混凝土中鋼筋腐蝕與防護

混凝土中鋼筋腐蝕與防護引言混凝土中鋼筋銹蝕已成為世界關注的大問題，被認為是當今影響

混凝

土結構耐久性的首要原因。鋼筋銹蝕已經或正在給國民經濟帶來巨大經濟損失?；诖?，美

國總結正反兩個方面的經驗教訓，提出了“立足前期措施，著眼長遠效益”，并強行實施基

建工程管理中的“全壽命經濟分析法”(LCCA)。目前，我國正處于基本建設高潮時期，國內

外的經驗教訓應認真吸取，這已不是單純技術問題。鋼筋腐蝕危害與對混凝土的破壞作用1、鋼筋銹蝕危害與經濟損失

世界一些國家的腐蝕損失，平均可占國民經濟總產值的2%～4%；其中，被認為與鋼筋腐蝕有

關者可占40%(至今我國尚無確切統(tǒng)計數(shù)據(jù))。

美國1984年報道，僅就橋梁而言，57.5萬座鋼筋混凝土橋，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與加固處理，當年的修復費為54億美元；1998年報道鋼筋混凝土腐

蝕

破壞的修復費，一年要2?500億美元，其中橋梁修復費為1?550億美元(是這些橋

初建費用的4倍

)；還有報道說，到本世紀末，美國要花4?000億美元用于修復和重建鋼筋腐蝕破壞的

工程。

如此巨大的經濟投入，引起美國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)生和挽回部分經濟損失。加拿大早期大量使用“防冰鹽”，使鋼筋混凝土橋梁等破壞

嚴重。歐洲、英國、澳大利亞、海

灣國家等，都有以氯鹽為主的鋼筋腐蝕破壞問題(英國修復費為每年50億英鎊)。韓國曾發(fā)生

一系列建筑物破壞、倒塌事件，其中也與“鹽害”有關。我國臺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。

混凝土耐久性已是當今世界的重大問題，在第二屆國際混凝土耐久性會議上，梅塔教授指出

：“當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。而來自海洋環(huán)境和使用“防冰鹽”中

的氯鹽，又是造成鋼筋銹蝕的主要原因。當然，混凝土中性化、凍融等也促進鋼筋腐蝕破壞

。此外，“堿集料反應”也在鋼筋混凝土破壞中占一定的比例(本文暫不討論)。

我國海港碼頭不能耐久，北方使用化冰鹽，橋梁道路遭破壞。以北京立交橋為例，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重。我國存在著廣泛的腐蝕環(huán)境，

北方地區(qū)使用化冰鹽有增無減，而橋梁道路卻未采取應有的防護措施(甚至“規(guī)范”中無防

鹽腐蝕要求)；我國海岸線很長，而大規(guī)模的基本建設大都集中于沿海地區(qū)，以往的海港碼

頭等工程，多數(shù)達不到設計壽命要求；特別是沿海一帶河砂已呈短缺現(xiàn)象，濫用海砂則其害

無

窮；我國還有廣泛的鹽堿地(石油基地)，其腐蝕條件更為苛刻；特別應該指出的是，我國工

業(yè)

