钢筋锈蚀原理浅谈.doc

钢筋的锈蚀机理及影响因素方 岸 林摘 要本文基于大量的研究成果，并从理论原理出发，深入地分析总结了钢筋混凝土构件中钢筋的锈蚀机理、钢筋锈蚀后的粘结性能退化机理及影响混凝土构件中钢筋锈蚀的主要因素。为以后的研究者提供理论上的参考依据。关键词：锈蚀机理 退化机理 参考依据The Corrosive Mechanisms And The InfluencingFactors Of ReinforcementAbstract:This passage basic on a lot of researches,and set out from principles,gaive an in-depth analyze and summarize that the corrosive mechanism of the reinforcements in the concrete structures,the degenerate mechanism of the bond performance after reinforcement being corrosived,and the main factors of impact reinforced corrosived.Provide theoretical reference imformetion for the fouture researchers.Key Words: corrosive mechanism ,degenerate mechanism ,reference imformetion0引言自水泥问世以来，钢筋混凝土结构在土木工程中得到了广泛的应用。然而由于施工不当、不良使用条件（如工业环境、海洋环境等）、不当使用方法（如高速路路面和桥梁桥面撒盐除冰法等），特别是由于目前环境的严重污染（如我国的酸雨强度近年来持续增强等1）等因素的影响，混凝土中钢筋的锈蚀已经成为威胁全世界混凝土结构耐久性的最主要灾害。1991年在法国召开的第二届混凝土耐久性国际学术会议上，美国加州大学Mehta教授2的主题报告“混凝土耐久性50年进展”中提出，目前钢筋锈蚀已经成为钢筋混凝土构件破坏的最主要的原因。根据有关资料报道3，日本约有21.4%的钢筋钢筋混凝土结构损坏是由于钢筋锈蚀引起的；在美国，最普遍的耐久性破坏形式为钢筋混凝土桥梁、路面以及钢结构中的钢筋锈蚀破坏，仅1998年因腐蚀造成的经济损失就达276亿美元1；近年来，我国各种因钢筋锈蚀导致的混凝土结构破坏现象也日益显著，有调查表明4，1981年通过对我国华南地区的18座海港码头、引桥的调查显示，在使用725年后，有89%出现钢筋锈蚀问题，其中几座己经不能正常使用。综上所知，对钢筋的锈蚀进行深层次的研究探讨已势在必行。一 混凝土中钢筋锈蚀的机理及特征混凝土中钢筋的锈蚀可分为自然电化学腐蚀、杂散电流腐蚀、应力腐蚀及氢脆腐蚀5。钢筋钢筋混凝土结构中所产生的腐蚀通常为电化学腐蚀，应力腐蚀和氢脆腐蚀一般只出现在预应力钢筋混凝土结构中，目前大多数的研究也主要针对电化学腐蚀。因此鉴于篇幅的原因，本文只对电化学腐蚀作介绍。11自然电化学腐蚀原理通常情况下，混凝土空隙中充满水泥水化时产生的Ca(OH)2过饱和溶液，使得混凝土具有很强的碱性，PH值一般为12.513.2。