水膜， 此時 鋼筋如同浸在電解液中。鋼筋本身含有雜質(zhì)， 它的表面狀態(tài)也有一定的差異，所以在同一鋼筋的不同部位形成電極，形成腐蝕微電池。 （ 1） 碳化引起鋼筋銹蝕 混凝 土的微孔內(nèi)含有可溶性的鈣、鉀、鈉等堿金屬和堿金屬的氧化物。這些氧化物與微孔中的水起化學反應生產(chǎn)堿性很強的氫氧化物，從而為鋼筋造成一個高堿性的環(huán)境條件（ pH 值為 12～ 13）。在這樣的環(huán)境條件下，鋼筋表 面 生成一層致密的、分子和離子難以穿過的“鈍化膜”。鈍化膜能完全覆蓋鋼筋表明，并長期保持完好。因此鋼筋表面不容易發(fā)生銹蝕?；炷撂蓟谴髿庵械呐c混凝土中的堿性氫氧化物相互作用的結(jié)果。氣體溶解于水中生成一種酸，與混凝土微孔水中的堿發(fā)生中和反應，生成，沉積于微孔的內(nèi)壁上。由于 Ca(OH)2 在微孔水溶液中是過飽和的，微孔 中存在的 Ca(OH)2 比融入微孔水中的 Ca(OH)2 多，因此當碳化反應開始時，微孔水溶液的 pH 值還能在 12～ 13 左右的正常水平維持一段時間。然而隨著微孔中 Ca(OH)2 的消耗和生成的在水溶液中的沉淀，微孔水溶液的 pH 值會明顯降低。當 pH 值降到 時，鈍化膜不在穩(wěn)定；當 pH 值降 8 到 9～ 10 時，鈍化膜的作用完全被破壞，鋼筋出于脫鈍狀態(tài)，銹蝕有條件發(fā)生了。此時 pH 值即為銹蝕的起始門檻值。 （ 2） 氯化物誘發(fā)鋼筋銹蝕 混凝土中的氯化物可能是在攪拌、澆注是摻入的，也可能是在凝結(jié)硬化后有外界通過擴散滲入的。主要來源包 括有意加入的氯化物速凝劑、早強劑及抗凍劑，如 ,氯化鈉，等；用海水進行混凝土攪拌時進入的海鹽等；以未經(jīng)清洗或未經(jīng)充分清洗的海撈砂作骨料，隨砂帶入的海鹽；冬季為化學除冰而在路上噴灑的粗鹽。①局部酸化作用。雖然氯化物是中性鹽，它的侵入不會引起整個混凝土微孔水溶液 pH 值的變化，但是 ,當其中的與其他陰離子共存、并競相被吸附時，具有優(yōu)先被媳婦的趨勢。所以，鋼筋鈍化層表面附近的濃度遠高于微孔水中的平均濃度。這說明，鋼筋鈍化層表面附近已被局部酸化。②形成“活成 鈍化”銹蝕原電池。半徑小、活性打，常從膜結(jié)構(gòu)的缺陷處滲進將鈍化 膜擊穿，直接與金屬原子發(fā)生反應。這樣，露出的金屬變成了“活化 鈍化”銹蝕電池的陰極。這種小陽極、大陰極的銹蝕電池促成了所謂的小孔銹蝕，即坑蝕現(xiàn)象。③ 催化作用。氯離子在鋼筋銹蝕過程中，其本身不被消耗，只能起到加速銹蝕過程的催化劑作用。在氯離子的催化作用下，鋼筋表明銹蝕（坑蝕）微電池的陽極反應產(chǎn)物被及時運走，不使其在陽極區(qū)域堆積下來。④混凝土由于膨脹性腐蝕和鋼筋銹蝕而產(chǎn)生裂縫 ,這些裂縫又成為侵蝕介質(zhì)的通道 ,從而進一步加劇了鋼筋的銹蝕。 鋼筋銹蝕的條件 混凝土中鋼筋銹蝕的根本原因是電化學腐蝕。電化學腐 蝕必須滿足兩個基本條件 :存在兩個具有不同電位值的電極；金屬表面存在有電解質(zhì)液相薄膜。