環(huán)境中的建筑物，其鋼筋銹蝕破壞十分普遍與嚴重，有調查報告表明，大多數(shù)工業(yè)建筑達

不

到設計壽命的年限，目前正在進入大規(guī)模修復的時期。因此，我國鋼筋銹蝕破壞的形勢是嚴

峻的。

“立足前期措施、著眼長遠效益”，這是美國經過正反兩個方面的經驗教訓所得出的可貴結

論。美國正在強行實施基建工程管理中的“全壽命經濟分析原因。

國內外研究與實踐均表明，混凝土的高堿度對于保護鋼筋和保持結構物的耐久性，都是極端

重要的。研究表明，當pH＜9.88時，鋼筋表面的氧化物是不穩(wěn)定的，即對鋼筋沒有保護作

用；當pH處在9.88～11.5之間時，鋼筋表面的氧化膜不完整，即不能完全保護鋼筋免受腐

蝕；只有當pH＞11.5時，鋼筋才能完全處于鈍化狀態(tài)。因此，混凝土對鋼筋的保護作用，

與其說是物理保護作用不如說是化學保護作用，也就是說，混凝土的高堿度，是保護鋼筋不

銹蝕的最重要的條件，通常將pH＞11.5稱作保護鋼筋的“臨界值”。

應該說明，上述“臨界值”并不是一成不變的，如當有氯離子存在時，圖2中的“腐蝕區(qū)”

，甚至在更高的堿度下鋼筋也會腐蝕。

眾所周知，混凝土的“中性化”是引起鋼筋銹蝕的原因之一，也是影響鋼筋混凝土結構物耐

久性的因素之一。所謂“中性化”，即是環(huán)境中的CO2、SO2、酸雨、工業(yè)酸性介質等，

滲入混凝土中并與其含物質堿發(fā)生化學反應，這樣“中和”的結果，降低了混凝土的堿度和

含堿

的數(shù)量。若使混凝土的pH低于“臨界值”時，鋼筋便會發(fā)生腐蝕。CO2的“中和”作用通

常稱作混凝土的“碳化”。國外已出現(xiàn)使混凝土重新恢復高堿度的新技術，對于“低堿度水

泥”，若不能長期保持其pH高于“臨界值”時，需采取摻鋼筋阻銹劑等附加措施，目的都是

為了使鋼筋得到充分保護。

混凝土保持適當?shù)母邏A度，不僅對于保護鋼筋有意義，而且對于保持水泥水化產物的穩(wěn)定性

也是非常重要的。表1給出了水泥水化產物保持穩(wěn)定最低堿度值，低于該“臨界值”時產物

便會分解?？梢钥闯?，當混凝土由高堿性逐漸向中性轉移過程中，大部分水泥水化產物都有

分解的可能，導致混凝土強度的降低和喪失。

目前，我國正在努力降低水泥中的堿含量(K+、Na+)和研制、推薦使用“低堿度水泥”

，同時大力倡導采用各種類型的摻合料，這是很有意義和十分必要的。但同時應該充分認識

到，使水泥(混凝土)保持必須的堿度和堿儲量［Ca(OH)2］，對于防止鋼筋銹蝕、保證結

構物的耐久性，其意義也是重大而深遠的。

表1水泥水化產物保持穩(wěn)定所需要的最低堿度值(臨界pH值)水泥水化產物

臨界pH值

2CaO.SiO2.1.7H2O

11.2

6CaO.6SiO2.H2O

10.67

5CaO.6SiO2.5.510.0

2CaO.3SiO2.2.5H2O9.784CaO.Al2O3.19H2O8.15

3CaO.Al2O3.CaSO4.12H2O7.95

1.3混凝土保護鋼筋之不足

1.3.1物理保護性能之不足

混凝土是水泥為膠結材、含砂子和石子的混合物。其中，水泥水化所形成的水泥石本身就是

多孔結構，也就是說它具有可滲透的特征。水泥水化不完全、多余水的蒸發(fā)，也不可避免會

在水泥石中形成孔隙、毛細管；水泥石和砂子、石子的界面上也會有孔隙生成。因此，水泥

石、混凝土就其物理本質來說，即是一種多孔材料。

混凝土制作、養(yǎng)護過程中，難免產生微觀、宏觀裂紋，如由溫度、干縮、膨脹引起的裂紋；

使用中在內力、外力作用下，也會有裂紋產生。

因此，目前大量用于建筑中的混凝土，不可能做到完全密實，環(huán)境介質(水、氣等)還是可以

滲入其內的。只不過存在難、易和時間長短問題。高質量、高密實的混凝土，對于其內鋼筋

可能提供較好的物理保護(隔離環(huán)境)，但此作用是有限的，這是混凝土的多孔性本質所決定

的。當然，最大限度地提高混凝土的密實性，在任何情況下都是重要的。

1.3.2混凝土堿度的易失性(化學活性)

