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280 钢筋混凝土的腐蚀研究现状与进展 钢筋混凝土的腐蚀研究现状与进展 Analysis of the Research Status and Progress of Reinforced Concrete Corrosion 李本发 Li Benfa 摘 要 本文主要介绍了钢筋混凝土的组成和结构， 对其腐 蚀方式进行了分析和说明，并提出了对钢混中钢筋状态的 监测方式和钢筋混凝土结构耐久性提升的关键防护措施， 从而达到了改善和提高钢筋混凝土耐久性的目的。 关键词 钢筋混凝土 腐蚀 状态监测 防护措施 耐久性 Abstract This article mainly describes the composition and structure of reinforced concrete, analyzes and introduces its co- rrosion method, puts forward the monitoring method of reinf- orced state in the reinforced concrete, finally puts forward the key prevention measures to improve the durability of reinforc- ed concrete structures, so as to achieve the purpose to improve and enhance the durability of reinforced concrete. Keywords reinforced concrete, corrosion, condition monitor- ing, protective measures, durability 前言 钢筋混凝土结构具有原材料来源丰富、价格低 廉、坚固、耐用等特点。自从 1824 年波特兰水泥发 明以来，混凝土与钢筋混凝土很快就成为主要的土 木工程材料，并在各种土木工程中得到了的广泛应 用。第二次世界大战以后，随着混凝土技术的进步 和工程建设的发展，水泥混凝土的用量大幅增加。 混凝土已经成为用量最大、应用范围最广的建筑材 料。混凝土具有高碱性，如果选用适合于具体环境 的正常材料，仔细设计和施工，可使混凝土保护层 具有密实组织、足够厚度，并在使用中防止了微裂 纹扩展。本可以保证钢筋长期完好，不受腐蚀。也 就是说，在一般环境甚至恶劣的海洋环境中，钢筋 混凝土和预应力混凝土结构也应该是可以很耐久 的。但事实上由于混凝土的碳化，特别是氯化物污 染（海洋、海岸工程与撒除冰盐的路桥工程）结构 混凝土，引起钢筋腐蚀、混凝土顺筋胀裂、层裂和 剥落破坏，目前已成为威胁全世界和我国混凝土结 构耐久性的主要灾害。由于耐久性不良而引起的工 程失效、损伤、损坏事故屡见不鲜，由此带来的工 程加固和拆除等费用迅速增加，也造成了极大的经 济损失，其相关研究也己成为全世界工程界关注的 难题。在影响钢筋混凝土耐久性的众多因素中，钢 筋腐蚀引起的混凝土结构过早破坏，已成为全世界 普遍关注并日益突出的一大灾害。 1975 年， 在美国， 由于各种腐蚀造成的损失高达 700 亿美元，其中混 凝土中钢筋腐蚀占 40%。在英国，建筑工业的年成 交额为 500 亿英镑。