一般說來，由于鋼筋成分不均勻或存在內(nèi)部應力，第 — 個條件總是能夠滿足的；第二個條件則要求混凝土中銹蝕的相對濕度大于 60%。 未被腐蝕的混凝土對其內(nèi)部的鋼筋具有良好的保護作用，這是因為混凝土呈強堿性，在強堿性環(huán)境中，鋼筋表面形成一層致密的氧化 膜，使鋼筋處于鈍化狀態(tài)不被腐蝕。但是，如果由于某種原因破壞了鋼筋表面的鈍化膜，則在適宜的條件下鋼筋就會發(fā)生銹蝕。 9 鋼鐵的腐蝕分為化學腐蝕和電化學腐蝕兩種，化學腐蝕通常是由于氧化作用，使鋼材 中的鐵形成疏松的氧化鐵而被腐蝕，而電化學腐蝕是由于金屬在潮濕氣體及導電液中，電子流動而引起的腐蝕。鋼鐵在酸堿鹽溶液及海水中發(fā)生的腐蝕，地下管線的土壤腐蝕，在大氣中的腐蝕，與其它金屬接觸處的腐蝕，均屬于電化學腐蝕，可見電化學腐蝕是鋼材腐蝕的主要形式 。 根據(jù) 電化 學 腐蝕 原理，混凝土中鋼筋銹蝕的發(fā)生必須具備以下三個條件 1） 在鋼筋表面存在電位差，構(gòu)成腐蝕電池 2） 鋼筋表面的鈍化膜破壞，處于活化狀態(tài) 3） 在鋼筋表面有腐蝕反應所需的水和溶解氧 由于鋼筋含有雜質(zhì)及鋼筋成分的不均勻性、周圍混凝土提供的化學物理環(huán)境的不均勻性，都會使 鋼筋各部位的電極電位不同形成腐蝕電池，空氣中氧氣和水分很容易通過混凝土中貫通的空隙與微裂縫進入到鋼筋表面，提供銹蝕反應所需的氧和水。鋼筋處于活化狀態(tài)的原因：一是氯離子侵蝕或混凝土中摻入過量氯鹽，當鋼筋表面氯離子濃度超過臨界值，則使鋼筋銳鈍，二是混凝土碳化使保護層混凝土的 PH 值降低，從而破壞鋼筋表面的鈍化膜 。 鋼筋銹蝕產(chǎn)生的原因 混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋銹蝕受許多因素影響，其中內(nèi)部因素有鋼筋位置、鋼筋直徑、水泥品種、混凝土的密實度、保護層厚度的完好性、混凝土的 pH 值及 混凝土中 氯離子含量等；外部因素有溫度、濕 度、周圍介質(zhì)的腐蝕性、周期性的冷熱交替作用的。 混凝土的保護層厚度不夠 在通常情況下鋼筋表面的混凝土層對鋼筋有物理和機械保護作用，混凝土對鋼筋的保護作用可以包括以下幾個方面： 一是 混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋混凝土是由鋼筋和混凝土兩種不同材料組成的復合材料，兩種材料具有良好的粘結(jié)性能是它們共同工作的基礎，從鋼筋粘結(jié)錨固角度看，混凝土保護層保證鋼筋與其周圍混凝土能共同工作，并使鋼筋充分發(fā)揮計算所需強度。 二是混凝土為鋼筋提供的是一個高堿度的環(huán)境，能使鋼筋表面形成一層致密的鈍化膜，使鋼筋相對于中性與酸性環(huán)境下更不 易發(fā)生腐蝕。但是，因為鋼筋的主要成分是鐵，鐵裸露在常溫下就很容易被空氣氧化，在潮濕的環(huán)境中 10 就更容易銹蝕，被氧化或銹蝕的鋼筋其承載能力及各方面性能都會大大降低，使得鋼筋的有效截面減少，影響結(jié)構(gòu)受力，從而影響工程質(zhì)量，因此需要根據(jù)耐久性要求規(guī)定不同使用環(huán)境的混凝土保護層最小厚度，以保證構(gòu)件在設計使用年限內(nèi)鋼筋不發(fā)生降低結(jié)構(gòu)可靠度的銹蝕。