混凝土中鋼筋腐蝕與防護(hù)

混凝土中鋼筋腐蝕與防護(hù)引言混凝土中鋼筋銹蝕已成為世界關(guān)注的大問題，被認(rèn)為是當(dāng)今影響

混凝

土結(jié)構(gòu)耐久性的首要原因。鋼筋銹蝕已經(jīng)或正在給國民經(jīng)濟(jì)帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失?；诖?，美

國總結(jié)正反兩個(gè)方面的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，提出了“立足前期措施，著眼長遠(yuǎn)效益”，并強(qiáng)行實(shí)施基

建工程管理中的“全壽命經(jīng)濟(jì)分析法”(LCCA)。目前，我國正處于基本建設(shè)高潮時(shí)期，國內(nèi)

外的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)應(yīng)認(rèn)真吸取，這已不是單純技術(shù)問題。鋼筋腐蝕危害與對(duì)混凝土的破壞作用1、鋼筋銹蝕危害與經(jīng)濟(jì)損失

世界一些國家的腐蝕損失，平均可占國民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的2%～4%；其中，被認(rèn)為與鋼筋腐蝕有

關(guān)者可占40%(至今我國尚無確切統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù))。

美國1984年報(bào)道，僅就橋梁而言，57.5萬座鋼筋混凝土橋，一半以上出現(xiàn)鋼筋腐蝕破壞，4

0%承載力不足和必須修復(fù)與加固處理，當(dāng)年的修復(fù)費(fèi)為54億美元；1998年報(bào)道鋼筋混凝土腐

蝕

破壞的修復(fù)費(fèi)，一年要2?500億美元，其中橋梁修復(fù)費(fèi)為1?550億美元(是這些橋

初建費(fèi)用的4倍

)；還有報(bào)道說，到本世紀(jì)末，美國要花4?000億美元用于修復(fù)和重建鋼筋腐蝕破壞的

工程。

如此巨大的經(jīng)濟(jì)投入，引起美國朝野人士的震驚與高度重視，并制定法律法規(guī)，限制腐蝕破

壞的發(fā)生和挽回部分經(jīng)濟(jì)損失。加拿大早期大量使用“防冰鹽”，使鋼筋混凝土橋梁等破壞

嚴(yán)重。歐洲、英國、澳大利亞、海

灣國家等，都有以氯鹽為主的鋼筋腐蝕破壞問題(英國修復(fù)費(fèi)為每年50億英鎊)。韓國曾發(fā)生

一系列建筑物破壞、倒塌事件，其中也與“鹽害”有關(guān)。我國臺(tái)灣重修澎湖大橋和不斷發(fā)生

的“海砂屋”事件，也是氯鹽腐蝕鋼筋所造成的。

混凝土耐久性已是當(dāng)今世界的重大問題，在第二屆國際混凝土耐久性會(huì)議上，梅塔教授指出

：“當(dāng)今世界混凝土破壞原因，按遞減順序是：鋼筋銹蝕、凍害、物理化學(xué)作用”。他明確

將“鋼筋銹蝕”排在影響混凝土耐久性因素的首位。而來自海洋環(huán)境和使用“防冰鹽”中

的氯鹽，又是造成鋼筋銹蝕的主要原因。當(dāng)然，混凝土中性化、凍融等也促進(jìn)鋼筋腐蝕破壞

。此外，“堿集料反應(yīng)”也在鋼筋混凝土破壞中占一定的比例(本文暫不討論)。

我國海港碼頭不能耐久，北方使用化冰鹽，橋梁道路遭破壞。以北京立交橋?yàn)槔?，僅使用19

年的西直門立交橋(已重修)，鋼筋銹蝕破壞十分明顯與嚴(yán)重。我國存在著廣泛的腐蝕環(huán)境，

北方地區(qū)使用化冰鹽有增無減，而橋梁道路卻未采取應(yīng)有的防護(hù)措施(甚至“規(guī)范”中無防

鹽腐蝕要求)；我國海岸線很長，而大規(guī)模的基本建設(shè)大都集中于沿海地區(qū)，以往的海港碼

頭等工程，多數(shù)達(dá)不到設(shè)計(jì)壽命要求；特別是沿海一帶河砂已呈短缺現(xiàn)象，濫用海砂則其害

無

窮；我國還有廣泛的鹽堿地(石油基地)，其腐蝕條件更為苛刻；特別應(yīng)該指出的是，我國工

業(yè)

環(huán)境中的建筑物，其鋼筋銹蝕破壞十分普遍與嚴(yán)重，有調(diào)查報(bào)告表明，大多數(shù)工業(yè)建筑達(dá)

不

到設(shè)計(jì)壽命的年限，目前正在進(jìn)入大規(guī)模修復(fù)的時(shí)期。因此，我國鋼筋銹蝕破壞的形勢是嚴(yán)

