钢筋混凝土中钢筋抗锈蚀的研究

课题名称：钢筋混凝土中钢筋抗锈蚀的研究摘要钢筋混凝土是一种在混凝土中加入钢制或纤维材料，通过与混凝土混合使用，起到改善混凝土力学性质的组合型材料；混合后的材料很好地结合了前者的抗拉性能和后者的抗压性能等优势，且两者拥有着特别相近的温度线膨胀系数，成为现代建筑领域重要的原材料之一，与其它建筑材料相比，具有取材便捷、成型快、强度高、耐久性长等优点。但混合材料中钢筋的锈蚀问题，直接影响到此类建筑的耐久性，如何防止钢筋的锈蚀，成为影响建筑耐久性的重要因素。本文研究探索了钢筋混凝土中钢筋锈蚀的原因、原理及危害，并提出在实际操作中可以采取的预防措施，极力避免锈蚀的发生，显著提升材料耐久性，从而提高工程整体质量，避免给人民群众和国家造成较大的危害和损失。关键词:钢筋混凝土;钢筋锈蚀;耐久性目录一、引言1二、钢筋混凝土中钢筋锈蚀的原因1（一）施工质量造成的影1（二）环境的影响1（三）混凝土材料的影响11.水泥...12.海砂23.掺合料、外加剂24.设计规范的影响2三、钢筋混凝土中钢筋锈蚀的原理2（一）钢筋的电化学反应2（二）混凝土的碳化2（三）氯离子的侵蚀

3四、钢筋混凝土中钢筋锈蚀的后果3（一）导致钢筋承载能力下降3（二）导致钢筋和混凝土间“握裹力”降低3（三）导致混凝土开裂3五、钢筋混凝土中钢筋抗锈蚀的方法3（一）提高施工质量4（二）对抗环境影响41.使用防水膜42.钢筋的阴极保护43.使用防腐涂料4（三）混凝土材料的慎重选择51.水泥的选择52.钢筋的选择53.外加剂的选5（四）严格遵循设计规范5参考文献6一、引言钢筋混凝土的发明者是一位法国园林师，他是偶然间受到土壤中相互交叉成网状结构的植物根系的联想才发明了此类混合物。现如今钢筋混凝土已建筑材料的“主力军”，在世界各项建筑领域中得到广泛的应用，在建筑材料领域里有着不可替代的地位。钢筋混凝土通过混合物之间的“握裹力”较好地结合着钢筋的抗拉性能和混凝土的抗压性能优势，且物理性能稳定。在实际的施工过程中，钢筋混凝土因其取材便捷、成本较低、承载力高、耐久性好等优点被人们广泛接纳。随着钢筋混凝土在建筑领域的广泛运用，如何延长其耐久性引起了业内的广泛关注，钢筋的锈蚀，是造成混凝土工程耐久性降低的主要因素之一。在工程实际中，因钢筋锈蚀造成“握裹力”降低、钢筋承载力下降、混泥土开裂等不良影响，不仅使得混凝土结构功能性丧失，还给人民群众和国家带来巨大的危害和经济损失。钢筋锈蚀问题的研究对提高混凝土耐久性意义深远。二、钢筋混凝土中钢筋锈蚀的原因（一）施工质量造成的影响工程施工质量欠佳容易引发钢筋混凝土中钢筋过早出现锈蚀不良现象，而工程施工实际中，工程施工质量受到各种现实因素的影响，波动较大。当然目前工程施工实践中也存在一些难以解决的技术问题，如混凝土本身存在的各式各样缺陷，这对于钢筋的保护特别不利。现在建设特别强调工程进度，为了满足施工工期要求，通常施工队在施工操作过程中都会通过各种方式使混凝土早强，结果最终导致混凝土的密实度得不到保证，给后期的钢筋锈蚀埋下了不可估量的隐患，从而结构的长期强度与耐久性得不到良好保障。施工质量欠佳的时候，及时做足防腐措施，也难以防止钢筋过早发生锈蚀的问题，因而规范的施工、用心的养护、良好的设计和科学的管理是工程质量的保证，这才可以有效解决钢筋过早发生锈蚀的问题。（二）环境的影响施工环境中的湿度、温度、含氧量等都不同程度的影响钢筋的锈蚀。相对湿度对钢筋的锈蚀主要有影响混凝土中氧气的扩散速度和影响混凝土的导电性两个方面。