钢筋锈蚀的机理

钢筋锈蚀的机理1前言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3~4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。文献资料表明，钢筋锈蚀引起钢筋混凝土结构的过早破坏已成为世界各国普遍关注的一大灾害。美国标准局1975年的调查表明，混凝土中钢筋的腐蚀占全美各种腐蚀的40%；日本新干线使用不到10年，就出现大面积因钢筋腐蚀引起的混凝土开裂、剥蚀。在我国，大量采用钢筋混凝土结构已有几十年历史，对于遭受恶劣环境条件的腐蚀作用影响，尤其是在20世纪五六十年代，由于要求早强或防冻在混凝土中掺加过量的氯盐的结构，耐久性破坏现象非常严重。长期以来，人们发现混凝土结构在复杂恶劣的环境下会出现未老先衰的现象，尤其是接连不断的工程事故，使学术界在血的教训面前深刻认识到研究和提高混凝土耐久性的现实意义。笔者将对钢筋锈蚀机理、影响因素、腐蚀过程、锈后钢筋混凝土的力学性能及粘结性能等进行分析，提出钢筋锈蚀应采取的预防措施，提高混凝土的耐久性和结构的安全性，减少耐久性破坏造成的损失，将是一项具有重大实际意义和社会经济效益的研究课题。2对钢筋锈蚀的分析2.1混凝土中钢筋锈蚀机理的研究2.1.1钢筋的腐蚀过程——电化学反应过程混凝土空隙中的水分通常以饱和的氢氧化钙的溶液形式存在，其中还含有一些氢氧化钠和氢氧化钙，pH值为12.5。在这样的强碱性的环境中，钢筋表面形成钝化膜，它是厚度为2×10-9~6×10-9m的水化氧化物（nFe3O3·mH2O），阻止钢筋进一步腐蚀。因此，施工质量良好、没有裂缝的钢筋混凝土结构，即使处在海洋环境中，钢筋基本上也能不发生腐蚀。但是，当钢筋表面的钝化膜受到破坏，成为活化态时，钢筋就容易腐蚀。呈活化态的钢筋表面所发生的腐蚀反应的电化学机理是，当钢筋表面有水分存在时，就发生铁电离的阳极反应和溶液态氧还原的阴极反应，相互以等速度进行，其反应式如下：阳极反应2Fe-4e-→2Fe2+阴极反应O2+2H2O+4e-→4OH-腐蚀过程的全反应是阳极反应和阴极反应的组合，在钢筋表面析出氢氧化铁，其反应式为2Fe+O2+2H2O→2Fe2++4OH-→2Fe（OH2）4Fe（OH2）+O2+2H2O→4Fe（OH）3该化合物被溶解氧化后生成氢氧化铁Fe（OH）3，并进一步生成nFe3O3·mH2O（红锈），一部分氧化不完全的变成Fe3O4（黑锈），在钢筋表面形成锈层。红锈体积可大到原来体积的4倍，黑锈体积可大到原来的两部。铁锈体积膨胀，对周围混凝土产生压力，将使混凝土沿钢筋方向开裂（通常称之为“顺筋开裂”、“先锈后裂”），进而使保护层成片脱落，而裂缝及保护层的剥落又进一步导致钢筋更剧烈的腐蚀。2.1.2裂缝状态下钢筋的腐蚀当结构出现横向裂缝，根据电化腐蚀机理，裂缝处的钢筋表现为阴极，氧主要是通过未裂区域混凝土传递到阴极。根据电化学作用原理，钢筋锈蚀须具备4个条件：（1）钢筋表面要有电势差；（2）阴极和阳极之间要有电介质联系；（3）在阳极金属表面要处于活化状态；（4）在阴极，钢筋表面要有足够数量的氧和水分。对裂缝处的钢筋，一般大气条件下，条件（1）、（2）是具备的；从客观上讲，裂缝处是阳极，混凝土未开裂处是阴极，由于裂缝处钢筋暴露于空气中，钢筋失去混凝土的钝化而处于活化状态，因此，条件（3）也是具备的；至于条件（4），氧的扩散速度越大，钢筋腐蚀越快，因此腐蚀的速度取决于混凝土的密实度及保护层厚度，混凝土密实度越差，腐蚀速度越大。