峻的。

“立足前期措施、著眼長遠(yuǎn)效益”，這是美國經(jīng)過正反兩個(gè)方面的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)所得出的可貴結(jié)

論。美國正在強(qiáng)行實(shí)施基建工程管理中的“全壽命經(jīng)濟(jì)分析原因。

國內(nèi)外研究與實(shí)踐均表明，混凝土的高堿度對(duì)于保護(hù)鋼筋和保持結(jié)構(gòu)物的耐久性，都是極端

重要的。研究表明，當(dāng)pH＜9.88時(shí)，鋼筋表面的氧化物是不穩(wěn)定的，即對(duì)鋼筋沒有保護(hù)作

用；當(dāng)pH處在9.88～11.5之間時(shí)，鋼筋表面的氧化膜不完整，即不能完全保護(hù)鋼筋免受腐

蝕；只有當(dāng)pH＞11.5時(shí)，鋼筋才能完全處于鈍化狀態(tài)。因此，混凝土對(duì)鋼筋的保護(hù)作用，

與其說是物理保護(hù)作用不如說是化學(xué)保護(hù)作用，也就是說，混凝土的高堿度，是保護(hù)鋼筋不

銹蝕的最重要的條件，通常將pH＞11.5稱作保護(hù)鋼筋的“臨界值”。

應(yīng)該說明，上述“臨界值”并不是一成不變的，如當(dāng)有氯離子存在時(shí)，圖2中的“腐蝕區(qū)”

，甚至在更高的堿度下鋼筋也會(huì)腐蝕。

眾所周知，混凝土的“中性化”是引起鋼筋銹蝕的原因之一，也是影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物耐

久性的因素之一。所謂“中性化”，即是環(huán)境中的CO2、SO2、酸雨、工業(yè)酸性介質(zhì)等，

滲入混凝土中并與其含物質(zhì)堿發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這樣“中和”的結(jié)果，降低了混凝土的堿度和

含堿

的數(shù)量。若使混凝土的pH低于“臨界值”時(shí)，鋼筋便會(huì)發(fā)生腐蝕。CO2的“中和”作用通

常稱作混凝土的“碳化”。國外已出現(xiàn)使混凝土重新恢復(fù)高堿度的新技術(shù)，對(duì)于“低堿度水

泥”，若不能長期保持其pH高于“臨界值”時(shí)，需采取摻鋼筋阻銹劑等附加措施，目的都是

為了使鋼筋得到充分保護(hù)。

混凝土保持適當(dāng)?shù)母邏A度，不僅對(duì)于保護(hù)鋼筋有意義，而且對(duì)于保持水泥水化產(chǎn)物的穩(wěn)定性

也是非常重要的。表1給出了水泥水化產(chǎn)物保持穩(wěn)定最低堿度值，低于該“臨界值”時(shí)產(chǎn)物

便會(huì)分解?？梢钥闯?，當(dāng)混凝土由高堿性逐漸向中性轉(zhuǎn)移過程中，大部分水泥水化產(chǎn)物都有

分解的可能，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度的降低和喪失。

目前，我國正在努力降低水泥中的堿含量(K+、Na+)和研制、推薦使用“低堿度水泥”

，同時(shí)大力倡導(dǎo)采用各種類型的摻合料，這是很有意義和十分必要的。但同時(shí)應(yīng)該充分認(rèn)識(shí)

到，使水泥(混凝土)保持必須的堿度和堿儲(chǔ)量［Ca(OH)2］，對(duì)于防止鋼筋銹蝕、保證結(jié)

構(gòu)物的耐久性，其意義也是重大而深遠(yuǎn)的。

表1水泥水化產(chǎn)物保持穩(wěn)定所需要的最低堿度值(臨界pH值)水泥水化產(chǎn)物

臨界pH值

2CaO.SiO2.1.7H2O

11.2

6CaO.6SiO2.H2O

10.67

5CaO.6SiO2.5.510.0

2CaO.3SiO2.2.5H2O9.784CaO.Al2O3.19H2O8.15

3CaO.Al2O3.CaSO4.12H2O7.95

1.3混凝土保護(hù)鋼筋之不足

1.3.1物理保護(hù)性能之不足

混凝土是水泥為膠結(jié)材、含砂子和石子的混合物。其中，水泥水化所形成的水泥石本身就是

多孔結(jié)構(gòu)，也就是說它具有可滲透的特征。水泥水化不完全、多余水的蒸發(fā)，也不可避免會(huì)