混凝土的高堿性是保護鋼筋的必要條件，而水泥水化產物中，最具活性、最不穩(wěn)定的就是以

氫

氧化鈣為主的“堿”(氫氧化鈉、氫氧化鉀含量少)。在與空氣、水接觸時會起化學反應，也

可隨水而流失?；炷痢皦A”的損失速度，取決于混凝土內的堿儲量、混凝土的密實性、環(huán)

境介質條件等。對于孔隙率高、微觀宏觀裂紋多、質量差的混凝土，其堿度更易損失。因此

，密實的混凝土，不僅對鋼筋提供好的物理保護作用，而且由于堿度不易損失，從而能對鋼

筋提供更好的化學(電化學)保護作用。

混凝土中氫氧化鈣［Ca(OH)2］的溶解度不高，通常以固體形式存在，在水泥石中起著一

定的骨架作用。然而它畢竟有一定溶解度，在無離子水中一般為1.2g/L，當有Cl-、SO

2-4、K+、Na+等離子存在時，其溶解度會大大提高。經常受到水浸(特別是鹽水)

而有干濕交替部位的混凝土，常見表面有“泛白”現(xiàn)象，其中就有Ca(OH)2的析出物(被碳

化成碳酸鈣)。北京一些立交橋(如西直門立交橋)，橋面板下方和接縫附近，可以見到大量

這樣的“泛白”物質，并可見明顯的鋼筋銹蝕破壞和混凝土表層粉化現(xiàn)象，這是由于常年撒

鹽或鹽水(化冰雪)所引起的。

另外，大氣中的CO2與水泥石中的Ca(OH)2起化學反應，生成中性鹽，即發(fā)生碳化反應：

CO2+H2O=H2CO3

H2CO3+Ca(OH)2=CaCO3+2H2O實際上，工業(yè)大氣對混凝土的中性化作用，遠大于碳化作用，尤其是污染嚴重的工業(yè)區(qū)

。目前我國存在大面積“酸雨區(qū)”，主要是工業(yè)、汽車排放出的大量SO2、NO2、NO等酸

性氣體造成的：SO2+H2O+Ca(OH)2=CaSO3+2H2O

NO2+H2O+Ca(OH)2=CaNO3+2H2O此外，工業(yè)污水、跑冒滴漏中的酸液、酸氣，可直接中和混凝土中的堿，并同時破壞水

泥石的其他組分，破壞更為迅速和嚴重。2、混凝土中鋼筋腐蝕的電化學性質

眾所周知，構成腐蝕電池必須具備以下基本條件：(1)要有陰極、陽極和電位差；(2)要有離

子通路(電解質)；(3)要有電子通路。鋼筋混凝土在多數(shù)情況下滿足鋼筋腐蝕的電化學條件

，同時具備腐蝕電池發(fā)展的條件。

2.1混凝土中的腐蝕電池

(1)宏電池：混凝土中形成宏觀腐蝕電池的情況是經常存在的。不同金屬連接時可構成“電

池偶”。圖3是不銹鋼埋件與鋼筋接觸時的示意圖。鋼與不銹鋼由于材質不同，在混凝土(介

質)中具有不同的電極電位，二者之間存在電位差；混凝土中含有水分、潮氣和各種離子(離

子導電通路)；二者直接相連，構成電子通路。這樣就具備了構成腐蝕電池的必要條件，因

為鋼的電位較低，故作為陽極而遭受腐蝕。同一鋼筋混凝土構件處在不同環(huán)境中，也能構成

宏電池。如半浸在海水中的鋼筋混凝土柱子，水下與水上部分，由于氧的濃度差別很大，構

成“濃差電池”。這正是大量海工結構物，水線部位腐蝕嚴重的原因之一。圖3鋼筋與不銹鋼構成“宏電池”(2)微電池：大多數(shù)情況下，混凝土中鋼筋腐蝕是微電池作用的結果。所謂“微電池”，就

