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1、钢筋的腐蚀与保护与混凝土结构的耐久性土木工程学院：郭晨光 结构耐久性是指结构在设计要求的目的使用期内，不需要花费大量资金加固处理而保持其安全、使用功能和外观要求的能力。混凝土结构耐久性设计是在考虑影响混凝土结构耐久性的内外因素，将结构的耐久性问题沿时间坐标轴展开，使新设计的结构可靠性在规定的目标使用期内不得低于规范要求，即无需花费大量资金维修与加固。混凝土结构耐久性评估是指对现有混凝土结构，通过适当方法评价其现有的可靠性，最终预测该结构今后可靠性降低情况。影响混凝土结构耐久性的因素有混凝土结构的内在因素和外部因素两方面。内在因素主要为混凝土结构保护层厚度，水灰比和密实度、水泥品种、标号和用量、
2、外加剂类型、结构或构件的构造、混凝土和钢筋的用量大小、裂缝等等，这些因素影响混凝土结构的碳化速度、结构或构件的裂缝形式和发展，这些因素与碱-骨料反映有关。外部环境因素主要为气候、潮湿、高温、氯离子侵蚀、化学介质侵蚀，还有冻融、磨损破坏等等。环境不同影响的程度也不同；环境因素也是通过混凝土结构的内在因素起作用的。钢筋锈蚀对钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土结构的耐久性有极大的影响，在日本大约有21.4%的钢筋混凝土结构损坏11实例是因钢筋锈蚀而引起的，如果再加上混凝土碳化引起的损坏则所占比例更高，日本每年召开的混凝土工学年会有相当一部分论文专门讨论钢筋锈蚀与防腐问题。前苏联有关资料统计，仅工业厂房受腐
3、蚀损坏的总额就占其固定资产的16%，有些厂房的钢筋混凝土结构使用10年左右即严重损坏，经常需要维修，有些建筑物的维修费用已超过其原造价。这个问题已越来越引起人们的注意，许多国家都十分重视研究混凝土结构中钢筋的锈蚀与防护问题，不断推出新的检测评价方法与监控防护措施。如英国仅为解决海洋钢筋混凝土构筑物的腐蚀与防护问题，每年就花费将近20万英镑。美国每2到3年就召开一次钢筋混凝土结构防腐专题讨论会。因为钢筋腐蚀还常引起一些建筑物的倒塌事故，可见研究解决钢筋腐蚀与防腐问题是十分重要的。钢筋锈蚀对钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土结构耐久性影响的研究，也是目前国内研究的重点。一、钢筋锈蚀机理对于钢筋锈蚀机理的
4、研究，目前国内外已取得很多成果，根据文献4中研究结果，在工程中可将混凝土结构所处环境分为以下三种类型，对存在顺筋裂缝的钢筋混凝土构件，其锈蚀存在不同特点：（1）干燥环境混凝土湿度梯度为内湿外干，顺筋裂缝处钢筋电位最高，作为阴极时深层钢筋及非裂缝处钢筋的锈蚀速度增加，加速和其它部位产生顺筋裂缝，由于混凝土电阻较大，且各部位钢筋表面作为孤立电极时，自身的阴阳极面积比较大，表观锈蚀速度较低，使在本环境下钢筋锈蚀问题相对较小。（2）表面湿润环境此环境中的钢筋混凝土构件包括频繁干湿循环环境、处于雨季的暴露结构、长期潮湿环境结构等。这些构件如存在顺筋裂缝，其锈蚀的电化学特点为湿布分布梯度为外湿内干，顺筋裂
5、缝处钢筋电位最低，深层钢筋及非裂缝处钢筋作为阴极使该处锈蚀速度增加，且呈现大阴极小阳极特点，并随顺筋裂缝的增宽，锈蚀速度在较大数值的基础是以加速度增长。（3）长期浸泡环境处于此环境的钢筋混凝土构件锈蚀的电化学特点与（2）基本上相同，但由于内外湿度差别较小，且氧气浓度差别较小，使不同部位钢筋的电位差较小；但如顺筋裂缝宽度较宽，由于混凝土湿度较大，电阻率较小，仍有可能在电位差较小的同时产生较高的宏电流。宏电流作用仍会导致顺筋裂缝附近钢筋锈蚀速度的较大增长。二 、钢筋锈蚀的主要影响因素混凝土结构中的钢筋锈蚀受许多因素影响，其中内部因素有钢筋位置、钢筋直径、水泥品种、混凝土的密实度、保护层厚度的完好性
