钢筋混凝土中钢筋锈蚀的原理及防治措施

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1、钢筋混凝土中钢筋锈蚀的原理 及防治措施LT钢筋混凝土中钢筋锈蚀的原理及防治措施摘要:钢筋锈蚀对钢筋混凝土结构及预应力混凝土结构的耐久性和安全性影响极大。混 凝土在多种因素作用下（如碳化、氯离子侵蚀等），钢筋因原先在碱性介质中生成的钝化 膜被破坏而渐渐失去保护作用，导致钢筋锈蚀，生成的铁锈体积比被腐蚀掉的金属体积大 34倍，使混凝土保护层沿钢筋纵向开裂，而裂缝一旦产生，钢筋锈蚀速度大大加快，结 构构件的承载力与可靠性劣化的速度大大加快，有的甚至发展到钢筋锈断，危及结构的安 全。关键词:钢筋混凝土；钢筋锈蚀；原理；防治英文摘要: The corrosion of reinforcing bar i

2、s great to strueture and durability of the prestressing force concrete strueture and security influence of armored concrete. Concrete in under a variety of factors (such as carbonation, chloride ion erosion, etc.), reinforced by the original in alkaline medium-generated passive film was destroyed an

3、d gradually lose their protective effec t, leading st eel corrosion and rus t volume generated by corrosion swap Metal bulky three to four times so that the protective layer of concrete reinforced along the longitudinal cracks, and cracks have once, greatly accelerate the speed of steel corrosion, s

4、tructural components of the bearing capacity and reliability grea tly accelera te the pace of det er iorat ion, or even to the developme nt of st eel rust Broken, endangering the safety of the strueture.Keywords : Reinforced concrete; the corrosion of steelbars； Principle； Combat前言:混凝土耐久性是指混凝土在设计寿命周

5、期内，在正常维护下，必须保持适合于使用， 而不需要进行维修加固，即指混凝土在抵抗周围环境中各种物理和化学作用下，仍能保持 原有性能的能力。工程安全性与耐久性对我国当前土建工程建设具有重要探讨意义，建设 部近年所作的一项调查表明，国内大多数钢筋混凝土建筑物在使用2530年后即需大修， 处于严酷环境下的钢筋混凝土建筑物使用寿命仅1520年。有一部分工程建成后几年就出 现钢筋锈蚀、混凝土开裂。因混凝土顺筋开裂和剥落，需要大修的屡见不鲜。从可持续发 展的要求出发，这种现状会导致资源、能源不合理的消耗，并因大量失效或毁坏的结构物 拆除而形成大量的垃圾。因此，提高混凝土耐久性，延长工程使用寿命，尽量减少维

6、修重 建费用是建筑行业实施可持续发展战略的关键。影响混凝土耐久性的原因错综复杂，除去 社会因素、人为因素外，技术方面的主要因素有以下几点：钢筋锈蚀、混凝土的碳化、混 凝土的冻融破坏、侵蚀性介质的腐蚀、混凝土碱集料反应等。混凝土耐久性已是当今世界 的重大问题,在第二届国际混凝土耐久性会议上，梅塔教授指出“当今世界混凝土破坏原因, 按递减顺序是:钢筋锈蚀、冻害、物理化学作用”他明确将“钢筋锈蚀”排在影响混凝土 耐久性因素的首位。影响钢筋锈蚀的因素很度多，主要包括四个方面：氯离子的侵蚀作用、 混凝土的中性化、环境对锈蚀的影响、施工对钢筋锈蚀的影响等。钢筋锈蚀不仅能削减截 面面积，使构件承载能力下降，

7、还会降低钢筋与混凝土的握裹力，影响两者共同工作的性 能。同时，由于钢筋锈蚀后体积膨胀，造成混凝土保护层破裂，甚至脱落，从而降低了结 构的受力性能和耐久性能，严重的甚至影响结构的安全性能。1钢筋锈蚀机理在通常情况下，混凝土是一种高碱性环境（pH值约在13左右）,钢筋在这种环境下，钢筋 表面迅速形成一层氧化铁（Y-Fe2O3）钝化膜，膜厚约200600nm。该膜内部为一种致密、 稳定的共格结构，水和氧气不能渗透过去,内部无法形成腐蚀电池；而且,即使阴极区有足 够的水和氧气，也会因为该钝化膜抵制了铁离子的释放、阻止了阳极反应，进而避免电化学 反应的发生。很显然,混凝土的正常碱度能很好地阻止钢筋锈蚀,

