何昌亮

1 前言

由于侵蝕性物質(zhì)（如氯離子，二氧化碳等）對混凝土的侵蝕和混凝土碳化所引起的鋼筋的腐蝕，是使混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)性能劣化的主要原因。鋼筋的腐蝕將導(dǎo)致鋼筋表面鈍化膜破壞，引起鋼筋截面損失，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力減小，而且會引起混凝土保護(hù)層的破裂與脫落，嚴(yán)重時，將導(dǎo)致鋼筋結(jié)構(gòu)承載能力達(dá)不到規(guī)定要求，發(fā)生事故，造成巨大的人力物力損失。因此，鋼筋腐蝕對于混凝土的安全性以及承載能力影響巨大，對于混凝土中鋼筋的腐蝕機(jī)理研究意義重大。影響鋼筋腐蝕的因素眾多，主要包括空氣的相對濕度，氧氣濃度，環(huán)境濕度，混凝土保護(hù)層的厚度等。在陰極，陽極和電阻三種控制下，鋼筋發(fā)生腐蝕。目前，關(guān)于鋼筋腐蝕的研究方向主要是陰極反應(yīng)或離子傳輸。

2 腐蝕機(jī)理

在新澆筑的建筑中，混凝土呈高堿性，PH值通常大于12.5，能保證鋼筋表面鈍化膜的穩(wěn)定性，保護(hù)鋼筋不受侵蝕性物質(zhì)的腐蝕，但是氯離子和二氧化碳等侵蝕性物質(zhì)的腐蝕或混凝土自身碳化會使混凝土失去對鋼筋的保護(hù)作用，產(chǎn)生去鈍化效應(yīng)，使鋼筋表面的鈍化膜被破壞。當(dāng)鋼筋表面同時存在氧氣和水時，就會對鋼筋產(chǎn)生腐蝕作用。此時，去鈍化的鋼筋作為陽極，為氧氣的還原反應(yīng)提供電子，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)過混凝土中的縫隙流到陽極區(qū)；鈍化膜完好的鋼筋作為陰極，為氧氣的還原反應(yīng)提供場所，陽極反應(yīng)產(chǎn)物與陰極反應(yīng)產(chǎn)物可以進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物為氫氧化鐵和氫氧化亞鐵。反應(yīng)的電化學(xué)方程式為：

陰極： O2+4e-+2H2O→4OH

陽極： Fe→Fe2++2e

在陽極區(qū)發(fā)生的二次反應(yīng)的方程式為：

Fe2++2OH-→Fe（OH）2

4Fe（OH）2+O2+2H2O→4Fe（OH）3

2.1 氯離子引起鋼筋腐蝕的機(jī)理

氯離子的侵蝕是引起鋼筋腐蝕最重要的原因之一。研究表明，氯化物的存在會提高混凝土的吸濕性，使混凝土內(nèi)部離子通道增加，電阻率降低，加速鋼筋腐蝕。氯離子進(jìn)去混凝土的方式主要有以下兩種：一是界環(huán)境的引入，比如海水等；二是混凝土原材料的引入，比如摻和料，拌合水等。

混凝土中的氯離子主要分有兩種，分別為水溶性和酸性。水溶性的氯離子可以在混凝土中的空隙中自由移動且能在鋼筋鈍化膜表面累積。而酸溶性氯離子因可以與混凝土中的鋁酸三鈣產(chǎn)生結(jié)合，無法溶于水中自由移動。當(dāng)鋼筋表面的氯離子濃度存在一臨界值，當(dāng)其表面的氯離子濃度高于此值時，鋼筋表面的鈍化膜就會被侵蝕。若氯離子在鋼筋表面均勻分布，鋼筋將會發(fā)生均勻侵蝕。若氯離子聚集在鋼筋表面的某一區(qū)域時，鋼筋將會發(fā)生點(diǎn)蝕。

研究表明，自由氯離子會在鋼筋表面與鈍化膜結(jié)合，產(chǎn)生易溶于水的絡(luò)合物，后與堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成鐵的水合物并將氯離子釋放出來。在這個過程中，氯離子起催化劑的作用，持續(xù)參加到鈍化膜的溶解過程，化學(xué)反應(yīng)方程式為

Fe2++2Cl-=FeCl2

FeCl2+2OH-=Fe（OH）2+2Cl-

2.2 混凝土碳化引起鋼筋腐蝕的機(jī)理

對于暴露在空氣環(huán)境中的混凝土，由于混凝土內(nèi)部存在無數(shù)細(xì)小的空隙，空氣中的二氧化碳會隨著時間的推進(jìn)逐漸向混凝土的內(nèi)部擴(kuò)散，并溶解在混凝土中縫隙內(nèi)的液體中，并形成酸性液體，進(jìn)而與混凝土中的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，造成混凝土縫隙中空隙溶液PH值的下降，當(dāng)其空隙液PH值低于12.5時，鋼筋表面的鈍化膜將會遭到破壞。除此之外，混凝土的碳化將使混凝土內(nèi)的固化氯離子轉(zhuǎn)化為自由氯離子，對鋼筋的腐蝕起推動作用。一般來說，混凝土的碳化所引起的鋼筋腐蝕形態(tài)為均勻腐蝕。

鋼筋腐蝕過程的方程式為

（1）在酸性溶液條件下

CO2+H2O→2H++CO32-

（2） 混凝土空隙溶液中性化

Ca（OH）2+2H++CO32-→CaCO3+2H2O

在二氧化碳充足的條件下，將發(fā)生以下反應(yīng)

