鋼筋銹蝕對(duì)混凝土的影響

1、混凝土中鋼筋腐蝕與防護(hù)技術(shù)(1)鋼筋腐蝕危害與對(duì)混凝土的破壞作用混凝土中鋼筋銹蝕已成為世界關(guān)注的大問(wèn)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(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)巨大 經(jīng)濟(jì)損失?；诖?，美 國(guó)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(zhǎng)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(guó)正處于基本建設(shè)*時(shí)期，國(guó)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(wèn)題。本講座結(jié)合大量國(guó)內(nèi)外新近資 料與工程實(shí)例，以知識(shí)性和使用性為主分5講系統(tǒng)介紹了鋼筋腐蝕危害 及對(duì)混凝土的破壞作用、鋼筋銹蝕的電化學(xué)過(guò)程及混凝土對(duì)鋼筋的保 護(hù)、 氯鹽對(duì)

2、鋼筋的腐蝕、中性化的影響、鋼筋防腐蝕技術(shù)、鋼筋銹蝕的檢測(cè)與 判定技術(shù)等，供業(yè)內(nèi)人士參考。編 者STEEL CORROSION AND PROTECTIVE TECHNOLOGY IN CONCRETE(1)DAMAGE OF STEEL CORROSION AND FAILURE EFFECT ON CONCRETEHong Naifeng (Central Research Institute of Building & Construction,MMIBeijing 10 0088)1鋼筋銹蝕危害與經(jīng)濟(jì)損失世界一些國(guó)家的腐蝕損失，平均可占國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的2%4%；其中， 被認(rèn)為與鋼筋腐蝕有

3、 關(guān)者可占40%（至今我國(guó)尚無(wú)確切統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)）。美國(guó)1984年報(bào)道，僅就橋梁而言，57.5萬(wàn)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(shuō)，到本世紀(jì)末，美國(guó)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(guó)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

4、國(guó)、澳大利亞、海 灣國(guó)家等，都有以氯鹽為主的鋼筋腐蝕破壞 問(wèn)題（英國(guó)修復(fù)費(fèi)為每年50億英鎊）。韓國(guó)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(guó)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?；炷聊途眯砸咽钱?dāng)今世界的重大問(wèn)題，在第二屆國(guó)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(lái)自海洋環(huán)境和使用“防冰鹽”中 的氯鹽， 乂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

5、壞中占一定的比例 （本文暫不討論）。我國(guó)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(guó)存在著廣泛的腐蝕環(huán)境， 北方地區(qū)使用化冰鹽有增無(wú) 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(wú)防鹽腐蝕要 求）；我國(guó)海岸線很長(zhǎng)，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(wú)窮；我國(guó)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(guó)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

6、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(guó)鋼筋銹 蝕破壞的形勢(shì)是嚴(yán)峻的?！傲⒆闱捌诖胧?、著眼長(zhǎng)遠(yuǎn)效益”，這是美國(guó)經(jīng)過(guò)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(guó)正在強(qiáng)行實(shí)施基建工程管理中的“全壽 命經(jīng)濟(jì)分析法”（LCCA），其基本思想是，在 設(shè)計(jì)施工階段，不論是事先 采取防護(hù)措施還是以后“壞了再修”，都要做出經(jīng)濟(jì)預(yù)算和比較，承建 者要對(duì)工程的“全壽命”負(fù)責(zé)到底，這樣可避免“短期行為”給后人帶來(lái) 的麻煩與巨 大經(jīng)濟(jì)損失。“全壽命經(jīng)濟(jì)分析法”中曾有以下例舉：工程 處在氯鹽腐蝕環(huán)境中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)壽命為40年，前期實(shí)施措 施（采用鋼筋阻銹劑）

