鋼筋混凝土耐久性劣化模式及對策分析
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摘要：鋼筋混凝土耐久性問題是近年來國內外研究的熱點話題，主要集中在腐蝕機理、評價手段、防腐方法等幾個方面。本文結合國內外關于混凝土耐久性設計資料，分析了混凝土結構腐蝕現(xiàn)狀以及環(huán)境特點，提出根據鋼筋混凝土結構部位不同、腐蝕機理不同的特點，應用基于耐久性劣化模式的防腐蝕措施。
關鍵詞：耐久性 ；劣化模式；防腐蝕措施
混凝土結構的腐蝕問題屬于耐久性問題的范疇，通常是指環(huán)境中某些物質對混凝土結構進行侵蝕，促使結構功能劣化的過程。對于水泥混凝土結構物來說，環(huán)境中的氧、氯鹽、硫酸鹽、鎂鹽，以及酸類物質都是腐蝕性物質，但是腐蝕方式互不相同，最終的腐蝕表現(xiàn)形式也互不一樣。
一、影響混凝土耐久性的劣化模式
（一）溶解氧腐蝕模式
1、碳化過程
通常情況下水泥混凝土具有保護鋼筋不被腐蝕的能力，因為硬化的水泥混凝土是高堿性物質，PH值＞11.5，在這種環(huán)境下，鋼筋表面存在一層穩(wěn)定而致密的鈍化膜。鈍化膜對腐蝕性的介質具有有效的隔離作用，能使鋼筋得到有效的保護。但是當外界因素使混凝土的PH值＜11.5時，鈍化膜就開始不穩(wěn)定，當PH值小于9.88時，鈍化膜生成困難或已經生成的鈍化膜 開始逐漸破壞即“脫鈍”，致使鐵基體裸露，從而逐漸失去對鋼筋的保護作用。
碳化的過程就是空氣中CO2溶解于水中后進入混凝土內部，消耗水泥水化產物Ca(OH)2生成碳酸鈣的過程。由于Ca(OH)2的持續(xù)消耗，混凝土的PH值持續(xù)下降，到了一定的程度將引起鋼筋的脫鈍。
碳化的速度取決于混凝土結構保護層的厚度、混凝土的抗?jié)B性、混凝土的含氣量、空氣濕度、二氧化碳濃度等多種因素。一般情況下，碳化的深度和時間的平方根成正比，當環(huán)境的濕度為50%左右時混凝土的炭化速度最快，混凝土自身的抗?jié)B透性對炭化速度具有決定性的影響。
2、鋼筋表面的電池反應過程
通常情況下，鋼筋表面的電位是不均勻的，沿鋼筋長度方向具有電勢差。當保護層被完全碳化后，空氣中的氧通過溶解滲透作用達到鋼筋的鐵基體表面將形成電化學作用，誘發(fā)鋼筋銹蝕，造成破壞。這種破壞模式的反應式如下：
上式中氧化生成物Fe(OH)2的體積為原被腐蝕鐵基體體積的兩倍以上，生成后將對周圍混凝土形成很大的膨脹力，即通常所說的鋼筋銹脹作用。鋼筋銹蝕通常從局部點蝕開始，數(shù)量逐步增多并擴展，最終形成大片鋼筋銹蝕，鋼筋保護層剝落。通常情況下當環(huán)境相對濕度處于70～80%時最利于電化學反應發(fā)生。
?。ǘ┯捎诼塞}作用引起的鋼筋銹蝕破壞模式
氯鹽對鋼筋的腐蝕作用在原理上和溶解氧腐蝕有共同之處，都由鋼筋脫鈍和電化學反應兩個過程構成，但在作用的細節(jié)上卻存在較大差異，主要表現(xiàn)為：1、 Cl-加速了局部鋼筋鈍化膜的破壞速度；2、由于Cl-的參與加速了電池反應的速度。正是由于以上作用特點，在有Cl-存在的情況下，鋼筋銹蝕的速度大大加快了，并且發(fā)生了更為不利的點蝕現(xiàn)象，嚴重削弱了鋼筋的承載力和延性。所以氯鹽腐蝕作用一旦發(fā)生，其危害程度遠超過溶解氧引起的鋼筋銹蝕作用。
