鋼筋混凝土中鋼筋銹蝕與防護(hù)研究概況

　　自從1824年發(fā)明水泥后，鋼筋混凝土因?yàn)榫哂心途眯愿?、整體性好、抗壓強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于土建、橋梁、港口以及特種結(jié)構(gòu)等工程領(lǐng)域。但是同時(shí)，鋼筋混凝土又具有自重大、抗裂性差、鋼筋銹蝕等缺點(diǎn)，往往造成建筑結(jié)構(gòu)安全等危害，經(jīng)濟(jì)損失也非常嚴(yán)重。因此，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性和現(xiàn)有結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估對(duì)維修和加固現(xiàn)有建筑物異常重要，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義和非常高的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

　　1.鋼筋銹蝕對(duì)鋼筋混凝土力學(xué)特性的影響

　　鋼筋銹蝕對(duì)鋼筋混凝土力學(xué)特性的影響有三個(gè)方面：（1）鋼筋與混凝土粘結(jié)力下降、鋼筋有效截面變小，降低了結(jié)構(gòu)的承載能力；（2）鋼筋銹蝕體積膨脹，使得混凝土產(chǎn)生順筋脹裂，從而降低了結(jié)構(gòu)的剛度，增大了變形，甚至使得混凝土層脫落，影響結(jié)構(gòu)的正常使用；（3）鋼筋銹蝕在混凝土產(chǎn)生相當(dāng)大的拉應(yīng)力，使得混凝土承受雙向或三向應(yīng)力，結(jié)構(gòu)的延性降低。

　　2.鋼筋銹蝕的影響因素

　　2.1氯化物的影響

　　氯化物是鋼筋銹蝕的最重要原因，氯離子能加速鋼筋銹蝕。但并非混凝土孔隙中氯離子都會(huì)引起鋼筋銹蝕破壞，只有自由氯離子才能對(duì)鋼筋起到破壞作用。氯離子主要是通過擴(kuò)散進(jìn)入混凝土達(dá)鋼筋表面，其擴(kuò)散過程與周圍介質(zhì)中氯離子濃度，混凝土的滲透性也有關(guān)系，同時(shí)受到混凝土的毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)及孔膜被水飽和程度等因素的影響。研究表明，產(chǎn)生混凝土中鋼筋銹蝕的氯離子臨界值與pH值間存在一定的關(guān)系，Hausmann發(fā)現(xiàn)當(dāng)[Cl-]/[OH-]＞0.6時(shí)，鋼筋開始發(fā)生腐蝕破壞。Couda認(rèn)為Cl-臨界濃度與OH-臨界濃度之間的關(guān)系為pH=0.83logCl-+KC（K為常數(shù)），關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)被破壞時(shí)的臨界Cl-濃度問題，已被很多學(xué)者研究。

　　2.2混凝土碳化

　　正常狀態(tài)下，混凝土空隙液呈強(qiáng)堿性，鋼筋表面的混凝土形成鈍化膜，對(duì)鋼筋有保護(hù)作用。當(dāng)大氣中二氧化碳向混凝土內(nèi)部滲透，并與混凝土中Ca（OH）₂反應(yīng)，生成CaCO3，使得混凝土堿性減低。當(dāng)碳化層發(fā)展到鋼筋表面，使鋼筋表面的高堿環(huán)境（pH為12.513.5）的pH值下降。當(dāng)pH值下降到11.5以下時(shí)，鈍化膜開始不穩(wěn)定。當(dāng)pH降到9左右時(shí)，鋼筋鈍化膜就遭到破壞。

　　2.3硫酸鹽的影響

　　硫酸鹽能與混凝土發(fā)生中和作用，生成微溶的鈣鹽，此鈣鹽結(jié)晶時(shí)結(jié)合大量的水，使固相體積大大增大，導(dǎo)致混凝土發(fā)生結(jié)晶性腐蝕。另外，硫酸根離子是否對(duì)混凝土中鋼筋直接產(chǎn)生破壞存在著不同的見解。Cornet和Schikor以及孫成的實(shí)驗(yàn)均表明，由于SO42-的去鈍化作用只是混凝土中的鋼筋發(fā)生強(qiáng)烈腐蝕。而劉曉敏等的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在Cl-存在時(shí)，硫酸根具有緩釋作用，提高了鋼筋表面鈍化膜的抗腐蝕性能。