而因钢筋腐蚀破坏，钢筋混凝 土结构年维修费用已达 5.5 亿英镑（占 1.1% ） ，已 成为英国严重地财政负担。 所谓混凝土的耐久性是指混凝土对风化作用、 化学侵蚀、磨耗或任何其它破坏过程的抵抗能力。 也就是说，耐用的混凝土露置于使用环境时应保持 其原来的形状、质量和适用性。腐蚀作用造成的混 凝土、钢筋材料物理力学性能及几何尺寸的变化将 引起构件承载力的改变，最终影响整个混凝土结构 的耐久性。即结构在设计要求的目标使用期内，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。归纳起来，钢筋混凝土结构 损伤、破坏的主要原因主要包括：化学腐蚀；混凝 土碳化；钢筋腐蚀；冻融破坏（含盐冻破坏） 、碱 骨料反应等。随着大气环境污染的不断加剧和除 冰盐、防冻剂等的广泛使用，因结构中钢筋腐蚀造 成的破坏严重性在日益增加，已经成为影响钢筋混 凝土结构耐久性的最主要因素。在钢筋混凝土结构 中，混凝土保护层可以阻止二氧化碳、氯离子等侵 蚀性物质与钢筋的直接接触。且混凝土孔隙中的高 碱性溶液（pH 值可以高达 12 以上） ，可以在钢筋表 面形成稳定、致密的钝化膜，从而有效保护混凝土 中的钢筋。然而，在建设工程中由碳化或者氯离子 侵蚀引起的钢筋腐蚀仍然是引发钢筋混凝土结构过 早失效最常见的原因。钢筋锈蚀对钢筋混凝土结构 性能的影响主要体现在以下三个主要方面：第一， 导致钢筋与混凝土之间的粘结力明显下降；第二， 钢筋锈蚀导致钢筋有效截面积减小，钢筋的屈服强 度和抗拉强度显著降低，从而导致钢筋承载力的降 低；第三，钢筋锈蚀后，其锈蚀产物体积较原来膨 胀了 23 倍，产生了很大的体积膨胀压力，进而导 致混凝土发生顺筋开裂。由于裂纹的存在，为环境 中的侵蚀物质进入混凝土中提供了通道，加快了腐 蚀过程。从而导致混凝土结构耐久性降低，甚至失 效破坏。 一、 钢筋混凝土的结构 混凝土本身是多相、非均质的脆性材料，其特 点是抗压强度高、抗拉和抗弯性能较差。目前，我 们一般采用混凝土配筋强化的方法来改善混凝土承 受拉应力的能力。这主要是因为钢筋和混凝土之间 有良好的粘结力，可以保证载荷合理、均匀分布。 用钢筋来承受拉应力的同时，可保证钢筋与混凝土 温度线膨胀系数接近。当温度变化时，钢筋和混凝 土界面的应力可以保持在较低的水平。 混凝土是由胶凝组分、集料、水、必要时加入 矿物外加剂、 化学外加剂经过合理的配比设计组成， 混合后具有凝结硬化特性的复合材料体系。 水泥是由水泥熟料与适量石膏磨细后制成的。 水泥的主要矿物组成一般使用几种氧化物表示，即 C3S， C2S，C3A 和 C4AF。水泥的水化产物包含有 10% 15%的 Ca(OH)2，其属于微溶物，在混凝土孔隙中很 容易达到饱和状态。 大量多余的 Ca(OH)2会以晶体的 形式析出，称为羟钙石。 通常混凝土结构中的钢筋处于钝化状态，则不 会发生腐蚀。 主要原因是因为水泥石中大量 Ca(OH)2 的存在使钢筋处于碱性环境中，即使是由于环境原 因造成孔隙溶液中的 Ca(OH)2部分溶出， 其结晶形态 的 Ca(OH)2也会及时溶解补充孔溶液中的 Ca(OH)2浓 度。所以，一般情况下，混凝土总是保持高碱性 (pH=12.513)。 另外， 水泥中常常含有少量强碱性、 易溶的 Na2O 或 K2O，这也导致混凝土孔溶液的 pH 值 进一步提高，可以达到 13.5。