Fe+O2+O2H→Ｆe（OH）2
由于Cl-離子來源廣泛，以及其對鋼筋造成的銹蝕影響的嚴重性，被工程界公認為導致混凝土破壞頻率最高的因素。
（三）硫酸鹽腐蝕引起的混凝土破壞模式
硫酸鹽腐蝕混凝土的過程比較復雜，但總體上看，主要由硫酸鹽和Ca(OH)2反應生成石膏（硫酸鈣）的過程以及石膏和水化鋁酸鈣反應生成水化硫鋁酸鈣（鈣礬石）生成的過程兩部分構成，其中又包含了許多次生的過程。
混凝土發(fā)生硫酸鹽腐蝕破壞表現(xiàn)的特征為表面發(fā)白，損害從棱角處開始，隨后裂縫開展并造成混凝土表面剝落，最終使混凝土成為一種易碎，甚至松散的狀態(tài)。硫酸鹽腐蝕的速度隨其溶液的濃度增大而加快。如果混凝土處于干濕循環(huán)的狀態(tài)，將有利于生成物的溶出和反應物的滲入，配合以干縮濕脹的作用，將加劇硫酸鹽腐蝕。
?。ㄋ模﹥鋈诤望}凍作用破壞模式
凍融破壞型式是受潮混凝土在負溫條件下，由于水分結冰--融化反復作用造成的混凝土的破壞型式。混凝土受凍破壞的原理是水分結冰膨脹和相伴的由于水分遷移形成的滲透壓作用。當水分中含有鹽份時，這種破壞作用會顯著加劇。
鹽凍作用是指在負溫條件下鹽水對混凝土的凍融破壞作用。通常情況下，氯鹽對混凝土結構的腐蝕主要是通過腐蝕混凝土中的鋼筋形成的，但鹽凍作用是氯鹽對混凝土本體形成的腐蝕作用。
?。ㄎ澹A骨料反應破壞模式
堿骨料反應是混凝土原材料（主要是水泥、活性摻合料和外加劑）攜帶的可熔性堿在有水的作用下和骨料中含有的堿活性物質發(fā)生的反應。這種反應會在骨料界面，有時也可能在裂隙內，生成可吸水腫脹的凝膠或體積膨脹的晶體，使混凝土發(fā)生膨脹開裂。
一般把堿骨料反應分為兩類：一類是堿-硅酸反應，是指堿和骨料中的活性SiO2發(fā)生反應，生成堿硅凝膠，吸水腫脹導致混凝土膨脹或開裂。另一類是堿-碳酸鹽反應，是指堿與骨料中的微晶白云石反應生成水鎂石和方解石晶體，使骨料膨脹，進而使混凝土膨脹開裂。
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二、鋼筋混凝土防腐對策
?。ㄒ唬┰黾愉摻罨炷帘Ｗo層的厚度
針對溶解氧腐蝕和氯鹽腐蝕，增加鋼筋的保護層厚度顯然是非常有效的。一般情況下，炭化的深度、氯離子滲透的深度和時間的平方根成正比，所以增加保護層的厚度將大大延長鋼筋脫鈍和氯離子滲透至鋼筋表面的時間。
（二）使用混凝土外涂覆層
外涂覆層有水泥基涂層（如水泥砂漿層、聚合物砂漿等），滲透性涂層（如有機硅類材料），浸漬性涂層，以及各種涂料、瀝青焦油、油漆、樹脂等。
?。ㄈ┦褂铆h(huán)氧涂層鋼筋
環(huán)氧涂層鋼筋是采用靜電粉末噴涂的方法對鋼筋表面進行加工制作的，能保證涂層與基體鋼筋的良好粘結，使鋼筋具備較好的耐堿性、耐化學腐蝕性。
