葛海芳，杜隆基

宿遷市高速鐵路建設(shè)發(fā)展有限公司，江蘇 宿遷 223800

混凝土結(jié)構(gòu)是工程建設(shè)中運用最廣泛的結(jié)構(gòu)形式，然而鋼筋發(fā)生銹蝕或裂縫、剝落導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)耐久性下降的問題一直沒有得到很好的解決?；炷两Y(jié)構(gòu)耐久性下降的原因存在于結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工及維護等各個環(huán)節(jié)[1]。

通過調(diào)研國內(nèi)外的研究成果發(fā)現(xiàn)，混凝土結(jié)構(gòu)由于耐久性下降產(chǎn)生了大量的損失。甚至有混凝土結(jié)構(gòu)在維修過程中產(chǎn)生的費用超過了其自身的造價。國外學者曾用“五倍定律”來描述混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題[1]：設(shè)計時在鋼筋防銹蝕方面減少1美元的支出，那么在后期的結(jié)構(gòu)維修防護時，如果出現(xiàn)鋼筋銹蝕將產(chǎn)生5美元的額外支出；如果演化成了順筋開裂，將產(chǎn)生25美元的額外支出；如果導(dǎo)致了嚴重的混凝土破壞，將產(chǎn)生125美元的額外支出。為此，工程師在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時越來越重視混凝土的結(jié)構(gòu)耐久性問題，并且持續(xù)推出更加嚴格的檢測評價方法和更先進的監(jiān)控防護措施。根據(jù)調(diào)研，在嚴酷的環(huán)境下使用了7～25年的橋梁中，有89%出現(xiàn)鋼筋銹蝕問題[2]。由此可見，在嚴酷環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題非常突出，需要繼續(xù)深入研究。

1 混凝土中鋼筋銹蝕的機理

水泥石由水化硅酸鈣 2Cao?SiO2?nH2O，氫氧化鈣 Ca(OH)2，含水的鐵鋁酸三鈣3Cao?Al2O3?6H2O以及含水的鐵鋁酸鈣4CaO?Al2O3?Fe2O3?nH2O等組成。氫氧化鈣等物質(zhì)的存在，使混凝土的孔隙間溶液pH值可以保持在12.5以上[3]，表現(xiàn)出強堿性。此強堿性環(huán)境將促使鋼筋表面生成一層鈍化膜，從而阻止鋼筋的銹蝕。

周圍環(huán)境中的酸性物質(zhì)（如CO2、SO2、HCl、Cl2等）進入混凝土后，會使混凝土出現(xiàn)中性化現(xiàn)象[1]，并使混凝土中孔隙液的pH值降低。下面以空氣中的CO2進入混凝土后的反應(yīng)為例，分析混凝土中性化的機理[4]：

中性化后的混凝土無法對鋼筋進行保護，鋼筋鈍化層無法穩(wěn)定存在，鋼筋容易出現(xiàn)銹蝕。此時，鋼筋表面發(fā)生的銹蝕反應(yīng)分為兩種，即化學銹蝕和電化學銹蝕，其中絕大部分都屬于電化學銹蝕。電化學腐蝕過程及產(chǎn)物如圖1所示[4]。

圖1 鋼筋表面電化學反應(yīng)過程及產(chǎn)物

在水分的作用下，電化學反應(yīng)生成結(jié)構(gòu)疏松的產(chǎn)物(mFe3O4?nFe2O3?rH2O)并覆蓋在鋼筋表面，由于銹蝕產(chǎn)物的體積較之前會發(fā)生數(shù)倍的增大，對周圍的混凝土產(chǎn)生壓應(yīng)力，使混凝土沿鋼筋方向開裂，保護層進而脫落，鋼筋外露，此狀態(tài)下鋼筋的銹蝕反應(yīng)將進一步加速。

由此可見，水、氧氣與鋼筋發(fā)生接觸并發(fā)生化學反應(yīng)導(dǎo)致了鋼筋的銹蝕，而鋼筋鈍化膜的破壞是間接原因。因此，如果避免鋼筋與水和氧氣接觸，可以實現(xiàn)鋼筋的防銹蝕目標。

在惡劣的高氯離子環(huán)境下，混凝土耐久性將面臨更大的挑戰(zhàn)。在氯離子的作用下，混凝土表面的鈍化膜將被破壞，氯離子作為電解質(zhì)將在鋼筋表面形成腐蝕電池，同時氯離子的去極化作用和導(dǎo)電作用將加速鋼筋的銹蝕[5]。

