混凝土中钢筋的腐蚀的分析介绍

1.钢筋腐蚀破坏机理

铁锈实际是钢铁材料发生了电化学腐蚀反应所生成的腐蚀产物。铁锈的产生是由于在钢铁材料表面局部出现了化学电位的不同，出现了阴极、阳极和电解质。钢铁材料表面电位不同是由于其成分与组织的不同、杂质的出现、不平衡内应力和腐蚀的环境等因素造成的。

在电解质存在的情况下时，钢铁材料表面电位的不同将导致腐蚀原电池的产生，它由微小的阳极和阴极组成。由于电池中的电位不同，带负电的电子从阳极流向阴极，阳极区域的铁原子转变成带正电的铁离子。阳极吸引的带正电铁离子（Fe²+）与电解质中带负电的氢氧根离子发生反应，从而导致了铁锈的产生。带负电的电子在阴极表面与电解质中带正电的氢离子反应形成氢气。腐蚀原电池中的化学反应如图4-6所示。

图4-6 腐蚀原电池中的化学反应

对于混凝土中的钢筋，由于混凝土中高碱性溶液的存在（pH值一般为12～14），结合铁-H₂O系电位-pH图（见图4-7）可知，钢筋在这种环境下表面会形成一层致密的水化氧化铁（γ-Fe₂O₃·2H₂O）薄膜，起到防止钢筋进一步腐蚀的保护作用，钢筋处于惰性状态。通常钢筋表面保护性薄膜破坏有两种原因：①因混凝土碳化而引起钢筋混凝土保护层的碱度降低（pH值可降至9以下），当混凝土pH值低于11.5时，钢筋表面的钝化薄膜就会受到破坏；②由于氯离子和氧的扩散侵蚀而破坏钝化薄膜，钝化薄膜的破坏，失去了对钢筋的保护作用。若有空气（指其中的氧气）和水分侵入，钢筋便开始发生腐蚀。腐蚀的机理是发生吸氧性电化学腐蚀，阳极反应为Fe→Fe²⁺+2e，阴极反应为H₂O+1/2O₂+2e→2OH-。电化学腐蚀必须具备两个基本条件：存在两个电势不等的电极；金属表面存在必要的电解质液相薄膜。一般来说，由于钢筋成分不均匀或氧气含量的差异，第一个条件总是能够满足的；第二个条件则要求混凝土中腐蚀的相对湿度大于60%。因此，潮湿或水溶液环境下的混凝土钢筋容易发生腐蚀。

图4-7 铁-H₂O系电位-pH图

1—表示H+和H₂平衡关系 2—表示O₂和H₂O之间平衡关系

混凝土中的钢筋发生腐蚀，会引起混凝土的破碎，图4-8所示为混凝土的破碎过程。由于钢筋发生了腐蚀，在其表面将产生氧化铁（红锈），腐蚀后钢筋（表面覆着红锈）的体积为原钢筋体积的6～10倍，造成钢筋周围体积的增加，从而使在混凝土周围产生分裂性的拉应力。当这种拉应力超过了混凝土的抗拉强度时，混凝土就会产生裂纹，裂纹产生的同时又会进一步加剧钢筋的腐蚀。与受载荷而产生的横向裂纹不同，腐蚀裂纹通常平行于钢筋。随着腐蚀的进行，纵向裂纹变宽，与横向的结构裂纹一起，最终导致了混凝土的破碎。

2.钢筋腐蚀的影响因素

影响钢筋腐蚀的因素很多。在一般大气条件下，影响钢筋腐蚀的主要因素有氯离子，混凝土碳化，环境条件（温度、湿度、含量等），混凝土渗透性和保护层厚度，钢筋位置与直径等。混凝土的渗透性与其强度、孔隙率、裂缝宽度及密度有关。

图4-8 混凝土的破碎过程

（1）氯离子的影响 氯离子能够加速钢筋的锈蚀，这已在大量工程实践中得到证实。氯离子的腐蚀作用机理如下所述。

1）破坏钝化膜。水泥水化的高碱性（pH值≥12.5），使钢筋表面产生一层致密的钝化膜。最新研究表明，该钝化膜中包含有Si—O键，对钢筋有很强的保护能力。然而钝化膜只有在高碱性环境中才是稳定的。研究与实践表明，当pH值<11.5时，钝化膜就开始不稳定（临界值）；当pH值<9.88时，钝化膜生成困难或已经生成的钝化膜逐渐破坏。Cl-进入混凝土中并到达钢筋表面，当它吸附于局部钝化膜处时，可使该处的pH值迅速降低到4以下，于是该处的钝化膜被破坏。(www.xing528.com)

2）形成“腐蚀电池”。Cl-对钢筋表面钝化膜的破坏首先发生在局部（点），使这些部位（点）露出了钢基体，与尚完好的钝化膜区域之间构成电位差（作为电解质，混凝土内一般有水或潮气存在）。钢基体作为阳极而受腐蚀，大面积的钝化膜区作为阴极。腐蚀电池作用的结果是，钢筋表面产生点蚀（坑蚀）。由于大阴极（钝化膜区）对应于小阳极（钝化膜破坏点），坑蚀发展十分迅速。这就是Cl-使钢筋表面产生“坑蚀”为主的原因所在。