　　2.4水和氧氣的影響

　　混凝土孔隙液中水和氧氣的存在是鋼筋銹蝕的必要條件，即使鈍化膜受到破壞，如果氧氣沒有擴(kuò)散到鋼筋表面也不會(huì)發(fā)生鋼筋銹蝕。

　　2.5環(huán)氧溫度的影響

　　Mamdouh M Nassar的研究認(rèn)為，隨著溫度的增加鋼筋銹蝕增強(qiáng)。沈德健等的研究認(rèn)為，在40℃以下時(shí)，隨著溫度增加，鋼筋銹蝕率增加，在40℃以上時(shí)，鋼筋銹蝕反而會(huì)延緩。

　　2.6混凝土裂縫

　　混凝土裂縫的產(chǎn)生是多種因素綜合作用的結(jié)果，但主要是由于荷載、溫度、干縮、地基變形、鋼筋銹蝕、地基凍脹、堿骨料反應(yīng)、混凝土質(zhì)量差等原因引起的。構(gòu)件的裂縫會(huì)降低混凝土對(duì)鋼筋的保護(hù)作用，加速鋼筋銹蝕。張平生認(rèn)為，垂直裂縫對(duì)鋼筋銹蝕的影響小于縱向裂縫、混凝土堿度、碳化等其它因素。蔣德穩(wěn)研究了鋼筋在裂縫狀態(tài)下的腐蝕機(jī)理認(rèn)為，初期裂縫及其寬度對(duì)鋼筋腐蝕影響較大，后期影響較小，銹蝕速度主要取決于未開裂處混凝土的質(zhì)量和滲透性。

　　經(jīng)過分析可以知道，不管是氯離子的影響、混凝土碳化還是氧氣和水等因素誘發(fā)鋼筋銹蝕，都可以歸結(jié)為電化學(xué)過程，即在鋼筋表面形成腐蝕微電池。在這些微電池中，鋼筋表面的陽極區(qū)域，鐵原子失去電子變成鐵離子溶入混凝土的微孔水中；陽極反應(yīng)生成的電子通過鋼筋本身定向移動(dòng)到鋼筋表面上的陽極區(qū)域，并與水和氧氣發(fā)生反應(yīng)生成OH-。

　　 陽極反應(yīng)：Fe→Fe²++2e^-

　　3.鋼筋銹蝕檢測與評(píng)定

　　根據(jù)鋼筋銹蝕的機(jī)理主要是電化學(xué)腐蝕，所以其銹蝕的檢測主要還是通過電化學(xué)方法測定。

　　3.1電位圖技術(shù)

　　電位圖技術(shù)是一種非破壞性檢測技術(shù)。在混凝土修復(fù)過程中和運(yùn)行階段都可給出腐蝕區(qū)信息，從而在腐蝕前期預(yù)測結(jié)構(gòu)狀況，評(píng)價(jià)腐蝕程度，檢查維修效果。但是電位圖技術(shù)有其缺點(diǎn)，即盡管從電位分布圖可以評(píng)價(jià)腐蝕狀況，但是不能直接得到腐蝕速率，另外由于極化作用，測出的負(fù)電位值并不能直接反映混凝土結(jié)構(gòu)的特征。[Page]

　　3.2電位梯度法

　　電位梯度法將電位圖技術(shù)測得的電位分布數(shù)據(jù)進(jìn)行理論處理，從而克服了電位圖技術(shù)不能直接測出腐蝕速率的不足。采用單片機(jī)的自動(dòng)測量系統(tǒng)，則在繪出電位圖的同時(shí)，即可打印出腐蝕速率。同樣電位梯度法也有其溫度較低時(shí)，在表面測得的電位值偏正，使得鈍化區(qū)難以確定，影響數(shù)據(jù)的精確度。

　　3.3交流阻抗法

　　交流阻抗法可提供有關(guān)鋼筋混凝土覆蓋層的雙電層電容、混凝土電阻、鋼筋腐蝕速率及混凝土機(jī)理等信息。另外電阻抗譜還可以求出混凝土腐蝕的臨界Cl-濃度及其環(huán)境條件。為了實(shí)施現(xiàn)場測量，必須考慮阻抗的空間分布問題。

　　3.4恒電流脈沖技術(shù)