由 Fe-H2O 体系的 pH 电位图可知，在高碱性的混凝土内部，钢筋处于稳 定钝化状态。在工程中使用的钢筋表面往往存在高 温氧化皮和铁锈，在混凝土浇筑数小时内会有一个 先破坏、然后再形成钝化膜的过程。当钢筋发生腐 蚀破坏时，一定是由于某些因素破坏了混凝土维持 钝化状态的环境。 混凝土的微观结构决定了混凝土的宏观特性。 混凝土的微观结构不仅决定了混凝土的力学性能、 耐久性能，且对混凝土中钢筋腐蚀行为也起着重要 影响。混凝土中存在孔隙和微裂纹，其中含有溶液 和空气。所以严格来说，混凝土是一种固、液、气 三相共存的非均相复杂体系。这些孔隙和微裂纹是 钢筋混凝土界面和外部介质环境之间物质进行传递 以及离子导电的通道。 二、 混凝土中钢筋的腐蚀 混凝土中钢筋的腐蚀适用于电化学机理。根据 电化学机理， 金属当满足以下条件时将会发生腐蚀， 即电化学活性的不均一性、阴阳极之间具有良好的 电子导电、离子导电、形成闭合回路以及存在适当 的氧化剂。电化学活性的不均一性主要表现为在钢 筋生产、运输、贮存和施工过程中可能造成钢筋表 面的高温氧化皮或锈层不均匀，碳素体、铁素体以 及金属或非金属杂质等在体相和表面的分布不均 匀；混凝土中的孔隙和微裂纹可以形成环境介质， 透过混凝土保护层到达钢筋混凝土的界面通道；混 凝土表层毛细孔道的不均匀性会导致不同位置的传 输过程不一致，这样 H2O、O2、CO2和氯离子等物质在 钢筋界面的浓度分布会产生差异、形成浓度梯度。 因此， 钢筋表面的电化学活性的不均一性不可避免。 除非大气环境干燥到能使混凝土脱水至电阻率大于 210 5 cm 的程度， 否则钢筋表面就会形成腐蚀电 池的阴、阳极。一般钢筋与混凝土结合的界面处于 混凝土孔隙液膜的包裹中， 孔隙溶液含有各种溶质， 具有足够大的电导。钢筋腐蚀中的阴极过程是氧的 还原，大气中的氧可以通过混凝土中连通的毛细孔 道渗透到钢筋表面的混凝土孔隙液膜，并溶解于其 中。因此，与钢筋表面接触的电解质中具有足够的 氧化剂。以上这些因素为混凝土中钢筋的腐蚀提供 了必要的条件。 钢筋腐蚀现象不会单独发生，它往往伴随着混 凝土保护层物理化学作用的减弱或失效。由于混凝 土保护层的破坏必然会引起钢筋的锈蚀，因此研究 钢筋腐蚀首先要考虑混凝土腐蚀的问题。钢筋混凝 土结构腐蚀破坏过程和混凝土结构中钢筋锈蚀状态 见图 1、图 2。常见的混凝土腐蚀有以下几种形式。 1. 混凝土的碳化 城市建筑学者研究URBANISM AND ARCHITECTURESCHOLARS ，STUDY 281 空气中的 CO2通过混凝土中的毛细孔通道气相 扩散至孔溶液中，与孔溶液中的水化产物氢氧化钙 发生中和反应，生成不溶与水的碳酸钙。此过程会 导致孔溶液中氢氧化钙的浓度降低，在碳化完全的 混凝土层，孔隙液的 pH 可能降低至 8.59。pH 的 降低使钢筋钝化膜的稳定性受到破坏，碳化作用还 会导致混凝土的粉化。同时，SO2、SO3等酸性气体也 可能侵入混凝土中发生化学反应，使混凝土碱性降 低。 图 1 钢筋腐蚀破坏的几个阶段 图 2 钢筋锈蚀图片 2. 溶蚀 混凝土中的水化物，主要是 Ca(OH)2，在流动水 中不断溶解的过程称为溶蚀。溶蚀会导致混凝土水 化产物组分变化，发生粉化或剥落，造成混凝土强 度降低或表面破坏。 3. 结晶腐蚀 结晶腐蚀主要是由硫酸盐侵蚀引起的。侵蚀性 介质与混凝土相互化学作用生成晶体或由外部溶液 带入的盐经蒸发而析出晶体，这些晶体生长于孔隙 中或在毛细孔壁上产生固相体积膨胀，增大了孔隙 和毛细孔壁的张力。