在水泥石中形成孔隙、毛細(xì)管；水泥石和砂子、石子的界面上也會(huì)有孔隙生成。因此，水泥

石、混凝土就其物理本質(zhì)來說，即是一種多孔材料。

混凝土制作、養(yǎng)護(hù)過程中，難免產(chǎn)生微觀、宏觀裂紋，如由溫度、干縮、膨脹引起的裂紋；

使用中在內(nèi)力、外力作用下，也會(huì)有裂紋產(chǎn)生。

因此，目前大量用于建筑中的混凝土，不可能做到完全密實(shí)，環(huán)境介質(zhì)(水、氣等)還是可以

滲入其內(nèi)的。只不過存在難、易和時(shí)間長短問題。高質(zhì)量、高密實(shí)的混凝土，對(duì)于其內(nèi)鋼筋

可能提供較好的物理保護(hù)(隔離環(huán)境)，但此作用是有限的，這是混凝土的多孔性本質(zhì)所決定

的。當(dāng)然，最大限度地提高混凝土的密實(shí)性，在任何情況下都是重要的。

1.3.2混凝土堿度的易失性(化學(xué)活性)

混凝土的高堿性是保護(hù)鋼筋的必要條件，而水泥水化產(chǎn)物中，最具活性、最不穩(wěn)定的就是以

氫

氧化鈣為主的“堿”(氫氧化鈉、氫氧化鉀含量少)。在與空氣、水接觸時(shí)會(huì)起化學(xué)反應(yīng)，也

可隨水而流失?；炷痢皦A”的損失速度，取決于混凝土內(nèi)的堿儲(chǔ)量、混凝土的密實(shí)性、環(huán)

境介質(zhì)條件等。對(duì)于孔隙率高、微觀宏觀裂紋多、質(zhì)量差的混凝土，其堿度更易損失。因此

，密實(shí)的混凝土，不僅對(duì)鋼筋提供好的物理保護(hù)作用，而且由于堿度不易損失，從而能對(duì)鋼

筋提供更好的化學(xué)(電化學(xué))保護(hù)作用。

混凝土中氫氧化鈣［Ca(OH)2］的溶解度不高，通常以固體形式存在，在水泥石中起著一

定的骨架作用。然而它畢竟有一定溶解度，在無離子水中一般為1.2g/L，當(dāng)有Cl-、SO

2-4、K+、Na+等離子存在時(shí)，其溶解度會(huì)大大提高。經(jīng)常受到水浸(特別是鹽水)

而有干濕交替部位的混凝土，常見表面有“泛白”現(xiàn)象，其中就有Ca(OH)2的析出物(被碳

化成碳酸鈣)。北京一些立交橋(如西直門立交橋)，橋面板下方和接縫附近，可以見到大量

這樣的“泛白”物質(zhì)，并可見明顯的鋼筋銹蝕破壞和混凝土表層粉化現(xiàn)象，這是由于常年撒

鹽或鹽水(化冰雪)所引起的。

另外，大氣中的CO2與水泥石中的Ca(OH)2起化學(xué)反應(yīng)，生成中性鹽，即發(fā)生碳化反應(yīng)：

CO2+H2O=H2CO3

H2CO3+Ca(OH)2=CaCO3+2H2O實(shí)際上，工業(yè)大氣對(duì)混凝土的中性化作用，遠(yuǎn)大于碳化作用，尤其是污染嚴(yán)重的工業(yè)區(qū)

。目前我國存在大面積“酸雨區(qū)”，主要是工業(yè)、汽車排放出的大量SO2、NO2、NO等酸

性氣體造成的：SO2+H2O+Ca(OH)2=CaSO3+2H2O

NO2+H2O+Ca(OH)2=CaNO3+2H2O此外，工業(yè)污水、跑冒滴漏中的酸液、酸氣，可直接中和混凝土中的堿，并同時(shí)破壞水

泥石的其他組分，破壞更為迅速和嚴(yán)重。2、混凝土中鋼筋腐蝕的電化學(xué)性質(zhì)

眾所周知，構(gòu)成腐蝕電池必須具備以下基本條件：(1)要有陰極、陽極和電位差；(2)要有離

子通路(電解質(zhì))；(3)要有電子通路。鋼筋混凝土在多數(shù)情況下滿足鋼筋腐蝕的電化學(xué)條件

，同時(shí)具備腐蝕電池發(fā)展的條件。

2.1混凝土中的腐蝕電池

(1)宏電池：混凝土中形成宏觀腐蝕電池的情況是經(jīng)常存在的。不同金屬連接時(shí)可構(gòu)成“電

池偶”。圖3是不銹鋼埋件與鋼筋接觸時(shí)的示意圖。鋼與不銹鋼由于材質(zhì)不同，在混凝土(介

質(zhì))中具有不同的電極電位，二者之間存在電位差；混凝土中含有水分、潮氣和各種離子(離

子導(dǎo)電通路)；二者直接相連，構(gòu)成電子通路。這樣就具備了構(gòu)成腐蝕電池的必要條件，因

為鋼的電位較低，故作為陽極而遭受腐蝕。同一鋼筋混凝土構(gòu)件處在不同環(huán)境中，也能構(gòu)成

宏電池。如半浸在海水中的鋼筋混凝土柱子，水下與水上部分，由于氧的濃度差別很大，構(gòu)