環(huán)氧鋼筋的保護機理完全建立在隔離鋼筋和腐蝕性介質的基礎之上，因此，保護膜層的完整性成為保證環(huán)氧涂層鋼筋有效性的關鍵。生產廠家保證環(huán)氧涂層的質量非常重要，但這并不夠，還要從出廠運輸?shù)焦こ淌褂貌僮鞯母鱾€環(huán)節(jié)都要避免環(huán)氧涂層的損傷，因此，使用環(huán)氧涂層鋼筋對管理和施工水平都有非常高的要求。
?。ㄋ模┦褂娩摻钭桎P劑
鋼筋阻銹劑的作用原理是外摻的或涂覆的阻銹劑可以通過吸附作用吸附于鋼筋的表面，形成10～100μm厚度的隔離層，起到保護鋼筋的作用。按使用方式可將鋼筋阻銹劑分成摻入型和滲透型兩種。摻入型阻銹劑可直接摻入混凝土中使用，適用于新建工程和修復工程。滲透型阻銹劑可涂刷于混凝土表面，通過滲透的方式到達鋼筋表面形成保護，主要用于老工程的修復。
鋼筋阻銹劑的有效性與其在混凝土中的存在量有直接的關系，為了保護鋼筋不被腐蝕必須對氯離子含量保持一定的數(shù)量比例。使用鋼筋阻銹劑被認為是一個相對低廉和簡單的防腐措施。
?。ㄎ澹╆帢O保護的方法
陰極保護有兩種方式，一是采用比鐵更活潑的金屬和鋼筋相連，將鋼筋由原先失電子的陽極變?yōu)殛帢O，從而達到保護鋼筋，避免鋼筋銹蝕的目的，二是應用外加電流的方法，將直流電源的負極和鋼筋相連，迫使鋼筋由陽極狀態(tài)變?yōu)殛帢O狀態(tài)。陰極保護的方法是十分有效的，尤其對于那些已經遭受氯鹽腐蝕的結構，但工藝復雜，費用高昂，適合于重要設施的安全防護。
?。╇姵}法
電除鹽法的做法是在混凝土結構表面放置電解質，電解液中放置金屬網，將混凝土中的鋼筋和金屬網相連并施加電壓，陰極和鋼筋相連，陽極和金屬網相連。在外加的電壓下，混凝土中負離子如氯離子流向陽極，而正離子在鋼筋周圍聚集。在除鹽過程中，鋼筋周圍會產生一些氫氧根離子，使鋼筋重新獲得鈍化。
?。ㄆ撸炷吝M行改性、增密的方法
在混凝土中摻入優(yōu)質粉煤灰、磨細礦渣粉、硅粉、沸石粉等優(yōu)質活性混合材都是增密的有效措施，增密的原理是：活性混合材和水泥的水化產物Ca(OH)2發(fā)生“火山灰反應”，也稱“二次反應”，由于反應的時間滯后于水泥的水化反應，生成物填充于原水泥水化空間的空隙之中，以及水泥石和集料的界面空間之中，起到增密的作用。
水泥基材的密實度越高，孔隙率就越小，硫酸根離子溶液就越難滲透到內部孔隙中，產生的有害物質的速度和數(shù)量就會減少。對混凝土進行改性增密的方法具有成本低廉、操作簡單、效果較好、適應面寬等優(yōu)點。
參考文獻：
[1]金偉良，趙羽習.混凝土結構耐久性.北京，科學出版社，2002
[2]馬孝軒.我國主要類型土壤對混凝土材料腐蝕性規(guī)律的研究.建筑科學，2003
[3]楊建森.氯鹽對混凝土中鋼筋的腐蝕極力與防腐技術，《混凝土》，2001
[4]王玲等.混凝土受除冰鹽腐蝕破壞的機理及防治措施研究.《低溫建筑技術》，2001
[5]洪乃豐.氯鹽引起的鋼筋銹蝕及耐久性設計考慮.《混凝土結構耐久性及耐久性設計會議文集》，清華大學，2002年11月