实践证明，通常情况下，钢筋发生锈蚀的速度，在相对湿度达到80%时最快。相关定律也指出，温度越高，钢筋锈蚀的越快，当温度每升高10摄氏度的时候，混凝土中钢筋发生锈蚀的速度也相应提高一倍。在饱和和永久浸水的钢筋混凝土中，氧气含量对钢筋锈蚀速度存在一定控制影响。在深海区，虽然氯离子浓度高，但氧气含量不足的时候，钢筋也不会发生锈蚀。（三）混凝土材料的影响1.水泥在钢筋上附着钝化膜是由在混凝土高碱度的环境下氧化形成的，可以保护钢筋不发生锈蚀。通过限制或失去高碱度，都会促使钢筋发生锈蚀，从而削弱混凝土的耐久性。水泥水化后的产物直接影响混凝土碱度。当钾、钠离子含量高时，“碱集料反应”就会发生，其生成物会破坏混凝土结构，从而导致钢筋发生锈蚀。因此限制钾、钠离子含量有重要意义。但是认为“水泥碱度越低越好”也是错误的。在实际操作中，应避免“碱集料反应”，同时长期保持混凝土的高碱度，从而保护钢筋，提高混凝土耐久度。2.海砂由于海砂中含有不等量的氯离子，会促进钢筋的锈蚀过程。因此，我国相关建筑规范中严格限制或不推荐在混凝土中参入海砂。但从另外一个角度而言，海砂也是许多地方建设过程中可利用的资源之一，需要同时采取防氯离子腐蚀的技术措施来扬长避短。3.掺合料、外加剂各种掺合料，如矿渣、粉煤灰等，不仅改善水泥性能，同时也降低了成本。但是一些掺合料的使用会导致混凝土的碱度和碱储量降低，对保护钢筋特别不利，甚至会引起钢筋锈蚀。在掺合料的使用过程中，应同时考虑其对混凝土和钢筋的作用。早强、防冻剂含有氯盐，会给混凝土带来严重的钢筋锈蚀问题。外加剂中的硫酸盐同样也会刺激钢筋的锈蚀。在我国，因为不当使用外加剂导致钢筋锈蚀和混凝土耐久性降低的现象已经屡见不鲜。（四）设计规范的影响我国的相关设计规范里，作为检验钢筋混凝土主要甚至是唯一的标准经常是用“混凝土抗压强度”，忽略了混凝土对钢筋的还需要有保护能力。混凝土面层对钢筋的保护，主要体现在混凝土的“密实度”和混凝土保护层的厚度。但是在工程实际实施过程中，“抗压强度”和“密实度”并不是同等重要的关系，甚至有时还会忽略对钢筋的保护。三、钢筋混凝土中钢筋锈蚀的原理（一）钢筋的电化学反应混凝土中钢筋的电化学腐蚀即产生了锈蚀。在钢筋表面进行的一系列化学腐蚀过程须具备以下条件：（1）钢筋表面存在电位差；（2）组成原电池的电解质溶液的电阻较小；（3）在阳极区钢筋表面是活化状态，可以发生电离的阳极反应；（4）在阳极区钢筋表面上的电解质有足够多的氧化剂，可以进行还原阴极反应。研究表明，长期保持混凝土的高碱度对保护钢筋和提高混凝土构筑物的耐久性有着极为重要的意义。在对混凝土钢筋锈蚀的研究中发现，当混凝土酸碱度小于9.88时，钢筋表面的氧化物不稳定，无法对钢筋起到保护作用。当酸碱度在9.88和11.5之间，钢筋表面的氧化膜不完整，不能完全避免钢筋的锈蚀。只有当酸碱度大于11.5的时候，钢筋才能完全处于钝化状态。[1]（二）混凝土的碳化混凝土的碳化,即中性化是混凝土中常见的化学腐蚀，是混凝土长期暴露在空气中，CO2分子逐步渗透到混凝土内部，与其中的碱性物质发生化学反应，成碳酸盐和水，造成混凝土碱度降低，其化学反应式为：Ca（OH）2+CO2=CaCO3+H2O。水泥在水化过程中生成大量的氢氧化钙，使混凝土中到处充满了饱和氢氧化钙溶液，这时候钢筋表面生成难溶的氧化铁红和氧化铁黑，即钢筋的钝化，对钢筋有良好的保护作用。混凝土的碳化大大降低了混凝土的碱度，当超过混凝土的保护层时，在水与空气共同作用下，混凝土对钢筋的保护作用就会丧失，钢筋就会发生锈蚀。综上所述，混凝土碳化虽然不会直接劣化其性能，对于素混凝土来说，碳化可以提高混凝土耐久性，但对于钢筋混凝土来说，碳化在降低混凝土的碱度同时，增加了混凝土结构孔隙中的氢离子含量，持续削弱混凝土对钢筋的保护作用。（三）氯离子的侵蚀