6、、混凝土的液相组成（pH值及CL-含量）等；外部因素有温度、湿度、周围介质的腐蚀性、周期性的冷热交替作用的。简述如下。（1）混凝土液相pH值影响。以往研究证明，钢筋腐蚀速度与混凝土液相的pH值有密切关系。当pH值大于10时，钢筋腐蚀速度很小；而当pH值小于4时，钢筋腐蚀速度急剧增加。如图所示。（2）混凝土中CL-含量的影响。混凝土中CL-含量对钢筋锈蚀影响极大。一般情况是钢筋混凝土结构中的氯盐掺量应少于水泥重量的1%（按无水状态计算），而且掺氯盐的混凝土必须震捣密实，也不宜采用蒸汽养护。（3）混凝土的密实度及保护层厚度。混凝土对钢筋的保护作用可以包括两个主要方面：一是混凝土的高碱性使钢筋表面形
7、成钝化膜；二是保护层对外界腐蚀介质、氧化剂及水分等渗入的阻止作用。后一种作用主要取决于混凝土的密实度及保护层厚度。混凝土保护层厚度是影响钢筋腐蚀的重要因素。为了保证钢筋不锈蚀，必须使其具有一定保护层厚度，但是，混凝土保护层厚度过大不仅会降低混凝土结构的极限抗弯能力，而且会改变冲切破坏的斜截面角度，降低混凝土构件的极限抗冲切能力。（4）混凝土保护层的完好性。混凝土保护层的完好性是指是否开裂，有无蜂窝孔洞等。它对钢筋锈蚀有明显的影响。特别是对处于潮湿环境或腐蚀介质中的钢筋混凝土结构影响更大。许多调查表明，在潮湿环境中使用的钢筋混凝土结构，横向裂缝宽度达到0.2毫米时即可引起钢筋锈蚀。钢筋锈蚀产物体
8、积的膨胀加大保护层的纵向裂缝宽度，如此恶性循环的结果必然导致混凝土保护层的彻底剥落和钢筋混凝土结构的最终破坏。（5）水泥品种和粉煤灰等掺合料。粉煤灰等矿物掺合料能降低混凝土的碱性，从而影响钢筋的锈蚀。国内外的许多研究表明，如能掺用优质粉煤灰等掺和料，则能在降低混凝土碱性的同时，提高混凝土的密实度，改变混凝土的内部孔结构，从而能阻止外界腐蚀介质及氧气与水分的渗入，这无疑对防止钢筋锈蚀是十分有利的。近年来我国的研究工作还表明，掺入粉煤灰可以增强混凝土的抗杂散电流对钢筋的腐蚀作用。因此，综合考虑上述效应，可以认为在混凝土结构中掺入少量符合标准的粉煤灰等掺合料不会影响钢筋混凝土结构的耐久性，有时反而还
9、会提高其耐久性。（6）环境条件。环境条件是引起钢筋锈蚀的外在因素，如温度、湿度及干湿交替作用、海水飞溅、海盐渗透等都对混凝土结构中的钢筋锈蚀有明显影响。特别是当混凝土的自身保护能力（如密实度及保护层厚度）不合要求和保护层有裂缝等缺陷时，外界因素的影响会更突出。许多实际调查结果都表明，钢筋混凝土结构在干燥无腐蚀介质条件下的使用寿命要比在潮湿的腐蚀介质中使用的要长2-3倍。例如在正常条件下可以使用5时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。（7）其他因素。除了上述各因素外，钢筋的应力状态对其锈蚀有很大影响。这种应力腐蚀的一般锈蚀更危险，应力腐蚀不同于钢筋的均匀锈蚀，而是以裂
10、缝的形式出现，并不断发展直到破坏，这种破坏又常常是毫无预兆的突然脆断。一般来讲钢筋的应力锈蚀分为两个阶段，即局部电化学腐蚀阶段的裂缝发展阶段。对此必须充分估计，以免钢筋发生事故性断裂。三、混凝土对钢筋的保护作用。对于绝大多数钢筋混凝土结构，迄今为止，唯一能保护钢筋的实际上是混凝土。混凝土对钢筋的保护作用主要表现为两方面，一是混凝土的钝化及隔绝作用。为使钢筋在混凝土中保持钝化状态，必须使混凝土能形成一个碱性的介质，并在此介质中能引起钢筋锈蚀的盐类浓度低于达到危险的程度。由硅酸盐水泥制成的密实的普通混凝土对这些条件一般都能满足。钢筋在混凝土中锈蚀的发展是由钢筋表面阴极部分及阳极部分之间存在的电化学
11、结合所致，而这种现象只在具有水分的情况下才能发生。混凝土中氯盐和其它盐类的存在提高了混凝土的吸湿性及液相部分的导电性，降低了发展钢筋锈蚀所要求的适度尽显。混凝土除对钢筋起钝化作用外还能把它与周围介质隔绝起来。混凝土保护层越厚越密实，空气温湿度的变化对钢筋的作用程度就越小。酸性气体、尘埃及盐类溶液要达到钢筋表面就必须先穿透保护层。此时，酸性物质将为水泥石中的碱性盐所综合。随着时间的延续，混凝土的隔绝及钝化作用逐渐消失。要增加混凝土的保护作用，原则上应该着眼于长期保持其初始的高碱度，这首先是通过降低混凝土内部结构的渗透性来达到。四、混凝土中钢材锈蚀的抑制。有一些学者认为，混凝土中钢筋的锈蚀由阳极作
