混凝土结构中钢筋的腐蚀与防护.pdf

， 移 o000 混凝 土结构 中钢 筋 的腐蚀 与 防护 李萍 。张东晓 ( 洛阳理工学院土木工程系，河南 洛阳4 7 1 0 0 3 ) 摘要 混凝土结构 中钢筋的腐蚀行为对结构的耐久性具有很大的影响。分析 了钢筋腐蚀 的原 因和合理选择 腐蚀防护措施的重要性以及混凝土结构中钢 筋腐蚀的机理、 腐蚀过程及其影响 因素。提出了混凝土结构中钢筋的 腐蚀 防护措施 。 关键词 腐蚀与防护 ；混凝土结构 ；钢筋 中图分类号T G1 7 2 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 11 5 6 0 ( 2 0 1 0 ) 0 7 0 0 4 4 0 3 0 前 言 钢筋的腐蚀是影响混凝土结构耐久性的主要 因素 之一， 造成钢筋腐蚀 的主要 因素有 ： 混凝 土的碳 化、 氯化物的侵入。此外 ， 混凝土本身的质量也是造成钢 筋腐蚀的主要 因素。通常， 混凝 土本身具 有的高密实 性 、 高电阻性和高碱性 能够有效阻止腐蚀介质的侵入 和腐蚀电流的流动 ， 并在钢筋表面形成一层钝化膜 ， 从 而抑制或 减缓钢筋 的腐蚀 ， 为钢 筋提供很好 的保 护 。在腐蚀环境 中( 如海洋和沿海地区、 盐湖和盐碱地 等) ， 钢筋会发生不 同程度的腐蚀 ， 导致混凝土结构不 能耐久 ， 出现工程事故。 过去 ， 在进行混凝土结构设计时， 很少考虑钢筋腐 蚀的因素， 造成混凝 土的优点在服务年限 内不能很好 的发挥。为此 ， 简述 了混凝土结构 中钢筋的腐 蚀机理 及腐蚀过程 ， 分析了其影响因素 ， 在此基础上提出了一 些腐蚀防护措施 ， 希望能为延长钢筋使用寿命及增强 混凝土结构耐久性提供帮助。 1 钢筋腐蚀过程及机 理 1 1 钢筋 腐蚀过 程 混凝 土结 构 中钢 筋 的腐 蚀 过程 可 分 为 4个 阶 段 ： 收稿日期 2 0 1 0 0 2 一 O 1 通信作者 李萍( 1 9 7 8一) ， 讲师， 主要从事材料学和工 程 力学 研 究 与 教学 ， 电话 ： [phone]， E ma i l ：e a p p o l 1 63 t o m ( 1 ) 腐蚀孕育期 t 。 从浇注混凝土到混凝土碳化 层深度达到钢筋表面， 或从氯离子侵人开始破坏钢筋 钝化层 ， 即钢筋开始腐蚀为止 。 ( 2 ) 腐蚀发展期 t 从钢筋开始腐蚀发展 到混凝 土保护层表面因钢筋锈胀而出现破坏。 ( 3 ) 腐蚀破坏期 t 从混凝土表面因钢筋锈胀开 始破坏发展到混凝土严重胀裂、 剥落破坏。 ( 4 ) 腐蚀危害期 t 钢筋锈蚀使混凝土结构发生 区域性破坏而不能安全使用。 通常 ， t 0 t 1 t 2 t 3 。混凝土结构的服务年限与钢 筋的腐蚀情况密切相关 ， 可认为其值为 t 。+ t 。 1 2机理 混凝土结构中钢筋的腐蚀过程实际上是一个电化 学腐蚀过程 ， 其原理与钢铁在大气 中或在水溶液及土 壤电解质中发生的 自然腐蚀一样 ， 都是氧化还原反应， 通过阳极反应( 氧化反应) 和阴极反应( 还原反应 ) 同时 或分别进行 的 。 