水泥水化过程中生成的，充满了混凝土各个孔隙中，其酸碱度大于12，钢筋在这样的环境中，其表面能生成一层稳定致密的氧化铁黑和氧化铁红，即钝化膜，使钢筋难以发生锈蚀问题。但如果混凝土中存在氯离子和氢氧根的摩尔比大于0.6时，即使酸碱度大于12，钢筋即使发生钝化，也可能因被破坏而遭受锈蚀，这是因为氯离子在特定条件下可以穿透或激活钢筋表面的钝化膜，从而为电化学腐蚀创造条件。当氯离子穿透或活化氧化物钝化膜，会使钢筋各部位形成局部电池，发生电化学反应：，很容易进入溶液发生电离：，于是溶液中的

和结合成；又在水中的氧作用溶解生成即：进而发生腐蚀。而氯离子在整个过程中，仅仅起到类似催化剂的作用，循环反复地促使铁的阳极氧化过程而自身却不发生消耗。所以氯离子在钢筋的锈蚀中的作用一旦激活，就会持续地发生下去，危害巨大。同时，氯离子会造成钢筋表面局部酸化，碱度降低，加速铁的阳极氧化；当钢筋内部受应力或外界电流作用时，氯离子将加剧这一过程。氯盐在混凝土的养护当中是一类危害性较大的物质，当氯离子渗透到钢筋上时，就会破坏钢筋表面的钝化膜，钢筋将被逐步腐蚀[2]。四、钢筋混凝土中钢筋锈蚀的后果钢筋混凝土中钢筋锈蚀的后果如下：（一）导致钢筋承载能力下降钢筋锈蚀的产物呈现蓬松状态，承载力丧失，从而使钢筋实际的有效荷载和承载面积降低。（二）导致钢筋和混凝土间“握裹力”降低在钢筋发生锈蚀的时候，钢筋与混泥土之间的“握裹力”会发生变化。在发生钢筋锈蚀初期，混凝土和钢筋之间的“握裹力”会随着锈蚀量的增加而有所提高，但当锈蚀到一定程度，混凝土表面因应力产生了顺筋裂缝的时候，“握裹力”就会随着锈蚀量的增加而明显下降，直至丧失，造成钢筋和混凝土力学性能改变，失去原有作用；该情况下，混凝土会发生滑落。当混凝土对钢筋的“握裹力”下降到临界时，滑落现象开始出现[3]。在荷载的长期作用下，构件之间的滑移逐步增大，产生变形，严重的将造成结构的局部或整体失效。（三）导致混凝土开裂虽然钢筋混凝土具有较强的抗压能力，但是钢筋混凝土具有一个容易发生裂缝缺陷[4]。钢筋发生锈蚀之后，体积会发生膨胀，根据产生的锈蚀产物不同，可膨胀2倍到4倍不等，会向四周膨胀，从而产生锈胀力，使得混凝土沿着钢筋产生顺筋纵向裂缝。通常情况下，当混凝土内部钢筋锈蚀达到1%时，其表面就会产生顺筋裂缝。当钢筋混凝土出现锈胀纵向裂缝后，与外界的接触面积增大，会加速钢筋锈蚀，加剧体积膨胀，严重时保护层将脱离。五、钢筋混凝土中钢筋抗锈蚀的方法钢筋锈蚀引发诸多的不良影响，目前确定了混凝土内部钢筋锈蚀发生的主要原因和相关原理，虽然仍存在很多技术上无法解决的难题，工程实际操作过程中，可以结合上文提及的钢筋发生锈蚀的原因，通过提高施工质量、对抗环境影响、混凝土材料的选择和严格遵守设计规范等方法实现钢筋抗锈蚀的目的。（一）提高施工质量在工程实际操作过程中，在配筋、混凝土配合比、支模、浇筑、振捣和养护等环节，尽量避免混凝土产生不必要的裂缝，特别是防止形成沿着钢筋长度方向的裂缝（一旦产生此类型裂缝，应立即采取措施）。浇筑过程中，要控制振捣棒的插入、拨出速度，插入速度快，拨出速度稍微慢，防止混凝土内部出现空洞和蜂窝麻面。要求充分振捣至混凝土表面出现一层水泥浆为止，同时应按要求做好养护。严格控制水灰比。