　　大范圍的鋼筋混凝土中用恒電流脈沖技術(shù)可獲得腐蝕速率，評(píng)價(jià)腐蝕狀況。尤其當(dāng)混凝土層較厚時(shí)，該法是一種較精確的原位快速無損檢測方法，它克服了電位圖技術(shù)當(dāng)極大化時(shí)誤差較大及交流阻抗測量時(shí)間長等不足的問題。其缺點(diǎn)是，只能用在鋼筋與大地不直接有電連接的條件下，即一般適用于跨接橋梁等情況。

　　3.5極化曲線法

　　在模擬混凝土孔溶液情況下，它可以通過極化曲線的測量，研究陰、陽極的電化學(xué)過程，評(píng)定緩釋劑的效果。

　　3.6線性極化法

　　在腐蝕電位附近（±10mV）進(jìn)行微極化測量，利用1C=B/RP計(jì)算腐蝕速率。

　　一額頭STEM、AFM、XRD和XPS現(xiàn)代表面測試技術(shù)，可以觀察鋼筋表面、腐蝕產(chǎn)物的微觀形貌和其化學(xué)組成。

　　3.7鋼筋腐蝕的光纖監(jiān)測技術(shù)

　?。?）安全環(huán)。

　　Kim D Bennett等提出了基于微彎效應(yīng)的光纖腐蝕傳感器，并給出了基本原理圖。用鋼絲安全環(huán)作為鋼筋的等效物，鋼絲生銹變細(xì)而斷裂，此時(shí)彎曲光纖的曲率變小甚至為零，通過光纖的光能量會(huì)迅速增加，故可以依據(jù)光能量變化來檢測鋼筋的腐蝕。實(shí)驗(yàn)表明，該傳感器能較好的反映出安全環(huán)的狀態(tài)，但在安全環(huán)發(fā)生腐蝕而未斷裂前傳感器并無響應(yīng)，即只能作為某種腐蝕狀態(tài)（單個(gè)閾值）的信息，不能給出多種腐蝕狀態(tài)（多個(gè)閾值）的信息，因此，難以反映腐蝕過程。

　　（2）光纖鍍膜傳感器。

　　黎學(xué)明等采用電化學(xué)方法在光纖表面沉積碳-鈦合金膜，制備了一種用于檢測混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋腐蝕的光纖傳感器。金屬膜對(duì)纖芯內(nèi)的光線有較強(qiáng)的散射作用，隨著腐蝕的進(jìn)行，合金膜部分破損，纖芯內(nèi)傳輸光受到的散射作用減弱，造成光纖功率的明顯變化，根據(jù)此變化來監(jiān)測鋼筋銹蝕情況。優(yōu)點(diǎn)是采用光纖傳感技術(shù)，鍍膜操作簡單，但需進(jìn)一上提高鍍層的附著力以增強(qiáng)實(shí)用性。

　?。?）鋼筋膨脹測量。

　　在鋼筋腐蝕過程中，由于鋼筋表面生成氧化產(chǎn)物，其體積膨脹最大能達(dá)到腐蝕前的6～7倍，故通過測量鋼筋由于腐蝕而產(chǎn)生原體積變化，可以實(shí)時(shí)地監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕狀況。嚴(yán)云等采用了光纖布拉格光柵作為監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋腐蝕的光纖傳感器，進(jìn)行了腐蝕加速試驗(yàn)，證實(shí)了此設(shè)想的可行性，并解決了光纖光柵的波長受溫度影響的問題。

　　4.鋼筋銹蝕的防治與修復(fù)

　　防治鋼筋銹蝕的措施如表1所示。

　　表1防治鋼筋銹蝕的措施

　　5結(jié)語

　　由于鋼筋周圍是混凝土微小孔隙互不干涉，進(jìn)一步研究探討微化學(xué)環(huán)境在閉塞條件下對(duì)鋼筋腐蝕的影響，從理論上深入闡明鋼筋腐蝕的本質(zhì)過程及其臨界參數(shù)是很有必要的。發(fā)展原位快速無損檢測混凝土中鋼筋腐蝕狀態(tài)及腐蝕速度，是解決實(shí)際工程問題的重要手段。完善鋼筋銹蝕的智能檢測方法、建立更符合工程實(shí)際的混凝土結(jié)構(gòu)失效評(píng)估指標(biāo)體系、研究具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的混凝土中鋼筋銹蝕的防護(hù)方法及混凝土中已銹蝕鋼筋混凝土的修復(fù)方法，是今后研究的發(fā)展方向。