钢筋在这种强碱性环境中，表面会沉积一层致密的由Fe3O3.nH2O或Fe3O4.nH2O组成的碱性钝化膜，该膜的厚度约为(0.21)um，能使阳极反应受到抑制从而阻止钢筋锈蚀6。只要碱性环境存在，钝化膜就能自我修复7。但是当酸性物质侵入并与Ca（OH）2作用时，混凝土的PH值就会降低（可降至9以下）。当混凝土PH值降至11.5以下时，混凝土钝化膜就会遭受破坏，从而失去对钢筋的保护作用，若有空气和水分侵入时，钢筋便开始锈蚀8。使钢筋钝化膜破坏的主要因素有四点：一是有Cl离子作用破坏钢筋钝化膜；二是当无其他有害物质时,由碳化作用破坏钢筋钝化膜；三是由SO4或其它酸性介质侵入而使混凝土碱度降低而使钝化膜破坏；四是混凝土中掺入大量活性混合物材料或采用低碱度水泥，导致钝化膜破坏或根本不生成钝化膜5。其中第一个因素是主要因素。电化学腐蚀必须满足两个基本条件：一是存在两个具有不同电位值的电极；二是金属表面存在电解质液相薄膜。第一个条件是内部条件，既钝化膜遭到破坏，产生活化点；第二个条件为外部条件，既必须有水分及氧的作用，且混凝土中的相对湿度要大于60%9，当这两个条件同时存在时，则构件内部就会存在电位差，可以产生局部腐蚀电池，进而钢筋就会腐蚀。1.2电化学腐蚀中几种典型的腐蚀特征5（1）对于侵蚀性介质比较少的工业厂房（如炼钢厂房、轧钢厂房等）中，混凝土中钢筋锈蚀易发生于屋面板及柱跟处，因为这些部位构件经常处于潮湿状态，其钢筋的锈蚀都是在混凝土碳化后发生，一般混凝土表面没有保护措施，锈蚀的特征通常是在屋面板及大肋及柱角沿钢筋出现纵向裂缝。（2）对于有酸性介质侵入的厂房（如酸洗车间），未做防护处理的结构构件破坏一般由酸液引起。由于酸液侵蚀，不仅使混凝土变成酸性，结构疏松、强度降低已致消失，而且失去对钢筋的保护作用，使钢筋发生严重锈蚀。通常并不出现沿钢筋的纵向裂缝，但此时钢筋已经严重锈蚀。（3）对于湿度较大的工业(如造纸机厂房)与民用建筑（如浴室等），未做防护或防护措施不当时，使用一段时间后，钢筋通常会发生锈蚀。屋面板及楼面板中的钢筋一般较细，且处于半无限约束状态，钢筋锈蚀需要较大的膨胀位移才能使混凝土开裂。出现锈蚀的特征是混凝土的表面出现锈迹、膨胀以及表面脱落。当出现混凝土膨胀、表面脱落时，钢筋损伤已非常严重，一般截面削弱在30%65%以上，有些甚至已经锈烂、锈断。二锈蚀钢筋与混凝土的粘结性能退化机理在未考虑锈蚀因素影响时，钢筋与混凝土的粘结作用有三部分组成10：（1）混凝土中水泥胶体与钢筋表面的胶接力；（2）混凝土因收缩将钢筋紧握而产生的钢筋与混凝土间的摩擦力；（3）钢筋与混凝土间的机械咬合力对于光面钢筋，机械咬合力主要有钢筋表面凹凸不平产生的；对于变形钢筋，则主要来自钢筋表面横肋与混凝土之间的机械咬合作用。随着钢筋锈蚀量的增加，其粘结性能也在发生很大的改变，钢筋锈蚀后，其粘结机理由于锈蚀产物的影响将会发生显著改变。同时，由于光面钢筋和变形钢筋表面特性有显著的差别，因此在腐蚀后对粘结性能的影响也有很大的差别。在钢筋锈蚀的初期，由于锈蚀量很小，还不足以完全破坏钢筋与混凝土之间的胶结作用。钢筋的锈胀力也不足以使混凝土保护层开裂，因此锈蚀产物一方面使钢筋表面的粗糙度增加，从而使钢筋与混凝土之间的摩擦力增强；另一方面锈蚀产物的锈胀力使混凝土对钢筋的约束作用和使变形钢筋横肋与混凝土的机械咬合作用增强。综合以上因素可知，在锈蚀初期，钢筋与混凝土之间的粘结作用得到一定提高。但是钢筋的锈蚀产物是一层结构疏松的氧化物，会在钢筋与混凝土之间形成一层结构疏松的隔离层，其在钢筋与混凝土之间起到润滑剂的作用，减小了摩擦力。