钢筋表面存在水分时 ， 就发生铁 电离 的阳极反应 和溶液 中氧还原的阴极反应， 相互等速进行 ， 其反应式 为 ： F e + F e + 2 e ( 1 ) O 2 + 2 H 2 O+ 4 e O H一 ( 2 ) 腐蚀过程 的全反应是 阳极反应 和阴极反应 的组 合 ， 在 钢筋 表 面析 出 F e ( O H) ， 被溶 解氧 化后 生 成 F e ( O H) ， 其反应式为： 2 F e +O 2 + 2 H 2 O F e + 4 O H一 一2 F e ( O H) 2( 3 ) 4 F e ( O H) 2 +O 2 + 2 H 2 0 F e ( O H) 3 ( 4 ) 嫘 式( 4 ) 中的产物 F e ( O H) 进一步转化为 n F e ： 0 ， mH 0( 红锈 ) ， 一部分 氧化 不完 全 的变成 F e ， 0 ( 黑 锈 ) ， 在钢筋表面形成锈层。红锈体积可大到原来体积 的4倍 ， 黑锈体积可大到原来体积 的 2倍。铁 锈体积 膨胀( 锈胀) 对周 围混凝 土产生压力 ， 使混凝土沿钢筋 方 向开裂形成裂缝 ， 进而使保护层成片脱落 ， 而裂缝的 形成及保护层的剥落又会进一步导致钢筋更为剧烈的 腐蚀 I 5 1 引。 2 腐蚀 影响因素 混凝土结构 中钢筋腐蚀的影响 因素可分为外因和 内因。外部因素包括钢筋表面氧原子数量和混凝土湿 度 ， 相对湿度 ， 温度 ， 酸性气体 的污染 ， 碳化作用 ， 氯离 子的作用 ， 杂散电流 ， 细菌作用等。内部因素包括混凝 土配比， 材料杂质 ， 制作， 养护所使用 的水 ， 水 灰 比， 水 泥用量 ， 骨料粒径和骨料级配， 制作过程 ， 保护层厚度 ， 钢筋的成分和组织结构等_ 1 。其 中， 混凝土碳 化和氯 离子侵入是造成钢筋腐蚀的主要原因。 2 1混凝 土碳 化 空气 中 的 C O ， 通 过 混 凝 土 空 隙 和 混 凝 土 中的 C a ( O H) ： 产生 中和作用 ( 碳化 ) ， 导致混凝土碱性下降。 碳化是介质与混凝 土相互作用 的一种很广泛 的形式 ， 最典 型 的 例 子 是 空 气 中 的 C O 渗 入 ， 与 孔 隙 中 的 C a ( O H) 反应 ， 生成 C a C O ， ， 使 p H值下降。当 p H值小 于 1 1 5时， 钢筋表面的钝化膜就开始变得不稳定 ； 当 p H值 降到 9左 右时 ， 钝化 膜遭 到 破坏 ， 钢 筋开 始腐 蚀 4 J 。混凝土结构的碳化是一个缓慢的过程， 其速率 取决于 C O 穿透 混凝 土的渗透速率 ， 渗透速率在很大 程度上又取决于混凝土的空隙率和渗透性 。密实度好 的混凝土碳化深度仅局 限在表 面， 而密实度差的混凝 土碳化深度就较大。 理论分析和试验研究表明， 在大气环境下 ， 混凝土 的碳化深度与时间的关系为 ： = ( 5 ) 式中 混凝土碳化深度 k混凝土碳化系数 t 混凝土暴露时间 2 2氯离子 侵入 现场经验及研究表 明， 对于受氯离子污染 的混凝 土结构 ， 0 0 2 6 氯离子足以破坏钢筋表面的钝化膜而 引起钢筋腐蚀 ， 腐蚀反应的最终产物为 F e ( O H) ， 即铁 锈 。 至于氯离子的 由来 ， 一方面是来 自于混凝土组成 材料 ( 水泥 、 砂 、 石、 外加剂) ； 另一方 面是在混凝土硬化 后从其孔隙由外界渗入的 。当混凝土结构长期处 于含氯环境时， 氯离子就会通过混凝土 中的气孑 L ， 随水 进入混凝土 的内部 ， 最终会接触钢筋并 开始积 累。当 氯离子达到l 临界浓度后 ， 在足够的氧气和水分条件下 引起腐蚀 。氯离子的临界浓度与钢筋周 围混凝土的碱 度有关 ， 碱度愈高 ， 氯 离子临界浓度值愈大。通常 ， 用 氯离子和氢氧根离子的浓度 比值来表示氯离子临界浓 度 ， 当混凝土中的 C I 一 O H一 大于 0 6时 ， 钝化膜就成为 可渗透性和不稳定 ， 即使 p H值仍然大于 1 1 5 ， 钝化膜 也会被破坏。 