8、并且碱度愈高，钝化膜的 稳定性和对钢筋的保护性能就愈好。但是当钢筋混凝土被CI -污染时，如海洋环境或桥梁结 构冬季撒除冰盐后，CI-通过混凝土表面的孔隙逐渐扩散至钢筋表面,Cl-可以破坏钢筋表 面钝性，钢筋由钝态转为活化态（见图1）,钢筋的腐蚀产物多为Fe3O4等氧化物，其体积远 远大于产生这些产物的钢的体积，因此产生了内应力，使混凝土开裂。钢筋混凝土腐蚀的另 外一个原因是酸性物质（如CO2）的渗入，使得孔隙液的pH值降低，当pH值降低至12.5时,加之Cl-的作用，腐蚀以较快的速度发生。1. 1氯离子的侵蚀作用混凝土中的氯离子一部分是由原材料引入的,一部分是由外界侵入的,在混凝土中有 两种

9、存在形式,一种是以自由离子的状态存在于混凝土孔溶液中，另一种则是与水泥某些 水化产物发生化学反应生成不溶于水的物质,只有自由状态存在的氯离子才会对钢筋锈蚀 造成影响。111破坏钝化膜通常情况下，混凝土孔隙中充满着水泥水解时产生的Ca(OH)2、3CaO 2SiO23巧0 和3CaOA LO36巧0等碱性水化产物，以及水泥中少量的鹫0、Na2O ,所以PH值可 高达125以上。钢筋处于该环境中，表面能形成约200-1 000 Lm厚的水化氧化物r2Fe2O 3nH2O 或Fe2O3 nO组成的钝化膜层。这种膜层致密、稳定，因而有效地保护了混凝 土中的钢筋不被锈蚀。但是,只有当碱度PH115时钝化

10、膜才是稳定的。当外界酸性物质 侵入并与Ca (OH)2作用时，混凝土碱度就会降低(PH值可降至9以下)。当PHV10时钝化膜 就维持不住而逐渐破坏,从而失去对钢筋的保护作用，若有空气和水分侵入,钢筋便开始 锈蚀。在混凝土中含有自由状态的CL离子时，它们接近钢筋后富集于钢筋表面上，对钢筋锈 蚀起加速作用。1. 1. 2电池腐蚀作用在大面积的钢筋表面上，如果存在高浓度氯化物,则它引起的腐蚀可能是均匀腐蚀。 但是，在不均质的混凝土中常见的是局部腐蚀。Cl-的锈蚀作用首先发生在钢筋表面钝化 膜的薄弱点，这种局部破坏后钢筋的铁基表面露出来，在水和氧气的存在下铁表面与尚完 好的钝化膜之间形成电位差，钝化膜

11、为阴极，铁表面为阳极，两极之间由于电子的迁移而发 生氧化还原反应。原电池作用的结果，在钢筋表面产生点蚀。因为是大阴极对小阳极，所 以这种点蚀十分迅速。具体过程如下：Cl -易渗入钝化膜引起钝化膜破坏。在阳极,Fe原子失电子成为二价铁离子Fe2+：Fe T Fe 2+ + 2eFez +自钢筋表面进入混凝土孔隙液中，阳极区产生的电子通过钢筋被送往阴极,并将阴 极区溶解于孔溶液中的O2还原，生成氢氧根离子OH-：O + 2H O + 4e T 4OH -2 2阴极产生的OH-通过混凝土中的孔溶液被运往阳极区，在阳极附近,Fe2 +与OH-形成难溶 的Fe (OH) 2白色沉淀：Fe2+ + 2OH