[6]林暉，侯捷，盧小琳等.硫酸鹽對水泥基材料微觀結構的影響[J].混凝土，2005
（中國混凝土與水泥制品網 轉載請注明出處）
關鍵詞：耐久性 ；劣化模式；防腐蝕措施
混凝土結構的腐蝕問題屬于耐久性問題的范疇，通常是指環(huán)境中某些物質對混凝土結構進行侵蝕，促使結構功能劣化的過程。對于水泥混凝土結構物來說，環(huán)境中的氧、氯鹽、硫酸鹽、鎂鹽，以及酸類物質都是腐蝕性物質，但是腐蝕方式互不相同，最終的腐蝕表現(xiàn)形式也互不一樣。
一、影響混凝土耐久性的劣化模式
（一）溶解氧腐蝕模式
1、碳化過程
通常情況下水泥混凝土具有保護鋼筋不被腐蝕的能力，因為硬化的水泥混凝土是高堿性物質，PH值＞11.5，在這種環(huán)境下，鋼筋表面存在一層穩(wěn)定而致密的鈍化膜。鈍化膜對腐蝕性的介質具有有效的隔離作用，能使鋼筋得到有效的保護。但是當外界因素使混凝土的PH值＜11.5時，鈍化膜就開始不穩(wěn)定，當PH值小于9.88時，鈍化膜生成困難或已經生成的鈍化膜 開始逐漸破壞即“脫鈍”，致使鐵基體裸露，從而逐漸失去對鋼筋的保護作用。
碳化的過程就是空氣中CO2溶解于水中后進入混凝土內部，消耗水泥水化產物Ca(OH)2生成碳酸鈣的過程。由于Ca(OH)2的持續(xù)消耗，混凝土的PH值持續(xù)下降，到了一定的程度將引起鋼筋的脫鈍。
碳化的速度取決于混凝土結構保護層的厚度、混凝土的抗?jié)B性、混凝土的含氣量、空氣濕度、二氧化碳濃度等多種因素。一般情況下，碳化的深度和時間的平方根成正比，當環(huán)境的濕度為50%左右時混凝土的炭化速度最快，混凝土自身的抗?jié)B透性對炭化速度具有決定性的影響。
2、鋼筋表面的電池反應過程
通常情況下，鋼筋表面的電位是不均勻的，沿鋼筋長度方向具有電勢差。當保護層被完全碳化后，空氣中的氧通過溶解滲透作用達到鋼筋的鐵基體表面將形成電化學作用，誘發(fā)鋼筋銹蝕，造成破壞。這種破壞模式的反應式如下：
上式中氧化生成物Fe(OH)2的體積為原被腐蝕鐵基體體積的兩倍以上，生成后將對周圍混凝土形成很大的膨脹力，即通常所說的鋼筋銹脹作用。鋼筋銹蝕通常從局部點蝕開始，數(shù)量逐步增多并擴展，最終形成大片鋼筋銹蝕，鋼筋保護層剝落。通常情況下當環(huán)境相對濕度處于70～80%時最利于電化學反應發(fā)生。
?。ǘ┯捎诼塞}作用引起的鋼筋銹蝕破壞模式
氯鹽對鋼筋的腐蝕作用在原理上和溶解氧腐蝕有共同之處，都由鋼筋脫鈍和電化學反應兩個過程構成，但在作用的細節(jié)上卻存在較大差異，主要表現(xiàn)為：1、 Cl-加速了局部鋼筋鈍化膜的破壞速度；2、由于Cl-的參與加速了電池反應的速度。正是由于以上作用特點，在有Cl-存在的情況下，鋼筋銹蝕的速度大大加快了，并且發(fā)生了更為不利的點蝕現(xiàn)象，嚴重削弱了鋼筋的承載力和延性。所以氯鹽腐蝕作用一旦發(fā)生，其危害程度遠超過溶解氧引起的鋼筋銹蝕作用。
Fe+O2+O2H→Ｆe（OH）2
由于Cl-離子來源廣泛，以及其對鋼筋造成的銹蝕影響的嚴重性，被工程界公認為導致混凝土破壞頻率最高的因素。
