分析桥梁结构钢筋锈蚀及应对措施

口魏伦章

摘要:本文将从桥梁结构钢筋锈蚀的原因，对结构产生的影响及其预防、维修几个方面进行较为深入的研究和探讨，供广大同仁参考借鉴。

关健词:钢筋锈蚀;桥梁结构;措施

长期以来，桥梁混凝土结构由于钢筋的锈蚀而使桥梁结构强度下降，耐久性降低，结构安全性得不到保障，甚至遭到严重破坏的现象始终困扰着工程设计者和建设者们。同时由此带来的工程损失及处理费用也迅速增加，这不得不引起相关领域专家和技术人员的高度重视。

 1导致钢筋锈蚀的原因

   1.1混凝土碳化引起钢筋锈蚀

 通常，在密实而完好的混凝土中，只有当空气相对湿度接近80，或者在干湿交替的情况下，所处的干湿时间之比正好使混凝土达到特定的潮湿状态时)，才会发生钢筋生锈。但当混凝土密实性不足，即混凝土的孔隙率越高，组织不均匀时，则空气中的二氧化碳容易渗入混凝土内部，使氢氯化钙慢慢经过化学反应变成碳酸钙，而引起中性化(即碳化)，从而使混凝土碱性降低，减弱对钢筋的保护作用，当碳化到钢筋表面时，使钝化膜遭到破坏，钢筋就开始腐蚀，从而导致钢筋的锈蚀。  众所周知，大气是二氧化碳的主要来源，对于普通的硅酸盐而言，水化产生的氢氧化钙可达到整个水化产物的10%-15%，它作为水泥水化产物之一，一方面，它是混凝土高碱度的提供源和保证者，对保护钢筋起着十分重要的作用;另一方面，它又是混凝土中最不稳定的成分之一，很容易与环境中的酸性介质发生中和反应，使混凝土碳化，并逐步延伸到钢筋，使钢筋开始锈蚀。 当钢筋有足够厚度的保护层时，钢筋受到保护而不易生锈。然而，当保护层太薄时，钢筋失去碱性，钝化膜局部破坏。当混凝土处于一定的潮湿状态时，钢筋就易于受到锈蚀。保护层破坏而引起钢筋的锈蚀，更是比较常见的。 由此可见，钢筋锈蚀的主要原因是混凝土密实性不足，和钢筋保护层厚度不足或遭到破坏。

1.2氯离子引起的钢筋锈蚀

海洋环境、大气中的酸性气体以及潮湿环境等，都是促使钢筋锈蚀的客观原因。处于海洋环境中的钢筋混凝土结构物，其水上部位尤其是经常受浪花溅湿的地方，在水分蒸发后，使盐分不断积聚，提高了混凝土的导电性质和钢筋周围氯离子的浓度，引起钢筋钝化膜的破坏，加快了钢筋的锈蚀，使钢筋更容易生锈。 若工业区的大气中存有酸性气体，诸如二氧化硫、氯化氢、氯气等，同样能被混凝土吸收而与氢氧化钙相结合，从而使混凝土的碱性急剧下降。    氯离子进入混凝土通常有两种途径:其一是掺入如含有氯盐的外加剂，使用海砂，施工用水含氯盐，在含盐环境中搅拌、浇筑混凝土;其二是混入环境中的氯盐通常通过混凝土的宏观、微观缺陷，渗入到混凝土中并达到钢筋表面，直接或间接破坏混凝土的包裹作用及钢筋钝化的高碱度两种屏障，使之发生锈蚀继而这种锈蚀产物引起体积膨胀，使混凝土保护层开裂与脱落。    氯离子引起钢筋锈蚀可以从以下几个方面分析。

1.2.1破坏钝化膜

由前可知，混凝土属于碱性材料，有利于钢筋表面形成保护钢筋的钝化膜。但这种钝化膜只有在高碱环境中才是稳定的。如果周围环境P日值降到11.8时，钝化膜就开始变得不稳定，当P日值继续降到9.88时，钝化膜就开始变得难以生存或逐渐破坏，使得进入混凝土中的氯离子吸附于钝化膜处，并使钝化膜的P日值迅速降低，逐步酸化，从而使得钝化膜被破坏。

1.2.2形成腐蚀电流

无论混凝土碳化还是氯离子侵蚀，都可以引起钢筋部分锈蚀，在钝化膜破坏处有腐蚀电流产生，在钝化膜的破坏与未破坏区域间存在电位差，有宏电流产生，但微电流要比宏电流大得多。又因为氯离子的存在大大降低了混凝土的电阻率，并且氯离子和铁离子的结合可以形成易溶于水的氯化铁，从而加速了腐蚀产物向外的扩散过程，并由于宏观腐蚀电流在钝化膜破坏区域边缘最大，使得靠近钝化区边缘的局部钝化膜破坏较快，形成所谓局部锈蚀钢筋的“边缘效应”。

1.2.3氛离子导电作用

正是由于混凝土结构中氯离子的存在，大大降低了阴、阳极之间的欧姆电阻，强化了离子通路，提高了腐蚀电流的效率，从而加速了钢筋的电化学腐蚀过程，氯离子对混凝土中钢筋锈蚀更严重更快速。而氯化物是钢筋的一种活化剂，它能置换钝化膜的氧而使钢筋发生溃烂性腐蚀，而氯盐是高吸湿性的盐，它能吸收空气中的水分变成液体，从而使氯离子从扩散作用变成渗透作用，达到氯离子透过保护区去腐蚀钢筋的目的。

