混凝土中钢筋的腐蚀机理及影响因素分析

混凝土中钢筋的腐蚀机理及影响因素分析

作者：何昌亮

来源：《装饰装修天地》2018年第03期

1 前言

由于侵蚀性物质（如氯离子，二氧化碳等）对混凝土的侵蚀和混凝土碳化所引起的钢筋的腐蚀，是使混凝土钢筋结构性能劣化的主要原因。钢筋的腐蚀将导致钢筋表面钝化膜破坏，引起钢筋截面损失，钢筋与混凝土之间的粘结力减小，而且会引起混凝土保护层的破裂与脱落，严重时，将导致钢筋结构承载能力达不到规定要求，发生事故，造成巨大的人力物力损失。因此，钢筋腐蚀对于混凝土的安全性以及承载能力影响巨大，对于混凝土中钢筋的腐蚀机理研究意义重大。影响钢筋腐蚀的因素众多，主要包括空气的相对湿度，氧气浓度，环境湿度，混凝土保护层的厚度等。在阴极，阳极和电阻三种控制下，钢筋发生腐蚀。目前，关于钢筋腐蚀的研究方向主要是阴极反应或离子传输。 2 腐蚀机理

在新浇筑的建筑中，混凝土呈高碱性，PH值通常大于12.5，能保证钢筋表面钝化膜的稳定性，保护钢筋不受侵蚀性物质的腐蚀，但是氯离子和二氧化碳等侵蚀性物质的腐蚀或混凝土自身碳化会使混凝土失去对钢筋的保护作用，产生去钝化效应，使钢筋表面的钝化膜被破坏。当钢筋表面同时存在氧气和水时，就会对钢筋产生腐蚀作用。此时，去钝化的钢筋作为阳极，为氧气的还原反应提供电子，反应产物经过混凝土中的缝隙流到阳极区；钝化膜完好的钢筋作为阴极，为氧气的还原反应提供场所，阳极反应产物与阴极反应产物可以进一步发生反应，反应产物为氢氧化铁和氢氧化亚铁。反应的电化学方程式为： 阴极： O2+4e-+2H2O→4OH 阳极： Fe→Fe2++2e

在阳极区发生的二次反应的方程式为： Fe2++2OH-→Fe（OH）2

4Fe（OH）2+O2+2H2O→4Fe（OH）3 2.1 氯离子引起钢筋腐蚀的机理

氯离子的侵蚀是引起钢筋腐蚀最重要的原因之一。研究表明，氯化物的存在会提高混凝土的吸湿性，使混凝土内部离子通道增加，电阻率降低，加速钢筋腐蚀。氯离子进去混凝土的方

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式主要有以下两种：一是界环境的引入，比如海水等；二是混凝土原材料的引入，比如掺和料，拌合水等。

混凝土中的氯离子主要分有两种，分别为水溶性和酸性。水溶性的氯离子可以在混凝土中的空隙中自由移动且能在钢筋钝化膜表面累积。而酸溶性氯离子因可以与混凝土中的铝酸三钙产生结合，无法溶于水中自由移动。当钢筋表面的氯离子浓度存在一临界值，当其表面的氯离子浓度高于此值时，钢筋表面的钝化膜就会被侵蚀。若氯离子在钢筋表面均匀分布，钢筋将会发生均匀侵蚀。若氯离子聚集在钢筋表面的某一区域时，钢筋将会发生点蚀。

研究表明，自由氯离子会在钢筋表面与钝化膜结合，产生易溶于水的络合物，后与碱性物质发生反应，生成铁的水合物并将氯离子释放出来。在这个过程中，氯离子起催化剂的作用，持续参加到钝化膜的溶解过程，化学反应方程式为 Fe2++2Cl-=FeCl2

FeCl2+2OH-=Fe（OH）2+2Cl- 2.2 混凝土碳化引起钢筋腐蚀的机理

对于暴露在空气环境中的混凝土，由于混凝土内部存在无数细小的空隙，空气中的二氧化碳会随着时间的推进逐渐向混凝土的内部扩散，并溶解在混凝土中缝隙内的液体中，并形成酸性液体，进而与混凝土中的碱性物质发生反应，造成混凝土缝隙中空隙溶液PH值的下降，当其空隙液PH值低于12.5时，钢筋表面的钝化膜将会遭到破坏。除此之外，混凝土的碳化将使混凝土内的固化氯离子转化为自由氯离子，对钢筋的腐蚀起推动作用。一般来说，混凝土的碳化所引起的钢筋腐蚀形态为均匀腐蚀。 钢筋腐蚀过程的方程式为 （1）在酸性溶液条件下 CO2+H2O→2H++CO32- （2） 混凝土空隙溶液中性化