在施工中，为了缩短工期，经常会通过增加用水量来减少混凝土搅拌时间，这样一来水灰比就会增大，容易造成运输过程中和浇筑过程中水泥浆的流失，破坏了混凝土的配合比，降低了混凝土的强度。由于水灰比的加大，使得混凝土在凝固过程中收缩量增大，由此产生了裂缝增多。所以严格控制水灰比有重要意义。适当的水灰比，可以提升混凝土密实度，能很好地阻止酸性物质、水和其他不利因素渗透进入混凝土中，降低钢筋锈蚀和混凝土开裂破坏的可能。在绑扎钢筋和支模浇筑混凝土等工序中，要确保钢筋有足够的保护层厚度，这是对在混凝土中的钢筋起到较好的防护作用。为此，在箍筋尺寸、模板截面尺寸、轴线尺寸方面要把握好，保证混凝土浇筑振捣过程中不发生漏浆和跑模。（二）对抗环境影响1.使用防水膜防水膜可以阻止氯化物渗透，但是防水膜的运用极易受到天气或者施工影响造成破坏，使得防水膜很难起到保护作用。2.钢筋的阴极保护阴极保护法根据采用的方法不同，分为外加电流法和牺牲阳极法。其中，外加电流法是将需要保护的材料作为原电池反应的阴极，通过外加直流电源和辅助阳极，通过向阴极补充大量电子，使被保护金属结构电位低于周围环境，无法形成电流，从而防止了被保护材料的腐蚀。牺牲阳极法是将还原性更强（电位更负）的金属作为保护极，当发生原电池反应时，其作为负极，被氧化反应消耗，被保护的金属材料作为正极可避免遭受腐蚀，但牺牲阳极法使用限制较多，仅在特定情况下使用。3.使用防腐涂料通过使用防腐涂料，在材料表面形成屏蔽阻隔层，隔绝离子通行，阻断锈蚀发生的条件，按涂抹部位可分为混凝土外表面涂层和钢筋表面涂层。混凝土外表面涂层根据作用效果，可分为聚合物改性砂浆、渗透型涂层和表面涂料等几种类型。聚合物改性砂浆具有各类抗外力优点，主要充当混凝土外表面的缓冲层。渗透型涂层经涂覆后，可由混凝土表面深入其内部一定范围，与混凝土内部物质分子起化学反应，填堵混凝土内部孔隙，或聚合成连续性憎水膜，形成特殊的保护层。表面涂料通常都具有抗氧化、防紫外线及红外线等功能，但具有一定使用条件。

钢筋表面涂层根据工艺和材质的不同，可分为镀锌钢筋、包铜钢筋、合金钢钢筋、不锈钢钢筋和环氧树脂涂层等几类。其中，环氧树脂涂层运用最为广泛。（三）混凝土材料的慎重选择1.水泥的选择有选择性的使用水泥类型，少用或不用普通硅酸盐水泥、低碱水泥，同时使用高性能的混凝土，参入优质I、II级粉煤灰和低碱外加剂。首先，当优质I、II级粉煤灰细度达到600m/kg，且颗粒规整成圆形时，可与水泥形成良好的物理级配，大幅度提高混凝土的密实度；其次，粉煤灰与水泥水化物反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，可降低混凝土的碱度，较大程度的改善混凝土的孔结构和骨料界面结构，从而改善混凝土的密实性[5]。2.钢筋的选择钢筋混凝土中的钢筋可以采用不锈钢等特种钢筋制成，但由于性价比较低，成本过高，在实际实践中很难运用推广。3.外加剂的选择加入有机缓蚀剂，含氮类化合物缓绣剂主要运用在碳钢的防护，可以在其表面形成一种单分子保护膜，分子的极性基团会在钢材表面与铁生形成配位键。与此同时，缓绣剂之间也存在相互作用，在耐酸、抗氯离子、抗硫化氢等有突出的作用。钢筋阻锈剂应用于混凝土中防止或者延缓钢筋锈蚀的速度，按化学成分分为无机阻锈剂和有机阻锈剂；按其作用的机理，可分为吸附性阻锈剂、沉淀型阻锈剂和氧化膜阻锈剂；按照在混凝土中应用方式，可分为渗入型阻锈剂和迁移性阻锈剂[6]。（四）严格遵循设计规范在配筋、混凝土配合比、支模、浇筑、振捣和养护等环节