氯离子很容易 引起钢筋腐蚀 ， 有 3种理论可 以解 释 ： ( 1 ) 氧化膜理论钢筋在碱性介质 中生成氧化膜 ， 可以保护钢筋不受侵蚀 ， 氯离子比其他离子( 如硫 酸根 离子) 更容易通过膜的缺陷或孔隙穿透氧化膜 ， 引起锈 蚀 。 ( 2 ) 吸附理论氯离子吸附于钢筋表面， 促进金属 离子的水化 ， 因而使金属更容易溶解。 ( 3 ) 过渡配位物理论氯离子生成氯化铁 ， 氯化铁 自阳极扩散 ， 从而破坏 F e ( O H) 保护层 ， 使腐蚀继续进 行 。 3腐蚀防护措施 混凝土结构中钢筋的腐蚀 防护措施归纳起来分为 2大类 ： ( 1 ) 基本措施 ( 内部措施 ) ， 主要是提高混 凝土及其钢筋 自身 的防护能力 ， 如采用高性能混凝 土 和特种钢筋 ( 如不锈 钢钢筋 ) ； ( 2 ) 附加措 施 ( 外部措 施 ) ， 主要包括混凝土外涂层 、 特制钢筋、 钢筋缓蚀剂及 阴极保护。2大措施各有特点与利弊， 提高混凝土 自身 对钢筋的保护能力 ， 是最根本的防护原则。 3 1 混 凝土外 涂层 ( 1 ) 水泥砂浆层对于很轻微 的腐蚀环境 ， 在混凝 土表面涂抹 5 2 0 m m厚的普通水泥砂浆层 ， 能减缓混 凝土的碳化作用 ， 这是最 简单 、 经济的方法。为 了提高 砂浆的密实性 和黏结力 ， 将一些 聚合物 以乳 液形式注 入水泥砂浆中， 制成聚合物改性水泥砂浆 ， 这对钢筋的 保护更强 ， 可用于各种盐类( 氯盐、 硫酸盐) 的腐蚀环境 中， 如工业建筑 、 盐碱地建筑 、 海洋工程等 ， 现 已大量用 于已有建筑物的修复工程 。 ( 2 ) 渗透性涂层大致可分为沥青、 煤焦油类 ， 油 漆类 ， 树脂类 。渗透性涂层在混凝土表面涂覆后 ， 可与 ， ， 混凝土组分起化学作用并堵塞孔隙或 自行 聚合形成连 续性憎水膜。渗透性涂层材料可深入混凝土内部 3 5 mm， 形成一个特殊的防护层 ， 能有效地阻止外界环境 中腐蚀介质进入混凝土中， 从而保护钢筋免受腐蚀 。 ( 3 ) 隔离性涂层在特别强烈的腐蚀环境 中( 如化 工厂) 可设置隔离性涂层 ， 如玻璃鳞片覆层、 玻璃 钢隔 离层 、 橡胶衬里层等。 3 2 钢筋 外涂层 目前 ， 镀锌钢筋 、 包铜钢筋 已很少使用， 合金钢钢 筋( 耐蚀钢筋) 得到一定发展 ， 特别是环氧涂层钢筋 ， 被 认为是钢筋防腐蚀的有效措施之一。环氧粉末 的独特 性能与静电喷涂工艺技术的发展 ， 能保证涂层 与基体 钢筋的良好黏结 ， 抗拉、 抗弯( 短半径 1 8 0。 弯曲仍不出 现裂缝) ， 这些是其他涂层难 以达到的。环氧树脂粉末 涂层还具有极强 的耐化学侵蚀 的性 能， 并且涂层具有 不渗透性 ， 因而能阻止腐蚀介质如水 、 氧 、 氯气等化学 成分与钢筋接触 ， 有效地保护钢筋 ， 使其抗氧气腐蚀寿 命至少延长 5 0 a 。环氧树脂粉末涂层还能长期经受混 凝土的高碱性环境而不被破坏。然而 ， 环氧涂层钢筋 的主要问题集中在钢筋表面涂层 的完整性上。如果涂 层不完整 ， 有孔洞 、 龟裂等缺陷， 在腐蚀环境下 ， 钢筋就 会被腐蚀。因此 ， 环氧涂层钢筋的关键问题 ， 是在生产 和使用过程中如何消除涂层质量缺陷。 3 3 钢 筋缓蚀 剂 钢筋缓蚀剂( 阻锈剂) 通过抑制混凝 土与钢筋界面 孔溶液中发生的阳极或阴极 电化学腐蚀反应来保护钢 筋。通常 ， 缓蚀剂直接参与界面化学反应 ， 使钢筋表面 形成氧化物 的钝化膜 ， 或者吸附在钢筋表面形成阻凝 层 ， 或者 2种机理兼而有之 。