（三）硫酸鹽腐蝕引起的混凝土破壞模式
硫酸鹽腐蝕混凝土的過程比較復雜，但總體上看，主要由硫酸鹽和Ca(OH)2反應生成石膏（硫酸鈣）的過程以及石膏和水化鋁酸鈣反應生成水化硫鋁酸鈣（鈣礬石）生成的過程兩部分構成，其中又包含了許多次生的過程。
混凝土發(fā)生硫酸鹽腐蝕破壞表現(xiàn)的特征為表面發(fā)白，損害從棱角處開始，隨后裂縫開展并造成混凝土表面剝落，最終使混凝土成為一種易碎，甚至松散的狀態(tài)。硫酸鹽腐蝕的速度隨其溶液的濃度增大而加快。如果混凝土處于干濕循環(huán)的狀態(tài)，將有利于生成物的溶出和反應物的滲入，配合以干縮濕脹的作用，將加劇硫酸鹽腐蝕。
?。ㄋ模﹥鋈诤望}凍作用破壞模式
凍融破壞型式是受潮混凝土在負溫條件下，由于水分結冰--融化反復作用造成的混凝土的破壞型式。混凝土受凍破壞的原理是水分結冰膨脹和相伴的由于水分遷移形成的滲透壓作用。當水分中含有鹽份時，這種破壞作用會顯著加劇。
鹽凍作用是指在負溫條件下鹽水對混凝土的凍融破壞作用。通常情況下，氯鹽對混凝土結構的腐蝕主要是通過腐蝕混凝土中的鋼筋形成的，但鹽凍作用是氯鹽對混凝土本體形成的腐蝕作用。
?。ㄎ澹A骨料反應破壞模式
堿骨料反應是混凝土原材料（主要是水泥、活性摻合料和外加劑）攜帶的可熔性堿在有水的作用下和骨料中含有的堿活性物質發(fā)生的反應。這種反應會在骨料界面，有時也可能在裂隙內，生成可吸水腫脹的凝膠或體積膨脹的晶體，使混凝土發(fā)生膨脹開裂。
一般把堿骨料反應分為兩類：一類是堿-硅酸反應，是指堿和骨料中的活性SiO2發(fā)生反應，生成堿硅凝膠，吸水腫脹導致混凝土膨脹或開裂。另一類是堿-碳酸鹽反應，是指堿與骨料中的微晶白云石反應生成水鎂石和方解石晶體，使骨料膨脹，進而使混凝土膨脹開裂。
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二、鋼筋混凝土防腐對策
?。ㄒ唬┰黾愉摻罨炷帘Ｗo層的厚度
針對溶解氧腐蝕和氯鹽腐蝕，增加鋼筋的保護層厚度顯然是非常有效的。一般情況下，炭化的深度、氯離子滲透的深度和時間的平方根成正比，所以增加保護層的厚度將大大延長鋼筋脫鈍和氯離子滲透至鋼筋表面的時間。
（二）使用混凝土外涂覆層
外涂覆層有水泥基涂層（如水泥砂漿層、聚合物砂漿等），滲透性涂層（如有機硅類材料），浸漬性涂層，以及各種涂料、瀝青焦油、油漆、樹脂等。
?。ㄈ┦褂铆h(huán)氧涂層鋼筋
環(huán)氧涂層鋼筋是采用靜電粉末噴涂的方法對鋼筋表面進行加工制作的，能保證涂層與基體鋼筋的良好粘結，使鋼筋具備較好的耐堿性、耐化學腐蝕性。
環(huán)氧鋼筋的保護機理完全建立在隔離鋼筋和腐蝕性介質的基礎之上，因此，保護膜層的完整性成為保證環(huán)氧涂層鋼筋有效性的關鍵。生產廠家保證環(huán)氧涂層的質量非常重要，但這并不夠，還要從出廠運輸?shù)焦こ淌褂貌僮鞯母鱾€環(huán)節(jié)都要避免環(huán)氧涂層的損傷，因此，使用環(huán)氧涂層鋼筋對管理和施工水平都有非常高的要求。