2 提高鋼筋耐腐蝕性的方法

提高鋼筋耐久性的思路可以從原材料組成或結(jié)構(gòu)角度切入，通過一些特別的制作工藝調(diào)整鋼筋的基本組成或者結(jié)構(gòu)，從而提高鋼筋的耐久性能。

從鋼筋的材料角度來看，早些年國內(nèi)外一些研究人員通過改變鋼筋的成分，制造合金的方法提升鋼筋的耐久性，如美國的Cu-P-Ni-Cr系合金、日本的Mu-Cu-Ni-Cr系合金[6-7]，我國的武鋼也曾測試過在冶煉過程中添加P、Cu等成分，這些方法都是通過在鋼材冶煉的過程中加入耐腐蝕的合金元素從而提升耐久性，雖然有一定的作用，但普遍成本過高，難以推廣。

現(xiàn)今，采用涂層、復(fù)合等工藝改善鋼筋耐久性成為主要的研究方向，其中不銹鋼包覆鋼筋、不銹鋼鋼筋、涂層鋼筋、MMFX鋼筋[8]等工藝較為成熟。這幾種耐腐蝕鋼筋的特點如表1所示。

表1 不同耐腐蝕鋼筋的特點

通過對比可看出，不銹鋼包覆鋼筋的耐腐蝕性能好、壽命長、價格成本相對合理、力學性能更好。目前不銹鋼覆層鋼筋生產(chǎn)中遇到的問題主要如下：不銹鋼覆層鋼筋中不銹鋼/碳鋼無法緊密結(jié)合的問題，覆層厚度不均勻的問題，高效率、低成本生產(chǎn)的問題。通過提升生產(chǎn)工藝不斷改進其性能并降低成本，不銹鋼覆層鋼筋的市場前景比較廣闊。

3 耐久性試驗

湖南三泰新材料股份有限公司針對不銹鋼覆層鋼筋開展了混凝土耐久性測試試驗[9]，設(shè)置由不銹鋼覆層鋼筋與普通碳素鋼筋形成的對照構(gòu)件，采用海拌海養(yǎng)海砂鋼筋混凝土（NaCl濃度為15%），模擬一般室外使用環(huán)境。通過3年的放置試驗，得到實驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 放置實驗后形貌照片

從圖2可看出，普通碳素鋼筋表層已出現(xiàn)了大量銹蝕，周圍混凝土出現(xiàn)了寬度約1mm的裂紋；不銹鋼覆層鋼筋沒有發(fā)生肉眼可見的腐蝕，鋼筋與周圍混凝土結(jié)合牢靠。

國外學者通過開展實驗，得到了海洋環(huán)境下各種鋼筋抗腐蝕性能：316不銹鋼鋼筋≈Stelax（不銹鋼覆層鋼筋）＞220不銹鋼鋼筋＞MMFX-II?鋼筋＞3Cr12鋼筋＞Black Bar（普通碳鋼鋼筋）[10]?？梢奡telax不銹鋼覆層鋼筋的抗腐蝕性能與316不銹鋼鋼筋的性能相當。同時相比于316純不銹鋼鋼筋，不銹鋼覆層鋼筋由于內(nèi)部的碳鋼作用，其屈服強度比前者高出約50%，在滿足耐久性的同時，可以更好地滿足混凝土結(jié)構(gòu)的力學性能。

4 結(jié)束語

鋼筋銹蝕導(dǎo)致的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題已經(jīng)成為當今眾多工程師關(guān)注的重大問題。不銹鋼覆層鋼筋的應(yīng)用可以極大地減少銹蝕造成的結(jié)構(gòu)退化問題，雖然增加了鋼筋的成本，但延長了混凝土結(jié)構(gòu)的壽命，提升了綜合經(jīng)濟效益。

不銹鋼覆層鋼筋的應(yīng)用可以減少混凝土結(jié)構(gòu)保護層的厚度，減少不銹鋼的用量，并減少鋼筋的用量（使用高強度不銹鋼覆層鋼筋），從而降低施工難度，加快施工速度，降低維修養(yǎng)護成本，減少維修養(yǎng)護的工作量，提升工程結(jié)構(gòu)的安全性，降低全壽命周期的結(jié)構(gòu)風險。