早期 使用 的钢筋缓蚀剂 主要有苯甲酸钠 、 重铬酸钾 、 硅酸钠、 氨水 、 二环己胺亚 硝酸盐和各种亚硝酸盐等。对 比研究表 明， 亚硝酸钠 的缓蚀效果 比其他无机盐要好 ， 但可能会引起 “ 碱集料 反应” ， 而对混凝土性能有不利影响， 又 因对人体有致 癌作用 ， 现 已很少使用 。亚硝酸钙具有缓蚀效率高 ， 对 混凝土无劣化作用且 价格低廉等优点 ， 但应注意其毒 性及孔蚀危险。新型 、 高效 、 低毒的环境友好型缓蚀剂 将成为未来缓蚀剂的发展趋势。 3 4 阴极 保护 阴极保护是保护钢筋的有效措施之一。采用外加 电流或牺牲 阳极的阴极保护方法 ， 给钢筋提供较高 的 负电压， 使钢筋的电位处于负极( 阴极) ， 钢筋的电位降 低到阳极开路 电压之下 ， 从而可有效地保护混凝土结 构中的钢筋。另外 ， 在电场作用下 ， 带负电的氯离子可 向阳极 ( 混凝土表面) 迁移， 等于从钢筋表面除掉氯离 子 ， 这对钢筋的腐蚀防护十分有利。 4 结 语 混凝土结构中的钢筋腐蚀是混凝 土耐久性研究 中 的一个难 点。在处理混凝 土结构 中的钢筋 腐蚀 问题 时 ， 必须从具体情况出发 ， 根据工程特点、 环境条件 、 使 用功能、 结构设计、 构件制作以及施工技术和管理等方 面， 全面分析引起钢筋腐蚀 的各种外部 和内部 因素及 它们之间的主次关系 ， 采取有效 、 经济 的防护措施 ， 从 根本上消 除钢筋腐蚀对混凝 土结构带来 的危 害。所 以， 处理钢筋腐蚀问题需要着 眼于整体 ， 要以保证结构 耐久性为最终 目的。 目前 ， 国内外正致力于混凝土结构中钢筋的腐蚀防 护的微观研究， 以期增强其紧密度 ， 减少内部微缺陷， 但 仍难使多子 L 性材料的混凝土完全密实 ， 也无法彻底解决 施工中产生的裂纹， 故附加措施在设计中是十分重要且 必不可少的。在腐蚀较重的环境里， 仅依赖于混凝土 自 身的性能不足以实现对钢筋的耐久保护， 基本措施与附 加措施的相互搭配、 有机结合才是最佳方案。 参 考文献 1 林龙镔，吕李青钢筋混凝土结构中的钢筋腐蚀问题初 探 J 西部探矿工程， 2 0 0 5 ( 1 1 ) ： 2 1 5 2 1 6 ， 2 1 8 2 郭育霞， 贡金鑫盐水条件下不同混凝土中钢筋的快速 腐蚀行为的研究 J 腐蚀科学与防护技术，2 0 0 7 ，1 9 ( 3 ) ： 2 1 8 2 2 0 3 鲁照玲酸性气 氛下钢筋混凝土结构腐蚀行 为及其机理 J 中国腐蚀与防护学报 ， 2 0 0 7 ， 2 7 ( 2 ) ：1 1 91 2 3 4 范颖芳 ， 胡志强 ， 张英姿受腐蚀钢筋混凝 土材料力学性 能研究现状 J 四川建筑科学研究 ， 2 0 0 7 ， 3 3 ( 2 ) ： 5 9 6 4 5 阮广 雄 ， 刘 国荣 钢 筋混 凝 土结 构 中钢 筋腐 蚀 的治 理 J 四川建筑， 2 0 0 6， 2 6 ( 1 ) ： 8 3 8 6 6 耿欧， 李果， 袁迎曙电化学检测技术在混凝土内钢 筋腐蚀研究中的应用现状与展望 J 混凝土，2 0 0 5 ( 2 ) ： 2 0 2 3 7 刘二喜 ， 刘峥有机缓蚀剂在钢筋混凝土腐蚀与防护 领域的研究现状及发展趋势 J 腐蚀与防护， 2 0 0 7 ， 2 8 ( 8) ：4 0 74 1 0 8 杜荣归， 刘玉， 林昌健氯离子对钢筋腐蚀机理的影响 及其研究进展 J 材料保护 ， 2 0 0 6 ， 3 9 ( 6 ) ： 4 5 5 0 编辑： 王字】