?。ㄋ模┦褂娩摻钭桎P劑
鋼筋阻銹劑的作用原理是外摻的或涂覆的阻銹劑可以通過吸附作用吸附于鋼筋的表面，形成10～100μm厚度的隔離層，起到保護鋼筋的作用。按使用方式可將鋼筋阻銹劑分成摻入型和滲透型兩種。摻入型阻銹劑可直接摻入混凝土中使用，適用于新建工程和修復工程。滲透型阻銹劑可涂刷于混凝土表面，通過滲透的方式到達鋼筋表面形成保護，主要用于老工程的修復。
鋼筋阻銹劑的有效性與其在混凝土中的存在量有直接的關系，為了保護鋼筋不被腐蝕必須對氯離子含量保持一定的數(shù)量比例。使用鋼筋阻銹劑被認為是一個相對低廉和簡單的防腐措施。
?。ㄎ澹╆帢O保護的方法
陰極保護有兩種方式，一是采用比鐵更活潑的金屬和鋼筋相連，將鋼筋由原先失電子的陽極變?yōu)殛帢O，從而達到保護鋼筋，避免鋼筋銹蝕的目的，二是應用外加電流的方法，將直流電源的負極和鋼筋相連，迫使鋼筋由陽極狀態(tài)變?yōu)殛帢O狀態(tài)。陰極保護的方法是十分有效的，尤其對于那些已經遭受氯鹽腐蝕的結構，但工藝復雜，費用高昂，適合于重要設施的安全防護。
?。╇姵}法
電除鹽法的做法是在混凝土結構表面放置電解質，電解液中放置金屬網，將混凝土中的鋼筋和金屬網相連并施加電壓，陰極和鋼筋相連，陽極和金屬網相連。在外加的電壓下，混凝土中負離子如氯離子流向陽極，而正離子在鋼筋周圍聚集。在除鹽過程中，鋼筋周圍會產生一些氫氧根離子，使鋼筋重新獲得鈍化。
?。ㄆ撸炷吝M行改性、增密的方法
在混凝土中摻入優(yōu)質粉煤灰、磨細礦渣粉、硅粉、沸石粉等優(yōu)質活性混合材都是增密的有效措施，增密的原理是：活性混合材和水泥的水化產物Ca(OH)2發(fā)生“火山灰反應”，也稱“二次反應”，由于反應的時間滯后于水泥的水化反應，生成物填充于原水泥水化空間的空隙之中，以及水泥石和集料的界面空間之中，起到增密的作用。
水泥基材的密實度越高，孔隙率就越小，硫酸根離子溶液就越難滲透到內部孔隙中，產生的有害物質的速度和數(shù)量就會減少。對混凝土進行改性增密的方法具有成本低廉、操作簡單、效果較好、適應面寬等優(yōu)點。
參考文獻：
[1]金偉良，趙羽習.混凝土結構耐久性.北京，科學出版社，2002
[2]馬孝軒.我國主要類型土壤對混凝土材料腐蝕性規(guī)律的研究.建筑科學，2003
[3]楊建森.氯鹽對混凝土中鋼筋的腐蝕極力與防腐技術，《混凝土》，2001
[4]王玲等.混凝土受除冰鹽腐蝕破壞的機理及防治措施研究.《低溫建筑技術》，2001
[5]洪乃豐.氯鹽引起的鋼筋銹蝕及耐久性設計考慮.《混凝土結構耐久性及耐久性設計會議文集》，清華大學，2002年11月
[6]林暉，侯捷，盧小琳等.硫酸鹽對水泥基材料微觀結構的影響[J].混凝土，2005
（中國混凝土與水泥制品網 轉載請注明出處）
編輯：
監(jiān)督：0571-85871667
投稿：news@ccement.com
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