鋼筋混凝土中鋼筋銹蝕與防護研究概況

　　自從1824年發(fā)明水泥后，鋼筋混凝土因為具有耐久性高、整體性好、抗壓強度高等優(yōu)點，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，鋼筋混凝土又具有自重大、抗裂性差、鋼筋銹蝕等缺點，往往造成建筑結(jié)構(gòu)安全等危害，經(jīng)濟損失也非常嚴重。因此，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性和現(xiàn)有結(jié)構(gòu)安全性評估對維修和加固現(xiàn)有建筑物異常重要，具有很強的現(xiàn)實意義和非常高的社會經(jīng)濟效益。

　　1.鋼筋銹蝕對鋼筋混凝土力學特性的影響

　　鋼筋銹蝕對鋼筋混凝土力學特性的影響有三個方面：（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)生相當大的拉應力，使得混凝土承受雙向或三向應力，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引起鋼筋銹蝕破壞，只有自由氯離子才能對鋼筋起到破壞作用。氯離子主要是通過擴散進入混凝土達鋼筋表面，其擴散過程與周圍介質(zhì)中氯離子濃度，混凝土的滲透性也有關(guān)系，同時受到混凝土的毛細孔結(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[Cl-]/[OH-]＞0.6時，鋼筋開始發(fā)生腐蝕破壞。Couda認為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)被破壞時的臨界Cl-濃度問題，已被很多學者研究。

　　2.2混凝土碳化

　　正常狀態(tài)下，混凝土空隙液呈強堿性，鋼筋表面的混凝土形成鈍化膜，對鋼筋有保護作用。當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，生成CaCO3，使得混凝土堿性減低。當碳化層發(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pH值下降到11.5以下時，鈍化膜開始不穩(wěn)定。當pH降到9左右時，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)晶時結(jié)合大量的水，使固相體積大大增大，導致混凝土發(fā)生結(jié)晶性腐蝕。另外，硫酸根離子是否對混凝土中鋼筋直接產(chǎn)生破壞存在著不同的見解。Cornet和Schikor以及孫成的實驗均表明，由于SO42-的去鈍化作用只是混凝土中的鋼筋發(fā)生強烈腐蝕。而劉曉敏等的實驗發(fā)現(xiàn)，在Cl-存在時，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，如果氧氣沒有擴散到鋼筋表面也不會發(fā)生鋼筋銹蝕。

　　2.5環(huán)氧溫度的影響

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

　　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、混凝土質(zhì)量差等原因引起的。構(gòu)件的裂縫會降低混凝土對鋼筋的保護作用，加速鋼筋銹蝕。張平生認為，垂直裂縫對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)下的腐蝕機理認為，初期裂縫及其寬度對鋼筋腐蝕影響較大，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；陽極反應生成的電子通過鋼筋本身定向移動到鋼筋表面上的陽極區(qū)域，并與水和氧氣發(fā)生反應生成OH-。

　　 陽極反應：Fe→Fe²++2e^-

　　3.鋼筋銹蝕檢測與評定

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

　　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)。在混凝土修復過程中和運行階段都可給出腐蝕區(qū)信息，從而在腐蝕前期預測結(jié)構(gòu)狀況，評價腐蝕程度，檢查維修效果。但是電位圖技術(shù)有其缺點，即盡管從電位分布圖可以評價腐蝕狀況，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。采用單片機的自動測量系統(tǒng)，則在繪出電位圖的同時，即可打印出腐蝕速率。同樣電位梯度法也有其溫度較低時，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，評價腐蝕狀況。尤其當混凝土層較厚時，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)當極大化時誤差較大及交流阻抗測量時間長等不足的問題。其缺點是，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、陽極的電化學過程，評定緩釋劑的效果。

　　3.6線性極化法

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

　　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，鋼絲生銹變細而斷裂，此時彎曲光纖的曲率變小甚至為零，通過光纖的光能量會迅速增加，故可以依據(jù)光能量變化來檢測鋼筋的腐蝕。實驗表明，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，即只能作為某種腐蝕狀態(tài)（單個閾值）的信息，不能給出多種腐蝕狀態(tài)（多個閾值）的信息，因此，難以反映腐蝕過程。

　?。?）光纖鍍膜傳感器。

　　黎學明等采用電化學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。金屬膜對纖芯內(nèi)的光線有較強的散射作用，隨著腐蝕的進行，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)點是采用光纖傳感技術(shù)，鍍膜操作簡單，但需進一上提高鍍層的附著力以增強實用性。

　　（3）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，可以實時地監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕狀況。嚴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，進行了腐蝕加速試驗，證實了此設(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

　　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，進一步研究探討微化學環(huán)境在閉塞條件下對鋼筋腐蝕的影響，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、建立更符合工程實際的混凝土結(jié)構(gòu)失效評估指標體系、研究具有實際應用價值的混凝土中鋼筋銹蝕的防護方法及混凝土中已銹蝕鋼筋混凝土的修復方法，是今后研究的發(fā)展方向。