2.2影响钢筋腐蚀的主要因素混凝土中钢筋锈蚀的影响因素有：混凝土的密实度、混凝土保护层厚度、混凝土碳化、环境湿度、氯离子侵入等。在这些因素中，混凝土保护层的碳化和氯离子侵入是造成钢筋锈蚀的主要原因。2.2.1混凝土不密实或有裂缝存在混凝土密实不良和构件上产生的裂缝，往往是造成钢筋腐蚀的重要原因，尤其当水泥用量偏小，水灰比不当和振捣不良，或在混凝土浇筑中产生露筋、蜂窝、麻面等情况，都会加速钢筋的锈蚀。调查资料表明：混凝土的碳化深度和混凝土密实度有很大关系。密实度好的混凝土碳化深度仅局限在表面；而密实度差的混凝土，则碳化深度就大。2.2.2混凝土碳化、侵蚀气体和介质的侵入碳化是介质与混凝土相互作用的一种很广泛的形式，最典型的例子是空气中的CO2渗入，与孔隙中的Ca（OH）2反应，生成CaCO3，使pH值下降。当pH值11.5时，钝化膜就开始不稳定；当pH值降低到9左右时，钢筋表面的钝化膜遭到破坏，钢筋开始腐蚀。理论分析和实验分析表明，在大气环境下，混凝土的碳化深度与时间的关系为：式中，χ——碳化深度；Dk——CO2的扩散系数；C——混凝土表面的浓度；B——单位体积混凝土碳化所需的CO2量；K——混凝土碳化系数，与结构所处的自然环境和使用环境、水泥品种、结构混凝土质量及混凝土早期养护条件有关；T——混凝土暴露时间（年）。2.2.3与环境湿度密切相关混凝土的碳化和钢筋腐蚀与环境湿度有直接关系。在十分潮湿的环境中，其空气相对湿度接近于100%时，混凝土孔隙中充满水分，阻碍了空气中的氧向钢筋表面扩散，二氧化碳也难以透入，所以，使钢筋难以腐蚀。当相对湿度低于60%时，在钢筋表面难以形成水膜，钢筋几乎不生锈，碳化也难以深入。而空气相对湿度在80%左右时，有利于碳化作用，混凝土中的钢筋锈蚀发展很快。由于环境中湿度往往随气候和生产情况而变化，因而混凝土在气侯或生产环境变化中会遭到碳化，钢筋会腐蚀。2.2.4混凝土中C1-含量对钢筋锈蚀的影响一方面，C1-可能是随混凝土组成材料（水泥、砂、石、外加剂）进入的如在冬季施工，为提高混凝土抗冻性而掺入氯盐、海砂拌制混凝土等；另一方面，C1-是在混凝土硬化后经其孔隙由外界渗入的，如遭受海水侵蚀的海岸混凝土构筑物，冬季在混凝土路面上喷洒盐水防止路面冰冻，游泳池用氯气消毒等。当混凝土构件长期处于上述环境时，氯离子就会通过混凝土中的气孔，随水进入混凝土的内部，最终会接触钢筋并开始积累。当氯离子达到临界浓度后，在足够的氧气和水分条件下引起腐蚀的发生（氯离子临界浓度与力筋周围混凝土的碱度有关，碱度愈高，氯离子临界浓度值愈大，通常用氯离子和氢氧根离子的浓度比值来表示氯离子临界浓度）。其主要反应式如下，反应最终产物氢氧化铁Fe（OH）3即是铁锈。Fe→Fe2++2eFe2++2Cl2-+4H2O→FeCl2?4H2OFeCl2?4H2O→2Fe(OH)2↓+2Cl2-+2H++2H2O4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)32.3钢筋的腐蚀过程从时间上讲，混凝土因钢筋腐蚀发生的破坏过程可由下图所示的几个阶段来表示，其具体内容如下：（1）t0段：碳化前沿达到钢筋表面或侵蚀介质在混凝土与钢筋界面达到临界值，但钢筋钝化膜未被破坏。这一阶段主要是腐蚀介质在混凝土中的扩散及其在混凝土与钢筋界面的积累。