是在鋼筋表面形成許許多多的微小電池(陰極與陽極)。首先，鋼筋不是單一的金屬鐵，同時

含有碳、硅、錳等合金元素和雜質，如前所述，不同元素處在相同或不同介質中，其電極電

位也不同，即其間存在著電位差；混凝土中的介質(水等)構成離子通路；鋼筋自身就是電子

通路。完全具備了腐蝕電池的必要條件，更何況混凝土中不同部位其含介質的成分、濃度也

各有不同，鋼筋表面鈍化膜的完整性不同，堿度不同或隨時間而變化(如混凝土碳化)等，都

是形成微電池腐蝕的條件。

綜上所述，混凝土中鋼筋銹蝕，是腐蝕電池作用的結果。通常情況下是以大量微電池形式存

在的，有時也發(fā)生宏電池腐蝕。一般的電化學反應表達式為：

陽極反應：Fe-2e=Fe++

陰極反應：O2+2H2O+4e→4OH-

綜合反應：2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2(伴有電流)

通常鋼筋腐蝕產物是鐵的氧化物，是Fe(OH)2繼續(xù)氧化的結果?？缮?價或3價鐵的氧化

物與水化物(取決于氧的供給)。鐵銹較元素鐵體積脹大2.5～6倍(視銹的組成而定)，這是

通?；炷涟l(fā)生順鋼筋開裂的主要原因。

2.2混凝土中鋼筋腐蝕的動力學與速度

混凝土中鋼筋在許多情況下可具備“腐蝕電池”的條件，然而“腐蝕電池”的運作和發(fā)展，

尚需要其他條件。如建立和保持陰、陽極之間的電位差(電池的原動力)，就是維持“腐蝕電

池”運作的關鍵條件之一，同時，陰、陽極之間的電阻也很重要。根據(jù)歐姆定律，腐蝕電流

(腐蝕速度)可表示為：I=Vp-Va/R式中Vp——陰極電位；

Va——陽極電位；

R——陰極、陽極之間電阻。可以看出，若腐蝕電池啟動后，陰、陽極間電位差不能保持，很快變小或變無，則腐蝕停止

；而當陰極、陽極之間電阻很大時，腐蝕電流(速度)很小。如較干燥的混凝土中，盡管腐蝕

電池可能存在，但效率很低，鋼筋腐蝕可無大影響。

腐蝕電池的存在是腐蝕發(fā)生的必要條件，而其發(fā)展的動力學與速度的控制因素，對于混凝土

中鋼筋腐蝕破壞作用，也是十分重要的。

(1)陽極控制?；炷恋母邏A度，使其內鋼筋表面生成“鈍化膜”，它能阻止鐵的離子化(陽

極反應)過程。即使是陰極有足夠的氧或混凝土含有一定的水(電阻低)，只要“鈍化膜”較

完整，鋼筋腐蝕速度可以很低或可以忽略。一般條件下，多數(shù)鋼筋混凝土結構是受陽極控制

的。由此可以看出，鋼筋表面的“鈍化膜”對保護鋼筋是非常重要。

(2)陰極控制。當氧不足或缺乏時，陰極過程受阻，腐蝕效率取決于陰極反應的速度。如處

在深海中的鋼筋混凝土結構物，盡管混凝土含水率高，并有氯離子，甚至鋼筋“鈍化膜”不

夠完整，但由于深水中缺氧，其鋼筋腐蝕速度仍是低的。

(3)阻力控制。當混凝土處在干燥環(huán)境中，或混凝土較密實(外界介質、離子滲入較困難)，

或用外涂覆層將混凝土與環(huán)境隔離時，混凝土可具有相