7、，附加費(fèi)用為0.85美元/m2（混凝土面板）；若前期 無(wú)措施，則1520年開(kāi)始修復(fù)，40年內(nèi)累積費(fèi)用為4.8美元/ m2（5倍于前者）?？梢?jiàn)，推行“全壽命經(jīng)濟(jì)分析法”和倡導(dǎo)工程前期（設(shè)計(jì)、施工階 段）采取防鋼筋腐蝕的措施，已經(jīng)不是單純的技術(shù)問(wèn)題，其重大意義和 長(zhǎng)遠(yuǎn)經(jīng)濟(jì)效益是不可低估的。2鋼筋腐蝕破壞的主要表征混凝土中的鋼筋一旦具備了腐蝕條件，銹蝕便會(huì)發(fā)生和發(fā)展。鋼筋銹 蝕是一個(gè)電化學(xué)過(guò)程，由鐵變成氧化鐵，其體積發(fā)生膨脹，根據(jù)最終產(chǎn) 物的不同，可膨脹27倍。鋼筋銹蝕破壞的主要破壞特征可歸納為：（1）混凝土順?shù)摻铋_(kāi)裂混凝土具有較好的抗壓性能，但其抗折、抗裂性差，尤其鋼筋表面混 凝土缺乏足夠的厚度時(shí)

8、，鋼筋銹蝕產(chǎn)物體積發(fā)生膨脹，足以使鋼筋表面 發(fā)生混凝土順?shù)摻铋_(kāi)裂。大量試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐表明，鋼筋表面銹層 厚度很薄時(shí)（如2040m），便可導(dǎo)致混凝土順?shù)摻铋_(kāi)裂。換言之，鋼筋 銹蝕導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂是容易發(fā)生的。設(shè)計(jì)、施工、使用、管理及維護(hù)人員， 認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)十分重要。欲使混凝土不發(fā)生順?shù)摻铋_(kāi)裂，提高結(jié)構(gòu)物的 耐久性，其著眼點(diǎn)就是要最大限度地阻止鋼筋生銹，而不應(yīng)立足于銹蝕 發(fā)生后再采取補(bǔ)救措施。混凝土一旦發(fā)生順?shù)摻铋_(kāi)裂，腐蝕介質(zhì)更容易到達(dá)鋼筋表面，鋼筋銹 蝕的速度將會(huì)大大加快。研究和工程實(shí)踐表明，這時(shí)鋼筋銹蝕的速度， 有可能快于裸露于大氣中的鋼筋。這是由于 裂縫處更易促成電化學(xué)腐蝕 的發(fā)生和發(fā)展。

9、由此引出兩個(gè)重要觀念：一是要阻止鋼筋生銹， 二是鋼筋銹蝕一旦發(fā)生或初見(jiàn)混凝土順?shù)摻铋_(kāi)裂時(shí)，就立即采取防護(hù)措施。這是 被提高了的 新認(rèn)識(shí)，對(duì)于防鋼筋銹蝕破壞、提高結(jié)構(gòu)物的耐久性具有重 要指導(dǎo)意義，更具有巨大經(jīng)濟(jì)價(jià) 值。（2）“握裹力”下降與喪失初見(jiàn)混凝土發(fā)生順?shù)摻铋_(kāi)裂時(shí)，結(jié)構(gòu)物物理力學(xué)性能、承載能力等， 可能還沒(méi)有發(fā)生明顯變化（這是人們不重視初始順?shù)摻铋_(kāi)裂的重要原因 之一）。然而，隨著裂縫的不斷加寬，混凝土與鋼筋之間的粘結(jié)力（握裹力） 也隨之下降（下降速度取決于鋼筋銹蝕速度），滑移增大，構(gòu)件變形。當(dāng) “握裹力”喪失到一定限度時(shí)，局部或整體失效便會(huì)發(fā)生。這時(shí)的鋼筋銹 蝕程度也并不一定十分嚴(yán)重。那些