（2）t1段：由于腐蚀介质在局部区域超过临界值而发生局部腐蚀，腐蚀产物的积累导致混凝土局部开裂，这一阶段是由钢筋表面的钝化膜发生局部破坏至混凝土发生局部开裂的时间。（3）t2段：钢筋发生大面积腐蚀，混凝土大面积开裂，钢筋腐蚀速度加快，导致钢筋界面迅速减小，以致结构安全性能低于安全性允许的可靠性指标。（4）t3段：构件不能安全使用，必须进行维修加固。钢筋腐蚀破坏的几个阶段因此，可以认为，t0段是真正的结构安全使用期，最保守的寿命预测应当是t0段的预测。虽然现在不少研究者致力于t2段或t3段的预测，但是由于混凝土和实际环境的复杂性，加上数据和模型的缺乏，在进行预测时往往遇到许多困难。更值得一提的是，当结构处于t3段时，应当尽快实施加固维修方案，不能任其受到破坏。2.4钢筋腐蚀对结构受力的影响在钢筋混凝土结构内，钢筋受到周围混凝土的保护，一般不腐蚀。但当保护层破坏或保护层厚度不足时，钢筋在一定条件下将产生腐蚀，钢筋腐蚀对结构受力影响变化过程如下表所示。截面积损失率对结构受力的影响见表总的说来，由于钢筋与混凝土交界面上钢筋锈胀力的存在，导致混凝土产生顺筋裂缝，甚至使混凝土保护层剥落，使构件截面有效面积减小，更重要的是使钢筋与混凝土间粘接性能退化；同时，由于钢筋锈损，其截面面积减少，严刑降低，力学性能退化，使结构或构件受到不同程度的损伤。混凝土中钢筋锈蚀会使构件的承载力下降，使结构的性能劣化。2.5钢筋锈蚀对混凝土粘结性能的影响钢筋与混凝土之间形成的铁锈层，削弱了变形钢筋与混凝土的胶结作用；铁锈的膨胀将导致混凝土开裂，降低了混凝土对钢筋的约束作用；钢筋变形肋锈蚀使变形钢筋与混凝土之间失去了机械咬合作用。（1）混凝土中钢筋锈蚀的产物是一种结构疏松的氧化物，它在钢筋与混凝土之间形成一层疏松隔离层，明显地改变了钢筋与混凝土的接触面积，从而降低了钢筋与混凝土之间的粘结作用。（2）钢筋的锈蚀产物比锈蚀前钢材占据的体积更大，从而对包围在钢筋周围的混凝钢筋腐蚀破坏的几个阶段因此，可以认为，t0段是真正的结构安全使用期，最保守的寿命预测应当是t0段的预测。虽然现在不少研究者致力于t2段或t3段的预测，但是由于混凝土和实际环境的复杂性，加上数据和模型的缺乏，在进行预测时往往遇到许多困难。更值得一提的是，当结构处于t3段时，应当尽快实施加固维修方案，不能任其受到破坏。2.4钢筋腐蚀对结构受力的影响在钢筋混凝土结构内，钢筋受到周围混凝土的保护，一般不腐蚀。但当保护层破坏或保护层厚度不足时，钢筋在一定条件下将产生腐蚀，钢筋腐蚀对结构受力影响变化过程如下表所示。截面积损失率对结构受力的影响见表总的说来，由于钢筋与混凝土交界面上钢筋锈胀力的存在，导致混凝土产生顺筋裂缝，甚至使混凝土保护层剥落，使构件截面有效面积减小，更重要的是使钢筋与混凝土间粘接性能退化；同时，由于钢筋锈损，其截面面积减少，严刑降低，力学性能退化，使结构或构件受到不同程度的损伤。混凝土中钢筋锈蚀会使构件的承载力下降，使结构的性能劣化。2.5钢筋锈蚀对混凝土粘结性能的影响钢筋与混凝土之间形成的铁锈层，削弱了变形钢筋与混凝土的胶结作用；铁锈的膨胀将导致混凝土开裂，降低了混凝土对钢筋的约束作用；钢筋变形肋锈蚀使变形钢筋与混凝土之间失去了机械咬合作用。（1）混凝土中钢筋锈蚀的产物是一种结构疏松的氧化物，它在钢筋与混凝土之间形成一层疏松隔离层，明显地改变了钢筋与混凝土的接触面积，从而降低了钢筋与混凝土之间的粘结作用。（2）钢筋的锈蚀产物比锈蚀前钢材占据的体积更大，从而对包围在钢筋周围的混凝