三是保護層對外界腐蝕介質(zhì)、氧化劑及水分等滲入的阻止作用，使外界的腐蝕介質(zhì)、氧化劑及水分等不能輕易接觸混凝土中的鋼筋，鋼筋也就不容易發(fā)生腐蝕。 在施工實踐中經(jīng)常因操作等方面的不規(guī)范 引起鋼筋保護層質(zhì)量的問題： 1）一般工地上主要是水泥砂漿塊或是細石砼塊 、塑料定性墊塊等， 施工中可以滿足使用要求，但往往由于施工人員不是很注意 或者其他的人為因素 ，造成墊塊移位 或者亂用、少用墊塊 ， 致使墊塊 失去作用； 2）對于板保護層來說，由于 板的 厚度 相對 較薄，又養(yǎng)護不到位，在施工過程中 容易出現(xiàn)兩種狀況： 一個是移位，一個是破碎 ； 從而失去墊塊的作用，使這一區(qū)域的 鋼筋 下沉，保護層不能滿足要 求 。 3） 對于墻保護層來說，主要表現(xiàn)為根部主筋位移保護層不準 不足 、墊塊太少、模板施工中墻面墊塊破壞、剪力墻綁扎中墻拉筋收縮了墻的有效截面。 4） 對于梁保護層來說，梁底墊塊不夠 或者已被 破壞、梁側(cè)面保護層控制不好、 模板位置安裝不準確、 砼澆灌梁頂標高控制不準 等。 鋼筋保護層厚度對鋼筋銹蝕的影響呈線性關(guān)系，世界各國規(guī)范對保護層厚度都作了規(guī)定，隨著使用環(huán)境條件的劣化，混凝土保護層厚度也在增加， 誠然，鋼筋保護層厚度對單項工程質(zhì)量并不是起決定作用的，但如果不重視它，所產(chǎn)生的危害也是不容忽視的。我們要在正確了解鋼筋及混凝土的受 力機理的前提下，充分認識到合理的鋼筋保護層對工程結(jié)構(gòu)的重要性，只有防微杜漸，才能使我們的工程施工技術(shù)水平更上一個檔次 。 混凝土的碳化 混凝土在空氣中的碳化是中性化最常見的一種形式，它是空氣中二氧化碳與水泥石中的堿性物質(zhì)相互作用，使其成分、組織和性能發(fā)生變化，使用機能下降的一種很復雜的物理化學過程。 混凝土未碳化時，混凝土的微孔內(nèi)含有可溶性的鈣、鉀、鈉等堿金屬和堿金屬的氧化物。這些氧化物與微孔中的水起化學反應生成堿性很強的氫氧化物，由 11 于水泥的高堿性，鋼筋表面會形成一層致密的氧化膜，氧化膜完全覆蓋鋼筋 表面，并長期保持完好，阻止了鋼筋銹蝕電化學過程，因此鋼筋表面不容易發(fā)生銹蝕。但是當混凝土被碳化時，混凝土的堿度會降低，造成 PH 值降低，使混凝土失去對鋼筋的保護作用，鋼筋表面的氧化膜會被破壞，在有水份和氧氣的條件下，就會發(fā)生銹蝕的電化學反 應 ，從 而 發(fā)生銹蝕。鋼筋銹產(chǎn)生的鐵銹，體積比鐵增加二到四倍，保護層會被擠裂，使空氣中的水分更易進入，促使銹蝕加快發(fā)展。 環(huán)境因素引起的鋼筋銹蝕 環(huán)境因素也是鋼筋銹蝕的重要影響因素，環(huán)境對鋼筋銹蝕的影響主要有以下幾個方面，溫度、濕度、二氧化碳的濃度、氧氣的濃度以及侵蝕介 質(zhì)的濃度。