成“濃差電池”。這正是大量海工結(jié)構(gòu)物，水線部位腐蝕嚴(yán)重的原因之一。圖3鋼筋與不銹鋼構(gòu)成“宏電池”(2)微電池：大多數(shù)情況下，混凝土中鋼筋腐蝕是微電池作用的結(jié)果。所謂“微電池”，就

是在鋼筋表面形成許許多多的微小電池(陰極與陽極)。首先，鋼筋不是單一的金屬鐵，同時(shí)

含有碳、硅、錳等合金元素和雜質(zhì)，如前所述，不同元素處在相同或不同介質(zhì)中，其電極電

位也不同，即其間存在著電位差；混凝土中的介質(zhì)(水等)構(gòu)成離子通路；鋼筋自身就是電子

通路。完全具備了腐蝕電池的必要條件，更何況混凝土中不同部位其含介質(zhì)的成分、濃度也

各有不同，鋼筋表面鈍化膜的完整性不同，堿度不同或隨時(shí)間而變化(如混凝土碳化)等，都

是形成微電池腐蝕的條件。

綜上所述，混凝土中鋼筋銹蝕，是腐蝕電池作用的結(jié)果。通常情況下是以大量微電池形式存

在的，有時(shí)也發(fā)生宏電池腐蝕。一般的電化學(xué)反應(yīng)表達(dá)式為：

陽極反應(yīng)：Fe-2e=Fe++

陰極反應(yīng)：O2+2H2O+4e→4OH-

綜合反應(yīng)：2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2(伴有電流)

通常鋼筋腐蝕產(chǎn)物是鐵的氧化物，是Fe(OH)2繼續(xù)氧化的結(jié)果?？缮?價(jià)或3價(jià)鐵的氧化

物與水化物(取決于氧的供給)。鐵銹較元素鐵體積脹大2.5～6倍(視銹的組成而定)，這是

通?；炷涟l(fā)生順鋼筋開裂的主要原因。

2.2混凝土中鋼筋腐蝕的動(dòng)力學(xué)與速度

混凝土中鋼筋在許多情況下可具備“腐蝕電池”的條件，然而“腐蝕電池”的運(yùn)作和發(fā)展，

尚需要其他條件。如建立和保持陰、陽極之間的電位差(電池的原動(dòng)力)，就是維持“腐蝕電

池”運(yùn)作的關(guān)鍵條件之一，同時(shí)，陰、陽極之間的電阻也很重要。根據(jù)歐姆定律，腐蝕電流

(腐蝕速度)可表示為：I=Vp-Va/R式中Vp——陰極電位；

Va——陽極電位；

R——陰極、陽極之間電阻。可以看出，若腐蝕電池啟動(dòng)后，陰、陽極間電位差不能保持，很快變小或變無，則腐蝕停止

；而當(dāng)陰極、陽極之間電阻很大時(shí)，腐蝕電流(速度)很小。如較干燥的混凝土中，盡管腐蝕

電池可能存在，但效率很低，鋼筋腐蝕可無大影響。

腐蝕電池的存在是腐蝕發(fā)生的必要條件，而其發(fā)展的動(dòng)力學(xué)與速度的控制因素，對(duì)于混凝土

中鋼筋腐蝕破壞作用，也是十分重要的。

(1)陽極控制?；炷恋母邏A度，使其內(nèi)鋼筋表面生成“鈍化膜”，它能阻止鐵的離子化(陽

極反應(yīng))過程。即使是陰極有足夠的氧或混凝土含有一定的水(電阻低)，只要“鈍化膜”較

完整，鋼筋腐蝕速度可以很低或可以忽略。一般條件下，多數(shù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是受陽極控制

的。由此可以看出，鋼筋表面的“鈍化膜”對(duì)保護(hù)鋼筋是非常重要。

(2)陰極控制。當(dāng)氧不足或缺乏時(shí)，陰極過程受阻，腐蝕效率取決于陰極反應(yīng)的速度。如處

在深海中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物，盡管混凝土含水率高，并有氯離子，甚至鋼筋“鈍化膜”不

夠完整，但由于深水中缺氧，其鋼筋腐蝕速度仍是低的。

(3)阻力控制。當(dāng)混凝土處在干燥環(huán)境中，或混凝土較密實(shí)(外界介質(zhì)、離子滲入較困難)，

或用外涂覆層將混凝土與環(huán)境隔離時(shí)，混凝土可具有相