混凝土中钢筋腐蚀原理及防护

欧宇林（成都大西南铁路监理公司，四川 成都 610081）

1 引言

混凝土的耐久性已经是当前世界的重大问题，而钢筋腐蚀则是钢筋混凝土结构破坏的主要原因。到本世纪末，美国预计要花4000亿美元用于修复和重建钢筋腐蚀破坏的工程，而在我国的工程实践中，京秦线、衮石线、川黔线等，钢筋腐蚀已经给铁路造成了相当大的经济损失。譬如京九铁路唐庄特大桥则因为加冰保温车的盐水渗入道碴槽造成1800 孔梁被氯盐腐蚀，而不得不更换106 孔梁并加固部分桥墩。

钢筋锈蚀给建设工程质量和安全带来的巨大威胁迫使建筑界从根源上反思，在以往的工程建设中，只关心前期施工，不注重后期养护，抱着“坏了再修”的想法而不愿为建筑物结构的 “全寿命”负责。针对这种落后的工程观念，美国《联邦基础设施投资原则》（第12893 政府令）明确要求，投资成本要细化、量化、合理化，工程项目的投资成本包含整个使用寿命的一切费用。 因此美国政府出台了“全寿命经济分析法”(LCCA)。[1]采取措施防止钢筋腐蚀早已经不是单纯的技术问题，它直接促进了投资管理和工程设计理念的全面革新。

2 钢筋锈蚀机理

2.1 钢筋的电化学腐蚀

混凝土中钢筋锈蚀的本质是电化学腐蚀。众所周知，在金属表面进行任何一种化学腐蚀过程都必须具备4个条件：

(1)金属表面各处之间有电位差；

(2)组成原电池的电解质溶液的电阻较小；

(3)在阳极区金属表面处于活化状态，能发生电离的阳极反应；

(4) 在阳极区金属表面上的电解质具有足够数量的氧化剂（通常是水和氧），能够进行还原阴极反应。

国内外研究与实践均表明，混凝土的高碱度对于保护钢筋和保持结构物的耐久性都是极端重要的。 研究表明，当pH<9.88 时，钢筋表面的氧化物是不稳定的，即对钢筋没有保护作用；而当pH=9.88～11.5 时，钢筋表面的氧化膜不完整，即不能完全保护钢筋免受腐蚀；只有当pH>11.5 时，钢筋才能完全处于钝化状态[2]。

2.2 混凝土的中性化（碳化过程）

混凝土的碳化是指大气中的CO2与混凝土中的Ca (OH)2起化学反应，生成中性的碳酸盐Ca-CO3，反应方程式如下：

其中式(1)是CO2气体的直接中和作用，式(2)是CO2溶解于水中，然后起中和作用。

混凝土是将水泥、沙石和水混合搅拌，并经过一定时间凝固而形成的一种多微孔材料。在微小的孔洞中，混凝土孔溶液的pH 值可高达13 左右，它的高碱度能够使钢筋及其它预埋件的表面形成一层钝化膜，从而起到一定的耐腐蚀作用。 但是混凝土的自然碳化会逐渐降低该溶液的碱度，使得钝化膜破坏而在阳极区生成疏松的铁氧化物。该氧化物体积可增大2.5 至7 倍，这也是混凝土沿筋破裂的重要原因。 所以曾有正常条件下可以使用50年以上的钢筋混凝土结构，在腐蚀介质中仅能使用15年就会严重破坏。

一般情况下，CO2浓度越大，碳化速度越快，但空气湿度同碳化速度却没有绝对的线性关系。试验证明，当空气湿度在50%以下，由于不能提供阴极反应所必须的H2O，湿度跟碳化速度是正相关关系；当空气湿度大于90%，反而在混凝土表面和内部孔洞形成致密的保护水膜，阻碍了CO2和O2的进入，抑制了碳化反应；湿度在50%～80%时，最利于混凝土的中性化。

2.3 钢筋的Cl-腐蚀

当孔溶液pH 值下降到一定程度，混凝土中的氯化铝酸盐会释放出Cl-，Cl-浓度增加到0.2%时，将和铝酸三钙(3CaO.Al2O3)反应，生成比反应物体大几倍的固相化合物，其应力足够将混凝土保护层胀裂。 混凝土保护层一旦开裂，钢筋锈蚀速度会大大加快，这是因为钢筋锈蚀引起的锈胀裂缝首先开始于钢筋表面，然后才发展到混凝土表面。 当混凝土表面出现裂缝，裂缝深度到达钢筋表面，大气环境中氧气、水及腐蚀介质就会通过裂缝传递到钢筋表面，加剧钢筋的腐蚀，混凝土保护层的作用将会严重减弱，这就是我们通常说的混凝土顺筋破坏。