CaCO3+CO2+H20→Ca（HCO3）2

因?yàn)榛炷恋奶蓟磻?yīng)需要水參與，所以混凝土的水飽和度只有在一定條件下，混凝土才會發(fā)生碳化反應(yīng)。但是。二氧化碳在混凝土中以氣體的形式擴(kuò)散，因此在混凝土中需要聯(lián)通的空隙作為二氧化碳的擴(kuò)散通道，因而完全潤濕的混凝土不能為二氧化碳提供擴(kuò)散通達(dá)，因此不能發(fā)生碳化。根據(jù)研究表明，當(dāng)空氣的相對濕度在50%至70%范圍內(nèi)時，混凝土的碳化速率較快。

3 鋼筋腐蝕的影響因素

3.1 結(jié)構(gòu)影響因素

（1）水泥的種類及活性摻和料。不同生產(chǎn)工藝生產(chǎn)出來的水泥，其成分存在很大的差異，對水泥水化產(chǎn)物的成分及其含量產(chǎn)生的影響也存在很大不同，因而對于混凝土的強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響。其中，活性摻和料能夠參與到水泥的水化過程中，降低混凝土中聯(lián)通空隙的數(shù)量，阻斷二氧化碳?xì)怏w的傳播，提高混凝土中水化硅酸鈣凝膠的含量，因而混凝土的強(qiáng)度得到提升。

（2）混凝土碳化程度和氯離子含量。前文提到，混凝土內(nèi)鋼筋腐蝕的原因主要有兩個，一是氯離子的侵蝕；二是混凝土的碳化。當(dāng)混凝土表面的自由氯離子濃度超過臨界氯離子濃度是，鋼筋表面的鈍化層就會被氯離子侵蝕，產(chǎn)生破壞。鋼筋的腐蝕速度隨表面氯離子含量的提高而加快，且容易發(fā)生點(diǎn)蝕?；炷撂蓟瘯?dǎo)致混凝土的中性化。當(dāng)鋼筋表面的混凝土空隙中溶液的PH值小于臨界值時，鋼筋的鈍化膜開始遭到破壞。根據(jù)施惠生等人對氯離子含量對鋼筋腐蝕速率的影響表明，隨著混凝土中氯離子含量的增加，鋼筋越早開始被腐蝕，且進(jìn)入穩(wěn)定期后的腐蝕電流密度越大。

（3）結(jié)構(gòu)配筋。采用鋼筋的種類和結(jié)構(gòu)會對鋼筋的腐蝕產(chǎn)生影響。在一般條件下，縱筋的腐蝕比箍筋的腐蝕要小。與普通鋼筋相比，預(yù)應(yīng)力鋼筋的腐蝕速率要小。蔣曉靜等人通過人工加速腐蝕試驗(yàn)，對于不同那個等級鋼筋的腐蝕行為進(jìn)行研究，表明鋼筋的種類對其腐蝕速率有明顯影響。此外，鋼筋的制備工藝，成分對鋼筋的腐蝕形態(tài)也有明顯影響。

（4）混凝土的電阻率?；炷恋碾娮杪手饕突炷猎?，混凝土的水飽和程度，氯離子含量，碳化程度以及溫度等因素有關(guān)。電阻率反映的是混凝土內(nèi)部粒子通道的數(shù)量。鋼筋的腐蝕速率隨著混凝土電阻率的減小而增大。

（5）混凝土保護(hù)層的厚度。環(huán)境中的寢室物質(zhì)必須經(jīng)過鋼筋表面的保護(hù)層到達(dá)鋼筋表面才會對其產(chǎn)生腐蝕作用，因此鋼筋的保護(hù)層越厚，寢室物質(zhì)越難到達(dá)鋼筋表面。因此，增加混凝土保護(hù)層的厚度可以減緩鋼筋的腐蝕。施惠生等人通過統(tǒng)計分析的方法，對室外暴露原件的腐蝕速率進(jìn)行分析，研究結(jié)果表明：原件的腐蝕速率隨著保護(hù)層厚度的增加而減小。

3.2 環(huán)境影響因素

（1）環(huán)境溫度。根據(jù)Arrhrnius方程，化學(xué)反應(yīng)速率會雖溫度的提高而增大。但由于鋼筋腐蝕過程較為復(fù)雜，目前還有統(tǒng)一性的結(jié)論證明溫度對鋼筋腐蝕速率的影響。蔣小靜等通過溫度對混凝土腐蝕速率的影響的研究表明，在陽極控制的條件下，反應(yīng)速率和陽極溫度有關(guān)，且當(dāng)溫度在68℃以下時，隨著溫度的增加，腐蝕速率呈指數(shù)形式增加。

（2）結(jié)構(gòu)荷載。結(jié)構(gòu)承擔(dān)的荷載將直接對裂縫寬度，鋼筋的應(yīng)力以及間距產(chǎn)生影響。Yoon等研究了裂縫寬度和鋼筋腐蝕速率的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)氯離子會引起裂縫處鋼筋的點(diǎn)蝕。在一定的應(yīng)力和侵蝕性物質(zhì)的作用下，金屬會發(fā)生應(yīng)力腐蝕，引起結(jié)構(gòu)的破壞。

（3空氣的相對濕度?？諝獾南鄬穸葘炷恋乃柡投犬a(chǎn)生直接影響，且混凝土的水飽和度隨著空氣相對濕度的增加而增大?；炷恋乃柡投纫矔绊懟炷岭娮杪实慕档汀Ｆ浯?，混凝土中氧氣的擴(kuò)散速率會隨著空氣相對濕度的增大而減小，使陰極的反應(yīng)速率降低。

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