宏观上则表现为混凝土结构开 裂破坏。 三、 钢筋的腐蚀监测 测定钢筋混凝土的腐蚀主要可分为两类方法， 即电化学方法和物理方法，如图 3 所示。 1. 电化学方法 （1）腐蚀电位 处于不同电化学状态的钢筋，其腐蚀电位是不 同的。钢筋在钝化时，腐蚀电位升高；而由钝态转 入活化态时，其腐蚀电位降低。据此，我们可以判 断钢筋的腐蚀状态。腐蚀电位的测量仅仅是对腐蚀 的几率判断，具有一定的不确定性。因此，还应结 合其它腐蚀的有关信息进行定性、定量判断。 图 3 混凝土腐蚀状态检测设备 （2）电化学噪音 在混凝土中预埋探头，其中两个工作电极的尺 寸、材质和表面状态完全相同。伴随着腐蚀过程， 这两个电极的电位、电流发生波动，这种波动称为 电化学噪音。分析这些噪音谱不仅能给出腐蚀的过 程，还可给出腐蚀的特点，如点蚀特征。电化学噪 音的优点是不需要外来扰动，可以采用数学方法进 行分析，如图 4 所示。 图 4 电化学工作站（电化学噪音设备） （3）电化学阻抗谱 电化学阻抗谱可采用小幅值的交流信号对体系 进行扰动，得到 Niquist 图、Bode 图等。对这些图 谱进行解析，可以得到与腐蚀过程相关的电化学参 数，从而确定钢筋的腐蚀状态和腐蚀速率。EIS 的 优点是不仅可以测定腐蚀速率，同时还得到了其它 相关信息。即在高频段得到混凝土的介电性质，在 低频段得到钢筋表面钝化膜的性质。其缺点是图谱 往往较为复杂，解析需要专业知识，这也是其现场 应用受到限制的主要原因，如图 5 所示。 图 5 电化学工作站（交流阻抗设备） （4）恒电量法 该方法是采用小量电荷（电荷量已知）作为激 励信号，在很短的时间内加入到电解池中，对金属 电极体系进行扰动，记录电极电位时间的变化曲 线并加以分析，求得多个电化学信息参数。注入的 电量是恒定的，不受电解池阻抗变化的影响，完全 由测试试验选定。 （5）电流脉冲法 当阳极电流脉冲施加于研究电极时，电极电位 按下式衰减 Vt=IappRp1-exp(-t/RpCdl)+R 式中：Rp 极化电阻，； Cdl 双电层电容，F； R 混凝土与参比电极间的电阻，； Iapp 电流脉冲幅值（脉冲宽度一般 8 s） ，A。 对电位曲线进行拟合可以得到式中的各项参数 值，从而确定钢筋的腐蚀速率和腐蚀状态。 2. 物理方法 （1）电阻探针法 该方法是在混凝土中埋入与钢筋同材质的电阻 探针，利用探针的电阻与其截面积呈反比的关系平 衡电桥测量探针的电阻，电阻的变化可以变换成腐 蚀的深度。其关系如下： Tc=CS0R/R0CF 式中：S0 电阻探针的起始截面积； R 电阻探针起始电阻值与测量时刻测量 值之差； R0 电阻探针起始电阻值； CF 电阻探针起始界面周长。 （2）嵌入式光纤传导法 在光纤的芯部镀上铁合金敏感膜，与光纤的外 包皮相比，铁合金敏感膜对光信号具有较大的吸收 率和较小的反射率。在敏感膜未腐蚀时，光信号通 过该部位后被检测到的强度较弱；相反，当敏感膜 腐蚀后，可以检测到较强的光信号。据此制成的光 纤传感器埋设于混凝土中，通过测定敏感膜的腐蚀 推测钢筋的腐蚀。 （3）基于微波的方法 不同的混凝土结构对微波（3 GHz 和 10 GHz）的 反射率不同，由试验确定的各种腐蚀影响因素对混 凝土结构和反射率的关系，可以用在实际工程中。 通过测量微波的反射率，可以推算混凝土中有关因 素对腐蚀的影响，如氯离子等。 