對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)來說，影響最大的是濕度，濕度對混凝土中鋼筋的銹蝕有雙重作用，一方面影響混凝土中氧氣的擴散速度，另一方面影響混凝土的電導性，當混凝土結(jié)構(gòu)處在濕度較大的環(huán)境下，最容易發(fā)生銹蝕。特別是當混凝土的自身保護能力（如密實度及保護層厚度）不合要求和保護層有裂縫等缺陷時，外界因素的影響非常明顯，許多實際調(diào)查結(jié)果都表明，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在干燥無腐蝕介質(zhì)條件下的使用壽命要比在潮濕的腐蝕介質(zhì)中使用的要長兩到三倍。 混凝土 施工質(zhì)量不合要求 混凝土 施工過程是確?；炷两Y(jié)構(gòu)耐久性的重要環(huán)節(jié)，正確合理 的拌制、澆筑、震搗、養(yǎng)護對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性十分有利。 因為混凝土的微孔內(nèi)含有可溶性的鈣、鉀、鈉等堿金屬和堿金屬的氧化物，這些氧化物與微孔中的水起化學反應生成堿性很強的氫氧化物，由于混凝土的高堿性，鋼筋表面會形成一層致密的氧化膜，氧化膜完全覆蓋鋼筋表面，并 長期保持完好，阻止了鋼筋銹蝕電化學過程，因此鋼筋表面不容易發(fā)生銹蝕。 然而，由于施工過程中不按規(guī)范要求施工，導致混凝土施工質(zhì)量不合格 往往 會 導致鋼筋銹蝕 ，尤其當水泥用量偏少 ,水灰比不當和澆搗不良 ,或者在砼澆筑中產(chǎn)生露筋、蜂窩、麻面等缺陷 ,都給水（汽）、氧和其他侵 蝕性介質(zhì)的滲透創(chuàng)造了有利條件 ,多種介質(zhì)容易到達鋼筋表面 ,從而加速鋼筋的銹蝕。 例 如 在 施工過程中，震搗不到位， 造成 混凝土密實度不夠 、蜂窩、孔洞 或者不可控制的裂縫 ， 使混凝土失去對鋼筋的保護作用，鋼筋表面的氧化膜會被破壞，在有水份和氧氣的條件下，就會發(fā)生銹蝕的電化學反應，從而發(fā)生銹蝕 。特別是 當鋼筋混凝土工作的環(huán)境條件較差時，如地下室、地下溝道、交 12 通隧道、城市地鐵等，混凝土施工質(zhì)量不合格對鋼筋銹蝕的影響將更為明顯。 混凝土的施工質(zhì)量對鋼筋銹蝕的影響巨大，因此必須保證混凝土施工的質(zhì)量， 重視做好砼的澆筑工作。施工時要嚴格 按照施工規(guī)范 ,掌握好水灰比、水泥質(zhì)量、振搗和養(yǎng)護等有關(guān)規(guī)定 。在有嚴重的侵蝕性介質(zhì)的處所 ,應適當增加保護層的厚度 。對現(xiàn)有的房屋建筑結(jié)構(gòu) ,如砼質(zhì)量不良 ,可在構(gòu)件外表面涂抹絕緣層如瀝青漆 ,環(huán)氧樹脂涂料等 ,進行防護 。 混凝土內(nèi)摻加氯鹽 為提高混凝土早期強度和防凍性能，在混凝土內(nèi)摻加一定量的氯鹽，如氯化鈣、氯化鈉是有效的。但是氯鹽摻量過大，將會產(chǎn)生很大的危害。