Ca（OH）2+2H++CO32-→CaCO3+2H2O 在二氧化碳充足的条件下，将发生以下反应 CaCO3+CO2+H20→Ca（HCO3）2

因为混凝土的碳化反应需要水参与，所以混凝土的水饱和度只有在一定条件下，混凝土才会发生碳化反应。但是。二氧化碳在混凝土中以气体的形式扩散，因此在混凝土中需要联通的

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空隙作为二氧化碳的扩散通道，因而完全润湿的混凝土不能为二氧化碳提供扩散通达，因此不能发生碳化。根据研究表明，当空气的相对湿度在50%至70%范围内时，混凝土的碳化速率较快。

3 钢筋腐蚀的影响因素 3.1 结构影响因素

（1）水泥的种类及活性掺和料。不同生产工艺生产出来的水泥，其成分存在很大的差异，对水泥水化产物的成分及其含量产生的影响也存在很大不同，因而对于混凝土的强度产生较大影响。其中，活性掺和料能够参与到水泥的水化过程中，降低混凝土中联通空隙的数量，阻断二氧化碳气体的传播，提高混凝土中水化硅酸钙凝胶的含量，因而混凝土的强度得到提升。

（2）混凝土碳化程度和氯离子含量。前文提到，混凝土内钢筋腐蚀的原因主要有两个，一是氯离子的侵蚀；二是混凝土的碳化。当混凝土表面的自由氯离子浓度超过临界氯离子浓度是，钢筋表面的钝化层就会被氯离子侵蚀，产生破坏。钢筋的腐蚀速度随表面氯离子含量的提高而加快，且容易发生点蚀。混凝土碳化会导致混凝土的中性化。当钢筋表面的混凝土空隙中溶液的PH值小于临界值时，钢筋的钝化膜开始遭到破坏。根据施惠生等人对氯离子含量对钢筋腐蚀速率的影响表明，随着混凝土中氯离子含量的增加，钢筋越早开始被腐蚀，且进入稳定期后的腐蚀电流密度越大。

（3）结构配筋。采用钢筋的种类和结构会对钢筋的腐蚀产生影响。在一般条件下，纵筋的腐蚀比箍筋的腐蚀要小。与普通钢筋相比，预应力钢筋的腐蚀速率要小。蒋晓静等人通过人工加速腐蚀试验，对于不同那个等级钢筋的腐蚀行为进行研究，表明钢筋的种类对其腐蚀速率有明显影响。此外，钢筋的制备工艺，成分对钢筋的腐蚀形态也有明显影响。

（4）混凝土的电阻率。混凝土的电阻率主要和混凝土原料，混凝土的水饱和程度，氯离子含量，碳化程度以及温度等因素有关。电阻率反映的是混凝土内部粒子通道的数量。钢筋的腐蚀速率随着混凝土电阻率的减小而增大。

（5）混凝土保护层的厚度。环境中的寝室物质必须经过钢筋表面的保护层到达钢筋表面才会对其产生腐蚀作用，因此钢筋的保护层越厚，寝室物质越难到达钢筋表面。因此，增加混凝土保护层的厚度可以减缓钢筋的腐蚀。施惠生等人通过统计分析的方法，对室外暴露原件的腐蚀速率进行分析，研究结果表明：原件的腐蚀速率随着保护层厚度的增加而减小。 3.2 环境影响因素

（1）环境温度。根据Arrhrnius方程，化学反应速率会虽温度的提高而增大。但由于钢筋腐蚀过程较为复杂，目前还有统一性的结论证明温度对钢筋腐蚀速率的影响。蒋小静等通过温

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度对混凝土腐蚀速率的影响的研究表明，在阳极控制的条件下，反应速率和阳极温度有关，且当温度在68℃以下时，随着温度的增加，腐蚀速率呈指数形式增加。

（2）结构荷载。结构承担的荷载将直接对裂缝宽度，钢筋的应力以及间距产生影响。Yoon等研究了裂缝宽度和钢筋腐蚀速率的关系，发现氯离子会引起裂缝处钢筋的点蚀。在一定的应力和侵蚀性物质的作用下，金属会发生应力腐蚀，引起结构的破坏。

（3空气的相对湿度。空气的相对湿度对混凝土的水饱和度产生直接影响，且混凝土的水饱和度随着空气相对湿度的增加而增大。混凝土的水饱和度也会影响混凝土电阻率的降低。其次，混凝土中氧气的扩散速率会随着空气相对湿度的增大而减小，使阴极的反应速率降低。 参考文献：

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