12、用来抑制；另一些人认为氧气对混凝土的渗透性具有很大意义，这也就是认为抑制是阴极性质的。这些分歧的原因是在于缺乏关于混凝土内钢筋的大气条件下所产生的电化学作用的试验资料。根据前苏联科学家的电化学试验表明，混凝土在水电解质溶液中，其内部钢筋的锈蚀过程受到阴极抑制。电化学实验结果表明在大气条件下非钝化的混凝土中钢筋表面阳极作用的发展受到的阻力要比阴极作用的为大。随着空气相对湿度的增加，阳极及阴极的极限性能均降低。在湿度较低时阴阳两极的作用均减缓的原因似乎是由于减少了钢筋和电解质的接触面积及浓度极化的增长。对于假设的一些非常密实的混凝土，他们内部没有毛细孔，而胶体内部的微孔在潮湿空气中均未凝结水数充满
13、，在这样的情况下，氧气的扩散将只能通过混凝土中的液相部分，其渗透性是极低的，也即可以对钢筋的锈蚀形成有效的阴极抑止作用。五、防止钢筋锈蚀的一些措施。防止钢筋锈蚀的根本途径不是控制外荷载引起的横向裂缝宽度，而是减慢二氧化碳、氧、水等腐蚀因子通过混凝土保护层向钢筋表面渗透扩散的速度，以及防止氯离子在钢筋表面的积聚。方法有两类：第一类是采用防护材料和外部措施，如采用喷塑（数值）钢筋、钢筋表面涂锌、混凝土中掺和缓凝剂、混凝土表面涂刷防护面层、采用聚和物侵蚀混凝土表层以及设置阴极保护措施等等；第二类比较方便和经济的方法则是利用和加强混凝土保护层自身的保护功能。实践证明后一种方法也是有效的，其措施主要有以
14、下4点。（1）保证必需的保护层厚度。增加混凝土保护层厚度可显著地推迟腐蚀因子渗透到钢筋表面的时间，也可提高对钢筋锈蚀膨胀的抵抗力。所以增加保护层厚度能有效地推迟碳化时间。（2）提高混凝土的密实度。提高混凝土的密实性，减少内部微细空隙和毛细管通道是加强钢筋防腐能力的最根本途径。它首先要严格控制水灰比。施工时必须均匀震捣混凝土，严格控制振捣时间，防止偏振和漏振，还有认真加强养护。这样才能保证保护层的密实度，并使混凝土浆完全覆盖中钢筋已形成有效的隔离层。同时还要注意合理的混凝土级配。粗骨料的直径也不宜过大，在同样水灰比下，骨料粒径增长会大大降低混凝土的抗渗性。（3）控制混凝土拌和物中氯盐含量。离子是
15、引起混凝土锈蚀的主要因素之一，为控制类离子的总量，对混凝土拌和物中的氯盐含量必须加以限制。海砂使用不慎是引起钢筋锈蚀的原因之一，应尽量避免使用。（4） 合理的构件形式和配筋方式。构件尺寸不易太小，尺寸太小，保护层不易保证，混凝土不易振实。构件外形也不宜复杂，棱角增多会使保护层厚度得不到保证，而且增加腐蚀因子的渗透面。六、在混凝土结构设计中，采用哪种防止钢筋锈蚀的构造设计措施，需要根据现场条件综合考虑，方法可以灵活。下面介绍工程实例。我国钢筋混凝高层建筑结构设计与施工规程（JGJ3-91）中规定：抗震设计当采用砌体填充墙时，应在框架柱与填充墙的交接处沿高度每隔500毫米或砌体皮数的倍数，用两根直
16、径6钢筋与柱拉结。这条规定使得抗震设计的填充墙都采用了如图所示的节点。但是，调查发现，目前70%的施工单位在钢筋混凝土柱子施工时，没有预先甩出这些填充墙拉结钢筋，而在填充墙施工时，凿开柱子的混凝土保护层将填充墙的拉结钢筋焊在柱子钢筋上。造成各种人为破坏混凝土保护层的主要原因是：目前混凝土柱子施工多采用钢模板，不易穿孔。现提出以下改进方法：（1）在需要填充墙拉结钢筋处的柱子侧面，预埋如图所示的钢板（预埋件），填充墙拉力钢筋在此钢板上焊出。这种方法的缺陷是柱子震捣时会引起预埋件位置变化，拆模后有些预埋件难以找到，预埋件过多施工单位也不愿意接受。（2）将填充墙拉结筋贴紧柱子模板侧向弯起，如图所示，弯起的钢筋可用棉布包一下，以便于拆模后从柱子中再弯出。这种方法的缺点是弯出的钢筋很难保证与柱子垂直，影响拉结质量。上述方法虽然各有缺点，但都避免了人为破坏混凝土保护层的情况发生，对提高混凝土结构的耐久性是有益的。参 考 文 献1 周氐、康清梁、童保全，现代钢筋混凝土基本理论，上海，上海交通大学出版社，19892 黄可信、吴兴祖、蒋仁敏、陈静云，钢筋混凝土结构中钢筋腐蚀与保护，北京，中国建筑工业出版社，19833 李田、刘西拉，混凝土结构耐久性分析与设计，北京，科学出版社，19994 宋晓冰、刘西拉，混凝土中钢筋宏电池锈蚀机理及顺筋裂缝区钢筋锈蚀试验研究，北京，清华大学土木系，1998