10、對(duì)“握裹力”敏感的構(gòu)件，更具重要 性。（3）鋼筋斷面損失混凝土中鋼筋銹蝕，一般分為局部腐蝕（如坑蝕）和全面腐蝕（均勻腐 蝕），常常是局部腐蝕為 主而造成鋼筋斷面損失，其損失率達(dá)到極限時(shí)， 構(gòu)件便會(huì)發(fā)生破壞。應(yīng)該說(shuō)明的是，從鋼筋銹蝕、混凝土順?shù)摻铋_(kāi)裂到 構(gòu)件破壞，是一個(gè)復(fù)雜的演變過(guò)程，不僅取決于鋼筋銹蝕的發(fā)展 速度， 也取決于構(gòu)件的承載能力及鋼筋的受力狀態(tài)等。故有時(shí)鋼筋銹蝕并不十分 嚴(yán)重，構(gòu)件 就破壞了，而有時(shí)鋼筋出現(xiàn)明顯的斷面損失，構(gòu)件卻還在支 撐著（有些人認(rèn)為“鋼筋銹蝕無(wú)大妨害”就是依此為證）。對(duì)于鋼筋斷面 損失與構(gòu)件承載能力之間的關(guān)系，尚待進(jìn)一步研究。（4）鋼筋應(yīng)力腐蝕斷裂處在應(yīng)力狀態(tài)下的

11、鋼筋（包括預(yù)應(yīng)力），在遭受腐蝕時(shí)有可能發(fā)生突然斷裂。世界上曾發(fā)生過(guò) 此類事故，如鋼筋混凝土橋梁突然倒塌，建筑物 突然斷裂等。柏林議會(huì)大廈屋頂突然塌 落，即與鋼筋應(yīng)力腐蝕斷裂有關(guān)。應(yīng)力腐蝕斷裂可在鋼筋未見(jiàn)明顯銹蝕的情況下發(fā)生，斷裂時(shí)鋼筋屬于 脆斷。這 是“腐蝕”與“應(yīng)力”相互促進(jìn)的結(jié)果：應(yīng)力可使鋼筋表面產(chǎn) 生微裂紋、腐蝕沿裂紋深入、 應(yīng)力再促裂紋開(kāi)展。如此周而復(fù)始，直到 突然斷裂。這是一種危險(xiǎn)的形式，應(yīng)引起重視。此 夕卜，應(yīng)力腐蝕斷裂與 環(huán)境介質(zhì)有關(guān)。3混凝土質(zhì)量與鋼筋銹蝕應(yīng)該指出，鋼筋混凝土過(guò)早破壞（或稱耐久性不足）多半是綜合因素造 成的，在任何情況下工程質(zhì)量都是首要的。而工程質(zhì)量乂取決于正確

12、設(shè) 計(jì)、良好施工、精心管理與維護(hù)等。在腐蝕環(huán)境中，不采取防護(hù)措施或 措施不當(dāng)，更是導(dǎo)致鋼筋腐蝕破壞過(guò)早出現(xiàn)的原因。而混凝土工程質(zhì)量 不佳，則防護(hù)措施也難以奏效。鋼筋首先是受混凝土保護(hù)的，因此，混凝 土質(zhì)量對(duì)防止鋼筋腐蝕是至關(guān)重要的。3.1設(shè)計(jì)與規(guī)范我國(guó)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，多以混凝土 “抗壓強(qiáng)度”為主要甚至唯一標(biāo)準(zhǔn)， 而混凝土對(duì)鋼筋的保護(hù)能力，主要取決于“密實(shí)性”和鋼筋表面混凝土 層的厚度。實(shí)踐中“抗壓強(qiáng)度”與“密實(shí)性”并不是同步關(guān)系，在一定 條件下，甚至“超強(qiáng)設(shè)計(jì)”也未必能實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋的良好保護(hù)。新 近修訂 的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范中，已引入“耐久性設(shè)計(jì)”的觀念（與國(guó)際接軌），這是提 高混凝土對(duì) 鋼筋保護(hù)能力的

13、重要方面。設(shè)計(jì)者除了強(qiáng)化“耐久性設(shè)計(jì)”的觀念外，還要根據(jù)結(jié)構(gòu)所處的 腐蝕環(huán)境的嚴(yán)酷程度，采取相應(yīng)的防鋼 筋銹蝕的技術(shù)措施，才可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)耐久的目的。以往，人們對(duì)于鋼筋銹 蝕危害及混凝土耐久性認(rèn)識(shí)不足、相關(guān)規(guī)范的欠完善和“修標(biāo)”滯后，在 一定條件下沒(méi)有采取相應(yīng)的防鋼筋銹蝕的技術(shù)措施等，是造成已有結(jié)構(gòu)物 過(guò)早出現(xiàn)鋼筋銹蝕 的原因之一。3.2施工質(zhì)量鋼筋混凝土工程施工質(zhì)量的重要性是不言而喻的，已有工程的實(shí)踐表 明，鋼筋過(guò)早的出現(xiàn)腐 蝕破壞，大多與混凝土質(zhì)量欠佳有關(guān)。工程施工 質(zhì)量與眾多人為因素密不可分（這里暫不討論）也有一些技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有得 到很好的解決。如微裂紋與宏觀缺陷，似在施工過(guò)程中是很難 完全避