即使混凝土碳化锋面未到钢筋表面或碳化反应一般，但来自于海水、海砂、防冰盐、外加剂中的大量Cl-穿过保护层疏松的孔洞，穿透钝化膜后比OH-,O2-等阴离子优先吸附到Fe2+，生成易溶的FeCl2·4H2O(绿锈)，绿锈随即分解后生成的H+与钝化膜周围的OH-发生中和反应，造成钝化膜局部酸化，孔溶液pH 值降低，而在钢筋表面随机出现大大小小的锈蚀点。 化学反应式如下：

Cl-本身对钢筋和混凝土并无腐蚀作用，在上述反应中只起催化作用。因此一旦没有外界因素中断该反应，点蚀长期发展下去则会引起双重的循环反应，钢筋有效截面减小，体积明显膨胀，混凝土表面会因此发生鼓胀、开裂和剥落，致使混凝土结构顺筋破坏。

3 钢筋腐蚀的抑制

基于钢筋腐蚀对混凝土结构的巨大破坏，在工程设计阶段就必须全盘考虑混凝土结构物在施工、养护、使用过程中可能接触的有害环境和介质。

3.1 采用高性能混凝土

钢筋混凝土腐蚀的内因是钢筋的不均匀性、混凝土本身的多孔性和脆性，又存在干缩裂纹；腐蚀的外因是介质的逐渐侵入，改变了钢筋环境。 这种侵入是一个长期过程。针对腐蚀的内因首先要改变对混凝土裂纹的认识，着眼于提高混凝土的致密性和耐久性，因此我国在当前的铁路客专建设中大力推行高性能混凝土，并保证合适的钢筋保护层厚度。

3.2 采用更抗腐蚀的钢筋

可以从钢筋本身采取附加防护措施，在混凝土内部限制、抵消有害离子的破坏作用。 经过多年的建筑实践，环氧涂层钢筋得到了工程界的高度评价，大量使用在重要工程或重要结构中。

环氧涂层同钢筋本体粘接良好，不会降低钢筋与混凝土的握裹力；环氧树脂粉末涂层还具备以下性能：能长期经受混凝土的高碱性环境，耐化学侵蚀，及膜层的不渗透性，因此能阻止水、氧、氯盐等腐蚀介质与钢筋接触，同时保证了良好的弹性和摩擦性能。虽然此类钢筋有很多优点并且在国内外工程界大量使用，但是对加工、运输、使用、养护等环节提出了更高的要求。若出现破损，开裂，局部锈蚀比未涂钢筋还快，因此使用中应给予充分注意。

优化钢筋结构的设计，避免使用环境干湿循环，混凝土表面进行潮湿养护，尽量减少裂纹，都可以减轻钢筋的腐蚀程度。

3.3 阴极保护法（CP）[3]

CP 方法有两种，牺牲阳极CP 和外加电流CP，其中使用最多的是牺牲阳极法。

牺牲阳极CP 被认为是一种被动方法，牺牲阳极CP 是基于两种金属具有不同的腐蚀电位的原理。 钢筋CP 中使用的牺牲阳极是锌或铝块。 牺牲阳极CP的优点是无需外部电源，然而它本身会溶解和消耗，所以主要应用于已建成混凝土结构的修复及地下管道工程、船舶工程。

4 事后修复

尽管从设计阶段、施工阶段、养护阶段都可以采取各种措施抑制钢筋的锈蚀，但在建筑工程中，钢筋腐蚀是不可避免的。一旦发现混凝土腐蚀或破坏的迹象，就要及时对混凝土的破坏原因、破坏程度进行分析和评估，尽快拿出修复方案并实施，减轻国家和人民生命财产的损失，杜绝安全事故的发生。

混凝土修复的最佳时期应当在表面没有破损之前的钢筋腐蚀初期阶段进行，此时钢筋表面已经处于活化状态，可用渗透型涂层进行简单处理。 但关键的是此阶段难于及时鉴定，往往是混凝土保护层鼓胀、开裂、脱落后才能发现，给修复工作带来一定的难度。

5 展望

目前国内外对钢筋的电化学腐蚀机理认识很明确，但是在工程实践中仍然存在在桥面上轻率使用防冰盐的行为。建设投资和工程设计中没有彻底践行“全寿命经济分析法”理念，距离“百年工程”的目标尚有一定差距。当前都是等混凝土保护层破坏后才能发现钢筋已经充分腐蚀，发展能在腐蚀介质未到“临界点”的无损检测和修复方法，将会成为工程界新的研究热点。

[1]陈树深.钢筋混凝土腐蚀修复技术研究[J].腐蚀与防护,2005,26(1),39～41.

[2]韩清春.钢筋腐蚀与混凝土的耐久性[J].山西建筑,2009,35(19),82～83.

[3]孟繁强,陈向上,刘斌,薛致远,孟庆海.用阴极保护防止混凝土结构的钢筋腐蚀[J].腐蚀与防护，2003,24(7)，297～299.