如： （ 1）水泥和氯化鈣結(jié)合生成氯鋁酸鈣，若硬化結(jié)晶形成，則會在固相中膨脹而形成微細裂縫，使鋼筋遭受腐蝕。（ 2）混凝土中存在的氯離子會破壞鋼筋表面的鈍 化膜，使局部活化，形成陰極區(qū)，并能使鋼筋表面局部酸化，加速鋼筋腐蝕。（ 3）鋼筋腐蝕生成物中的氯化鐵，體積膨脹數(shù)倍，引起混凝土結(jié)構(gòu)開裂。（ 4）降低混凝土抗化學侵蝕和耐磨性以及抗折強度（ 5）影響混凝土的耐久性。 混凝土中的氯離子主要來源于原材料和外加劑，如水泥中的氯離子，砂子中的氯離子，水中的氯離子和外加劑中的氯離子等。國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)過多起因加氯鹽過量而引起的嚴重腐蝕事故， 例如北京工人體育場 于 1958 年 10 月底開始 施工， 1959 年四月初結(jié)構(gòu)完成。全部 時間處于冬季施工階段，施工時在 24 個 看臺的全部混凝土中都摻用了 早強抗凍外加劑， 有的看臺摻用了兩種甚至三種抗凍劑， 且均未加阻銹劑。 到 1983年底調(diào)查發(fā)現(xiàn)，看臺下的主梁、看臺板、柱子等構(gòu)件出現(xiàn)大量裂縫，有的混凝土剝落，鋼筋銹蝕嚴重 ， 主筋直徑明顯減小，箍筋銹斷。 1986 年，為承辦四年后的第十一屆亞運會，工人體育場不得不進行了歷時 3 年的大規(guī)模改建，造成了巨大的損失。 鑒于摻加氯鹽對混凝土結(jié)構(gòu)影響的嚴重性，規(guī)范規(guī)定一般鋼筋混凝土中氯化物摻量不得超過水泥重量的百分之一。 混凝土中的鋼筋銹蝕破壞過程 及破壞特征 鋼筋銹蝕破壞過程 （ 1） 自由膨脹階段 13 由于鋼筋與混凝土 接觸的界面存在微細空隙，鋼筋表面銹蝕時產(chǎn)生的 銹蝕產(chǎn)物逐步填充其孔隙。如果鋼筋銹蝕量小于填充需的銹蝕量時，在鋼筋周圍混凝土中就不會產(chǎn)生任何應力 （ 2） 應力產(chǎn)生階段 當鋼筋銹蝕量超過填充鋼筋與混凝土接觸面空隙所需的銹蝕量時，則在鋼筋周圍的混凝土界面上產(chǎn)生膨脹壓力，膨脹壓力隨著鋼筋銹蝕量的增大面增大，直至達到臨界銹蝕量之前稱為應力產(chǎn)生階段。 （ 3） 裂紋產(chǎn)生階段 當鋼筋銹蝕量達到 導致保護層開裂的銹蝕量時，銹蝕產(chǎn)物體積增大產(chǎn)生的就力，超過混凝土抗拉強度，銹蝕產(chǎn)物周圍混凝土出再現(xiàn)裂紋，直至裂縫產(chǎn)生。 （ 4） 裂縫擴展階段 當應力強度因子大于臨界應力強度因子時，混凝土初始裂紋尖端擴展，裂縫漸發(fā)展，混凝土保護層沿著銹蝕鋼筋形成裂縫。這些裂縫成為侵蝕性介質(zhì)到達鋼筋表面的通道，因面隨著裂縫的擴展會加速鋼筋的銹蝕，若不采取措施，則鋼筋的銹蝕會進一步發(fā)展直至保護層剝落。 鋼筋腐蝕破壞的主要特征 混凝土中的 鋼筋 一旦具備了腐蝕條件，銹蝕便會發(fā)生和發(fā)展。 鋼筋 銹蝕是一個電化學過程， 由鐵變成氧化鐵，其體積發(fā)生膨脹，根據(jù)最終產(chǎn)物的不同，可膨脹 2～ 7 倍。 鋼