3）Cl-的去极化作用。阳极反应过程是Fe→Fe²++2e，如果生成的Fe²+不能及时“搬运走”而积累于阳极表面，则阳极反应就会因此而受阻；Cl-与Fe²+相遇会生成FeCl₂，从而加速阳极过程。通常把加速阳极的过程，称作阳极去极化作用，Cl-正是发挥了阳极去极化作用的功能。应该说明的是，FeCl2是可溶的，在向混凝土内扩散时遇到OH-，立即生成Fe（OH）2（沉淀），又进一步氧化成铁的氧化物（通常的铁锈）。由此可见，Cl-只是起到了“搬运”作用，它不被“消耗”。也就是说，凡是进入混凝土中的Cl-，会周而复始地起破坏作用，这正是氯盐危害的特点之一。

4）Cl-的导电作用。腐蚀电池的要素之一是要有离子通路。混凝土中Cl-的存在，强化了离子通路，降低了阴极、阳极之间的电阻，提高了腐蚀电池的效率，从而加速了电化学腐蚀过程。氯盐中的阳离子（Na+、Ca2+等）也降低阴阳极之间的欧姆电阻。

研究表明，钢筋的腐蚀速度与Cl-含量呈线性关系。Cl-引起的钢筋腐蚀包括四个阶段：腐蚀诱导阶段、腐蚀开展阶段、腐蚀加速阶段和裸露腐蚀阶段（见图4-9）。

图4-9 混凝土中Cl-侵蚀引起钢筋腐蚀速度变化

此外，混凝土中Cl-的来源主要有两个：①配制混凝土时由原材料带入的Cl^-（外加剂和海水等）；②从外界环境渗透到混凝土中的Cl-（除冰盐、海洋环境等）。原材料带入的Cl-大部分被水泥浆体吸附以结合Cl-的形式存在，对钢筋的腐蚀影响不大，在混凝土中加入少量氯外加剂是允许的。外界环境中的Cl-通过混凝土保护层到达混凝土—钢筋界面并逐渐积聚，使钢筋表面孔溶液中的Cl-含量逐渐增大，最终达到临界含量，致使钢筋开始腐蚀。

Cl-通过毛细吸附和扩散作用，穿透混凝土保护层到达钢筋表面。当钢筋表面溶液中的Cl-含量达到某临界值时，钢筋转入活化状态，开始腐蚀。随着腐蚀产物的增加，腐蚀产物体积膨胀，作用于周围混凝土，裂缝开始出现，钢筋的腐蚀速度明显加快，直到混凝土裂缝达到0.1～0.5mm。但在保护层剥落以至钢筋完全裸露，失去微电池腐蚀条件时，钢筋腐蚀速度反而会有所降低。这种由Cl-侵蚀引起的混凝土开裂和钢筋增强作用的失效，在海上（特别是气温较高的海洋）工程结构中非常严重。

（2）混凝土碳化的影响 混凝土与大气中的CO₂接触时，其中水化物可以与CO₂反应生成碳酸盐而降低混凝土的原始碱度，这种作用称为混凝土的碳酸盐化，简称碳化。反应方程式为

Ca（OH）₂+CO₂→CaCO₃↓+H₂O（4-13）

碳化作用是通过破坏混凝土保护层而使钢筋发生腐蚀的。碳化作用不但可以降低混凝土上的原始碱度，而且还会导致混凝土粉化，使之失效，失去其对钢筋的保护作用。同时碳化作用使更多的自由氯离子，从只有在高值才稳定的氯化铝酸盐中释放出来，使得孔隙溶液中氯离子含量增加，这种影响已被Tuutti证实。这样就使得钢筋腐蚀速度增加，并在氯化物较少量时就发生腐蚀。

CO₂主要是通过扩散过程进入混凝土并使之碳化的，同时CO₂扩散也受温度的影响，随着温度升高，扩散加快。

（3）环境条件的影响 环境因素对钢筋腐蚀也有很重要的影响。Arrhenius定律指出，温度每升高10℃，腐蚀反应速度增加1倍；同时，较高的温度也大大缩短了钢筋的脱钝时间（30℃比10℃缩短66%）。相对湿度对混凝土中钢筋的腐蚀有双重作用：一方面影响混凝土中氧气的扩散速度，另一方面影响混凝土的电导性。因此，存在一个钢筋腐蚀速度最快的相对湿度。在不含氯离子的环境中，相对湿度约在80%时钢筋腐蚀最快；而在含氯离子的环境中，相对湿度约在65%时钢筋腐蚀最快。在大气中氧气的供给对钢筋的腐蚀速度的影响无限制作用。而在深海区，即使氯离子大量存在，但由于缺乏氧气，钢筋也不会腐蚀。

（4）其他因素的影响 一般来说，由于暴露程度较大，角部钢筋的腐蚀速度为中间钢筋的1.3～1.5倍。混凝土的渗透性能与钢筋腐蚀速度有直接关系。研究表明，裂缝分布越密，混凝土水灰比越大，养护时间就越短，强度越低，裂缝宽度越大，混凝土渗透性越好，钢筋腐蚀越快。采用矿渣水泥的混凝土中的钢筋腐蚀速度为普通水泥的1.7～1.9倍。关于粉煤灰对钢筋腐蚀的影响，研究认为，混凝土中粉煤灰掺量小于30%（质量分数）时，对钢筋腐蚀无不利影响，甚至是有利的；但掺量超过45%（质量分数）时，往往由于非粉煤灰自身的原因（水灰比、粉煤灰质量、养护质量等因素）而加速钢筋的锈蚀。

总之，混凝土碳化和氯离子侵蚀是影响钢筋腐蚀的两个最主要的因素。