同时，当锈蚀产物达到一定量后会彻底破坏混凝土与钢筋之间的胶结作用。且钢筋的锈蚀产物比钢筋占据更大的体积（可达相应钢筋体积的24倍11），从而使包裹在钢筋周围混凝土的锈胀力急剧增大。当锈胀力达到一定值时，会引起混凝土保护层的开裂，当保护层开裂后其对钢筋的约束作用便会急剧减弱。同时，当保护层开裂甚至剥落后，又会进一步加剧钢筋的锈蚀，从而形成恶性循环。对于变形钢筋，随着锈蚀量的增加，变形肋将逐渐退化，当锈蚀严重时，变形肋与混凝土之间的机械咬合作用将基本消失。综合以上因素可知，当钢筋的锈蚀量达到一定值后对粘结性将产生有害的影响。三影响混凝土中钢筋锈蚀的因素影响钢筋锈蚀的因素有很多，如许多文献中列出了PH值、温度、Cl浓度、混凝土的电阻抗、空隙水饱和度、相对湿度、水灰比、保护层厚度、混凝土的密实度、掺合料的种类和数量等。但本文在综合研究了大量文献之后发现，实际上影响钢筋锈蚀率最直接的因素是钢筋周围的一些参数。因此，本文把钢筋锈蚀的影响因素归纳为以下几个主要因素：Cl与OH的浓度比、温度、混凝土的电阻抗、保护层厚度及完好程度。而其它的因素只间接的反应到这四大因素当中。（1）Cl与OH的浓度比在混凝土中钢筋的锈蚀机理及特征一节已经提到过，目前，Cl是引起钢筋锈蚀的最主要的因素。由于Cl半径小，活性大，一方面，极具穿透和吸附能力，极易穿透混凝土保护层和钢筋表面的钝化膜，到达钢筋表面，使难溶的Fe(OH)3转化为易溶的FeC3l，引起钢筋的坑锈；另一方面，Cl又吸附于局部钝化膜处，则在坑蚀处的铁基体与尚未完好的钝化膜形成电位差，构成腐蚀电池，促使钢筋表面大范围的锈蚀，并因Cl的存在，及时地搬运阴极产物，从而加速腐蚀电池的效率，加剧钢筋的锈蚀，致使钢筋的物理力学性能严重退化。12。混凝土中氯离子的来源主要有内掺和外掺两种：内掺主要来源于拌制过程中掺入的CaCl2等防冻剂；外掺氯离子的主要来源是海洋环境、道路除冰盐中以及工业环境中的氯离子通过混凝土的空隙溶液逐步向内渗透13。由于钢筋的活性还受PH值即OH浓度的影响（在锈蚀机理一节中已叙述，此处不再赘述），当OH浓度越大时，钝化膜的稳定性越好，破坏钝化膜所需的氯离子浓度就越大。因此，用ClOH来表征钢筋活性更为合理。很多学者认为，ClOH存在一个临界值，当ClOH小于临界值时锈蚀不会发生；反之，锈蚀就会发生。如Hausnman14提出，对Cl内掺混凝土，ClOH的临界值为0.6；Lambert等15研究后表明，对于Cl外掺混凝土ClOH的临界值为3；卫军等16考虑ClOH这一重要因素的影响，对LinT和WeyrsrRW所做的钢筋锈蚀预测模型进行修正，建立了一个新的预测模型，并同过实验证明具有较好的合理性。（2）温度温度对钢筋锈蚀的影响具有双面性：一方面，温度升高使水分蒸发加快，造成混凝土的空隙率增大，渗透性增强，从而加快了钢筋的锈蚀速率；另一方面，温度升高使水泥的水化速度加快，致密性增加，又会起到减缓钢筋锈蚀的作用。但从长期效果看，温度升高使氯离子活性增强，最终会加速钢筋的锈蚀速率16。温度对于钢筋的锈蚀速率是相当敏感的。如Tuntti17研究后表明，温度对氧气在混凝土中的渗透速度是主要的控制因素，且温度与腐蚀速度是程线性变化的，从-20。C到+20。C腐蚀速度增加了100倍，而当温度从+10。C到+20。C时，腐蚀速度提高了7倍。