四、 结构中钢筋的防护 钢筋混凝土中钢筋的防护是混凝土结构设计维 护的一个重要组成部分，对保证混凝土结构的安全 使用至关重要。一般可以分为基本措施和补充措施 两大类。基本措施的出发点本质在于可尽可能地提 高包裹钢筋的混凝土保护层的作用，主要措施是降 低混凝土的渗透性，维持钢筋混凝土界面孔隙溶液 的高碱性不被破坏，并防止环境被侵蚀性介质的渗 入。 所以，提高混凝土自身的性能是防止钢筋腐蚀 最有效的手段之一。具体在设计和施工时可以从以 下几方面实施。 1. 提高混凝土的密实程度 适度的振捣可提高混凝土均匀性和密实性。按 照规范养护使水泥充分水化以消除热应力，减少裂 纹的出现。 裂纹的存在容易使侵蚀物质绕过保护层， 直接到达钢筋表面。 2. 使用高效减水剂 高效减水剂可以在提高或不降低施工性能的情 况下减少混凝土的水灰比，提高混凝土的强度和密 实性。同时，水分的减少降低了混凝土中联通的毛 细孔道。按照 Powers 理论，水泥水化所需水分即化 学结合水仅为水泥质量的 0.23 左右， 而混凝土在拌 合过程中的很大一部分水分是为了改善施工性能而 加入的。在混凝土硬化后，多余的水分会以蒸发的 形式溢出而留下毛细孔道。这些孔道不仅会降低混 凝土的密实性和强度，而且会成为侵蚀性物质进入 混凝土内部的通道。所以，掺入减水剂、降低混凝 土的水灰比，对于提高混凝土层对钢筋的保护作用 十分有效。 3. 合理、正确使用矿物掺合料 如粉煤灰或矿渣可以细化混凝土孔结构，提高 混凝土的密实性，显著降低混凝土的渗透性，提高 混凝土的电阻率。特别是矿物掺合料与化学外加剂 双掺则使用效果更佳，这是现代混凝土技术的一个 突破性进展。 4. 保证混凝土层有足够的厚度和良好的施工 质量 基本措施是预防钢筋腐蚀首要和最根本的方 法，其作用是其它措施无法替代的。补充措施是在 环境侵蚀作用特别严重，或设计、施工不当，基本 措施不能起到有效保护作用时，另外增加的其它措 施，主要有以下几种。 （1）使用耐腐蚀钢筋（镀锌钢筋、不锈钢钢筋 等）或环氧钢筋。 （2）提高混凝土表层的抗渗性或者憎水性 混凝土的表层是阻挡氯离子渗透和碳化的第一 道防线，对混凝土表层进行有效处理与提高混凝土 基体性能相比不仅简单有效，而且经济方便。目前 混凝土的表面处理技术大体有三种：1）混凝土表层 的脱水处理；2）混凝土涂层；3）浸入型涂料。 （3）电化学阴极保护 阴极保护可以分为牺牲阳极法和外加电流阴极 保护法。 牺牲阳极保护的优点是不需要额外的电源， 简单方便，无需经常维护。牺牲阳极保护法主要用 于受盐污染的混凝土结构。 （下转第 283 页） 城市建筑学者研究URBANISM AND ARCHITECTURESCHOLARS ，STUDY 283 图 2 发展模式 遂宁中华养生谷整体发展思路从三方面解读了 当地的文脉，如图 2 所示。在遂宁中华养生谷旅游 区，将文化融入构思中，着重基于城市传统文化资 源的建设，包含物质文化层面和精神文化层面两个 方面、衍生出了四条主题文化线索：山水文化、建 筑文化、民俗文化、观音文化，详见表 2。 表 2 主要发展发面 山水文化 建筑文化 民俗文化 观音文化 开发思路 对山水资源品味高地区，开发山水观光 产品 。 对于生态本底好，但不足以形成核心吸 引力的地区，应结合休闲产品打造形成 生态休闲产品。 旅游开发以保护为基础（如灵泉寺景 区） ，充分挖掘文化内涵（川西民居） 。 古建筑观光融合现代休闲度假 。 强调参 与性，打造体验型旅游区。 