12、 - T Fe(OH)2Fe (OH) 2在有氧环境中是不稳定的，立即被氧化，变成棕红色的Fe (OH)3 :阳极 2Fe(OH) + 2H O T 2Fe(OH) + 2H + 2e223阴极 % O2 + H2O + 2e 2OH -总反应2Fe(OH) + o + H O T 2Fe(OH)在溶解氧含量少的情况下，既有Fe (OH)3生 成，又有Fe (OH) 2存在，二者还可以发生下列反应：Fe(OH) + 2Fe(OH) T Fe O - 4H O23342生成绿色含水的混合价态氧化物Fe3O4 4HQ, 若Fe3O44HQ失水，则变为黑色的Fe3O4。当锈堆把阳极区遮住时,O2不易

13、进入小孔，小孔中的Fez +又将“水解”产生H+ : Fez + + 2H2O Fe (OH)2 | + 2H+使pH值下降，从而加剧了腐蚀。从以上分析可以看出,腐蚀电流能形成一个闭合回 路(如图1),符合腐蚀原电池的基本工作过程。-IF宀;-呎利呗也- 环亠钢筋丸一已阳极,阴疲图1 混凝土中钢筋腐蚀(电池腐蚀作用)113极化作用Cl-不仅破坏钢筋表面的钝化膜,造成原电池的形成，而且它还加速了原电池效应。这 时的反应式表示为：Fe T Fe 2 + + 2eCl-存在是电化学反应产生的条件,而一旦腐蚀开始后,Cl-又会进一步加速反应。因 为上述反应中生成的Fe2+与Cl-进一步发生反应：Fe2

14、+ + 2Cl T FeCl2由于Fe2+不断地被消耗而使上述第一个反应一直向右进行。阳极产物被及时地“搬运”离 开，使阳极反应过程顺利进行,甚至加速进行。通常把加速阳极极化作用称作“去极化作 用”，生成的Feq 在混凝土中遇到OH-后，又发生下列反应：Q fO FeCl + 2OH T Feci4Fe (OH) 2+ 2H2+ O 4(OH) 3 林納锈)OH-(OH) + 2C1 -2阴极区阳级区oi rAo图2混凝土中钢筋腐蚀机理这其中Cl-像催化剂一样，既促进了锈蚀反应，本身又不消耗，只是一步一步加剧锈蚀。由 于混凝土内部是高碱环境,混凝土内部的Cl-只有达到一定浓度,使混凝土内PH值

15、降到 某个值以下钢筋才会锈蚀,而这个使钢筋开始锈蚀的浓度称为临界浓度。但这个值是随混 凝土碱含量而发生变化的。研究者发现当Cl- /O H 0.61时，钢筋开始锈蚀，并确定此值为临界值。因此应尽量减少混凝土中Cl-含量，不论 从任何途径引入混凝土中，其总量都不允许超过定值,并以此作为工程质量控制的重要技 术指标之一。1.2混凝土的中性化与钢筋锈蚀混凝土的中性化即为混凝土的碳化,是指混凝土中的成分(主要是Ca (OH)2)与渗进 混凝土中的二氧化碳(CO2)和其它酸性气体如二氧化硫(SO 2)、硫化氢(H)等发生化学 反应的过程，混凝土的碳化虽然可以增加混凝土的强度，改善混凝土结构的稳定性。但混凝土的碳化伴随着混凝土的收缩,并与干燥收缩共同作用导致 混凝土表面开裂和面层碳化,降低了混凝土的PH值，使混凝土失去对钢筋的保护作用， 如果有水和氧气存在，混凝土中的钢筋就开始腐蚀。由于混凝土是一个多孔体淇内部存在着大小不同的毛细管、孔隙、气泡甚至缺陷等。 空气中的二氧化碳(CO2)首先渗透到混凝土内部充满空气的孔隙和毛细管中，而后溶解于 毛细管中的液相,与水泥水化过程中所产生的Ca (OH)2和硅酸三钙、硅酸二钙等水化产物 相互作用，形成碳酸钙。混凝土碳化可用下列化学反应式表示：CO + H O T H CO2223Ca(OH) + H CO T CaCO