14、免， 這就對(duì)鋼筋保護(hù)不利；乂如，目前特別強(qiáng)調(diào)建設(shè)速度，設(shè)法使混凝土 “早 強(qiáng)”，其結(jié)果使“密實(shí)性”得不到保證，長(zhǎng)期強(qiáng)度與耐久性受到不良影 響?？傊┕べ|(zhì)量對(duì)于保護(hù)鋼筋、保證結(jié)構(gòu)物的耐久性，在任何情況 下都起著關(guān)鍵作用。3.3原材料3.3.1水泥水泥水化的高堿度，使鋼筋表面形成鈍化膜，這是混凝土之所以能保 護(hù)鋼筋的主要依據(jù)與基 本條件。任何削弱或喪失這個(gè)條件的因素，都將 促進(jìn)鋼筋銹蝕、影響混凝土的耐久性?；炷?土的高堿度，主要來(lái)源于水 泥水化產(chǎn)物中的氫氧化鈣和少量氫氧化鈉、氫氧化鉀（pH12.6 ）。鉀、 鈉離子含量高時(shí)，能刺激“堿集料反應(yīng)”，因此，限制其含量十分必要。 然而，認(rèn) 為“水泥堿度

15、越低越好”的看法，也是十分有害的。在為避免“堿集料反應(yīng)”而尋求“低堿 度水泥”的同時(shí)，切莫忘記，長(zhǎng)期保持混 凝土的高堿度（至少pH11.5）,是鋼筋得到保護(hù)的起碼條件，也是保證 混凝土耐久性的關(guān)鍵問(wèn)題之一。堿度過(guò)低的水泥，對(duì)于鋼筋混凝土應(yīng) 限 制使用，或使用時(shí)同時(shí)采取防腐蝕技術(shù)措施（如用耐腐蝕鋼筋、涂層鋼筋、 摻鋼筋阻銹劑等）。海砂由于海砂含有不等量的氯離子，能夠刺激鋼筋銹蝕，我國(guó)相關(guān)規(guī)范不 推薦或嚴(yán)格限制使用海砂。這是完全必要的，國(guó)內(nèi)外濫用海砂造成的危 害不乏實(shí)例。從另一個(gè)角度講，海砂也 是可利用資源，日本即是成功開(kāi) 發(fā)利用海砂的國(guó)家之一，主要是同時(shí)采取防氯離子腐蝕的技術(shù)措施（如摻 加鋼筋阻銹劑等）。在我國(guó)，如日本那樣嚴(yán)格而合理地開(kāi)發(fā)利用海砂資源 已提到日程上來(lái)（據(jù)悉寧波地區(qū)已經(jīng)發(fā)布文件，采取加鋼筋阻銹劑等措施 后開(kāi)放使用海砂）?？傊瑖?yán)格界定海砂的使用，是我國(guó)建設(shè)中面臨的新 問(wèn)題，意義重大。摻合料、外加劑各種摻合料（粉煤灰、礦渣等，用于改善水泥性能，降低成本），正在 大力發(fā)展中。凡是能提高混凝土密實(shí)性、增強(qiáng)對(duì)鋼筋保護(hù)能力者，均有 利于結(jié)構(gòu)物的耐久性；然而，一些摻合料能降低混凝土的堿度和堿儲(chǔ)量， 這是不利于對(duì)鋼筋的保護(hù)的，甚至可引起鋼筋腐蝕（與摻合料的性質(zhì)、摻 加量等有關(guān)）。這一點(diǎn)應(yīng)該引起重視，在摻合料的研究和應(yīng)用中