以遂宁历史文化为主线， 把宗法制度、 教育、 戏剧、 方言等川中人的衣食住行、 婚嫁礼乐 组合，形成参与互动的体验型产品。 突出特色、精心设计旅游项目。 开展佛文化节庆活动、做大节事旅游。 开展佛文化学习之旅、并开展佛学交流。 开发佛教音乐、开发感官体验型旅游产品。 结合现代需求、开发心灵休闲型产品。 产品策划 涪江水上观光。 特色餐饮（山水酒吧、生态餐厅、养生 餐饮） 。 山野游乐（生态乐园） 、 山野运动（攀岩、溪流、漂流、滑草、 拓展训练） 汽车营地。 康体养生（氧吧、森林浴、山野 Spa） 。 文化（原生态歌舞表演、郊野实景剧） 。 植物园。 湿地公园。 文化观光。 特色主题酒店 （如佛主题酒店） 。 特色风貌商业区 （特色主题餐馆、酒吧、咖啡屋、茶馆 等） 。 特色度假、商务别墅。 民俗文化园。 文化墙（诗词文化、历史和传说） 。 文化节 （观音民俗文化节、 桃花节、 桂花节） 。 -养生谷（利用吕洞宾传说） 。 特色商品。 观音文化节。 禅茶养生。 佛教学术。 高僧论坛。 佛教音乐舞蹈表演。禅修活动等心灵休闲产品。 （2）发展亮点 基于对遂宁当地文化资源的主题文化线索梳 理，运用文化整合、文化创造、文化移植的三大途 径，达到了文化效应旅游营销发展的整体大提升。 在融入文化的同时，辅以配套完善的娱活动乐主题 及个性化的服务支撑系统，创造出城市旅游开发模 式的策略模型：即旅游核心模型 “旅游=文化+ 娱乐+服务” ，达到遂宁中华养生谷旅游新区的全面 提升。 图 3 旅游核心模型 四、 结语 综上所述，文化融入策略推动了城市旅游区的 转型跨越式发展，同时创新发展了新时代背景下的 旅游营销模式，获得了旅游经济效益的全面升级。 旅游业的良性发展只有满足消费者对于独特文化体 验的多元化需求、创新文化主题、延伸和拓展产业 链、发展特色文化旅游产品主线、吸引并留住游客， 才能持久保持旅游区的活力和个性化特色。 参考文献 1邹统钎.中国旅游景区管理模式研究M.天津: 南开大学出版社,2006. 2崔凤军.城市旅游的发展与实践M.北京:中国 旅游出版社,2006. 3齐善鸿,焦彦.基于消费者购买行为规律的文化 营销阴J.消费经济,2007(04). 4张伟.文化融入策略下的城市商业街区设计研究 D.中国建筑设计研究院,2012. （作者单位：豪斯泰勒张思图德建筑设计上海 有限公司 200003） （上接第 281 页） 外加电流阴极保护法是以直流电源的负极与被 保护的钢筋相接，正极与难溶性辅助电极相接，提 供保护电流，控制钢筋维持一定的电位而不发生腐 蚀。该方法适用于水、土壤或暴露于大气中的钢筋 混凝土结构。 （4）使用钢筋阻锈剂 阻止或延缓混凝土中钢筋腐蚀的缓蚀剂称为阻 锈剂。在混凝土拌合时掺入缓蚀剂，也是预防在恶 劣环境中钢筋发生腐蚀的有效补充措施。与混凝土 减水剂等其它外加剂的作用机理不同，阻锈剂是通 过抑制钢筋界面发生阳极或阴极反应，继而达到保 护钢筋的目的。 五、 结语 钢筋腐蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的主导 因素，该问题是世界土木工程界研究的重点和难点 问题之一。现在我国正处在经济快速发展的时期， 大型工程的建设速度和建设规模不断增大，诸如跨 江海大桥、跨江海隧道、城市轨道交通工程、高速 铁路工程之类的重特大工程不断出现，钢筋混凝土 作为使用最广泛的结构材料，其质量尤其要得到重 视。其耐久性是决定工程使用寿