Schiessl和Raupach18的研究表面，当温度从+15。C到+20。C时，腐蚀速度提高了50%，并定性地得出高温高湿环境对钢筋腐蚀最为不利的结论。目前，国内外对于温度对钢筋腐蚀的影响的研究还不是很多，且各个学者之间的结论也存在较大的差异。因此，这方面还有待进一步的研究。（3）混凝土的电阻抗电阻抗是影响钢筋腐蚀的又一个重要因素，大量研究表明，无论在有无氯离子的情况下，在很大的范围内，钢筋腐蚀速率都与混凝土的电阻抗成反比。混凝土的电阻抗主要受内部毛细水的保水率、空隙盐溶盐量、温度、孔结构等因素的影响。而孔结构又反应了水泥水化程度、掺和料种类以及用量、胶凝材料用量、水灰比等因素的作用。因此，混凝土的电阻抗综合反映了混凝土自身的多种性质16。由于篇幅的原因，本文只介绍几种对电阻抗起主要作用的影响因素：空隙水饱和程度是影响混凝土电阻抗的主要因素，空隙水饱和度越大，更有利与OH的扩散，混凝土的电阻抗就越小。相反，当饱和度越小，氧气的扩散速度越慢，不利于阴极反应的进行，混凝土的电阻抗就越大。水灰比也是一个重要因素，当水灰比增大，使混凝土的孔隙率增大，密实度降低，从而降低了混凝土的电阻抗。此外，混凝土的自然养护龄期也是一个重要因素，自然养护龄期越长，水泥水化程度越高，则混凝土的密实度越高，则电阻抗就越大，钢筋的腐蚀速率就越慢。（4）混凝土保护层厚度和完好程度混凝土对钢筋的保护作用可概括为两个方面：一是混凝土的高碱性使钢筋的表面形成钝化膜；二是保护层对外界腐蚀介质、氧化剂及水分等的渗入的阻止作用。后一种作用主要取决于混凝土的密实程度、保护层厚度及完好程度钢筋锈蚀对混凝土耐久性的影响及预防措施。因此，保护层厚度对钢筋锈蚀的影响很明显。同时，保护层的完好性（指是否开裂、有无蜂窝和空洞等）对钢筋锈蚀的影响也很大，特别是对处于潮湿环境及腐蚀介质中的钢筋混凝土结构影响更大。实际调查显示，在潮湿环境中使用的钢筋混凝土构件，裂缝宽度达到0.2mm时，既可引起钢筋的锈蚀。因此，为了满足钢筋不腐蚀的要求，必须保证混凝土保护层具有一定的厚度及完好性。但是，保护层厚度过大不仅会降低混凝土结构的极限抗弯能力，而且会改变重切破坏斜界面角度，降低混凝土的极限抗重切能力。因此，在设计时应综合考虑这两方面的因素。四展望目前，钢筋锈蚀问题已经引起了国内外专家学者的高度重视，通过许多学者的努力，取得的相当大的进展。但由于钢筋修后情况相当的复杂，很难建立精确的计算模型。因此，还有不少问题急需解决。就分析方法而言：到目前为止，受腐蚀混凝土、受腐蚀钢筋、受腐蚀混凝土与钢筋的粘结性能的三个本构关系的研究还非常不完善。而这三大关系是钢筋混凝土结构中钢筋腐蚀后进行力学分析的基础，因这三大关系的不明确，导致了受腐蚀钢筋缺乏系统的理论基础1。因此这方面有待深入的探讨。就试验方法而言：目前国内外用于试验的锈蚀钢筋大都通过实验室快速腐蚀获得，一般是采用施加恒定电流密度的方法；使用这种方法所获得的锈蚀一般为均匀锈蚀，而实际环境中钢筋的锈蚀并非是均匀锈蚀，而是不断变化着的非均匀锈蚀，因此就目前的实验方法来看，很难很难真实模拟钢筋锈蚀情况，所以说在实验方法上也有待进一步的探讨研究。参考文献1.张英姿.受腐蚀钢筋混凝土材料及其粘结性能耐久性研究(博士论文).大连海事大学.2009.2.P.K.Mehta.Durability 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