1.2.4氛离子的阳极去极化作用

氯离子不仅促成了钢筋表面的腐蚀电流，而且加速了电流的作用过程。阳极反应过程Fe2e+Fe2+，如果生成的Fe2+不能及时搬运而积累于阴极表面，则阴极反应就会因此而受阻。相反，如果生成的Fe2+及时被搬走，那么，阳极反应过程就会顺利乃至加快进行。CI与Fe相遇就会生成FeCl2, CI能使Fe消失而加速阳极过程。通常把阳极过程受阻称做阳极极化作用，而加速阳极过程者，称作阳极去极化作用。氯离子正是发挥了阳极去极化作用的功能。    

应该说明的是，在氯离子存在的混凝土中，钢筋通常的锈蚀产物很难找到FeCI2的存在，这是由于FeCI2是可溶的，在向混凝土内扩散遇到氢氧根离子，立即生成Fe (OH)2的一种沉淀物质又进一步氧化成铁的氧化物，即通常说的“铁锈”。由此可见，氯离子只起到了“搬运”的作用，而不会消失，也就是说进入混凝土的氯离子，会周而复始地起破坏作用，这也是氯盐危害特点之一。

1.2.5氛离子与水泥的作用及对钢筋铸蚀的影响学术。

水泥中的铝酸三钙，在一定条件下，可与氯盐作用生成不溶性“复盐”，从而降低了混凝土中游离氯离子的存在。从这个角度讲，含铝酸三钙高的水泥品种有利于防止氯离子的侵害。然而，复盐只有在碱性环境下才能生成和保持稳定，当混凝土的碱度降低时，复盐会发生分解，重新释放出氯离子来。据有关钢筋锈蚀实验发现，如果大面积的钢筋表面上具有高浓度的氯化物，则氯化物所引起的锈蚀是均匀的;但是在不均质的混凝土中，常见的是局部锈蚀，导致点蚀。首先是在很小的钢筋表面上，混凝土孔隙处具有较高的氯化物浓度，具备了破坏钢筋表层钝化膜的条件，形成小阳极。此时，钢筋表面的大部分仍具钝化膜，成为大阴极。这样组成的锈蚀电偶，由于大阴供养充电，使小阳极上的铁迅速溶解而产生沉淀，小阳极区局部酸化;同时，由于大阴极区的阴极反应，生成氢氧化根离子，pH值增高，氯离子提高了混凝土的吸湿性，使得阴极与阳极之间的混凝土孔隙的欧姆电阻降低。这几方面的自发变化，将使上述局部锈蚀电偶得以自发地以局部深入形式继续进行。

1.3结构产生裂缝加速钢筋锈蚀

钢筋混凝土桥梁构件产生裂缝将会加速钢筋锈蚀的进程。处于水、氧、二氧化碳或氯离子等环境介质的混凝土，一旦出现裂缝而且宽度超过一定的界限时，这些介质就会通过裂缝顺畅地到达裂缝处的钢筋表面，引起钢筋锈蚀。可见，裂缝对钢筋锈蚀起着促进作用。

2钢筋锈蚀对结构产生的影响

2.1钢筋锈蚀而引起体积膨胀

据有关资料显示，钢筋锈蚀产生的体积比锈蚀前的体积大得多(一般可达2-3倍)，体积膨胀压力使钢筋外围混凝土产生拉应力，引起沿钢筋纵向的混凝土裂缝，使钢筋与混凝土之间的豺结力下降，发生顺筋开裂，从而使混凝土产生剥离、开裂，削弱了钢筋(抗拉抗剪)和混凝土(抗压)的共同作用，破坏了混凝土的受力性能，降低了材料的耐久‘}生能，使结构的耐久性也相应降低，甚至引起钢筋混凝土的失效，影晌桥梁的使用寿命。

 2.2削弱钢筋的受力断面

 钢筋锈蚀直接使钢筋截面减少，从而使钢筋的承载力下降，极限延伸率减少。特别是高强钢丝的表面积大而断面小，锈蚀对受力的危害更大。据有关资料显示，钢筋因锈蚀引起的混凝土剥落和开裂与钢筋截面减少的关系如表1所示。

          表1混凝土剥落开裂与钢筋截面减少的关系表

桥梁结构的钢筋防锈措施

3.1.1提高混凝土的密实性

一般方法是控制混凝土水灰比，使其不超过规范规定的最大允许值，并严格控制施工质量。桥梁混凝土结构，为保证混凝土的密实度和耐久性，其最大水灰比和最小水泥用量必须严格控制。

3.1.2严格掌握规范要求和规定

为使钢筋不致生锈，从而提高桥梁结构的耐久性，在使用材料、施工技术、设计标准上都要严格执行规定要求。比如设计时对钢筋混凝土结构钢筋保护层的最小厚度、混凝土拌合用水、外加剂、最小单位水泥用量等项目，要严格掌握，并裂缝宽度，以符合规范要求和规定。

 3.1.3合理选用水泥品种

 在施工中合理选用水泥品种，不宜采用掺入大量混合材料的水泥，因为这些水泥的碱性太低。

 3.1.4对钢筋保护层垫块进行适当改进

 钢筋保护层垫块的质量，直接影晌到混凝土构件钢筋的保护。一般是采用水泥砂浆制作垫块，其表面是平的。在垫支钢筋时，由于钢筋接触垫块面积小，砂浆强度较低，在混凝土浇注过程中如被踩踏或压重物，很容易损坏。    改进的钢筋保护层垫块，可根据保护层的厚度进行预制，平面尺寸大小一般为50mm x 50mm，选用中粗砂作为骨料，强度要满足要求。在垫块上表面预制大于钢筋直径的十字凹槽，在垫支钢筋时能够使垫块受力均匀，不易移动和损坏。

 3.1.5给特殊部位的桥梁结构混凝土进行涂层处理使钢筋得以间接防锈

 据上海地区相关试验，通过对涂有聚合物涂层的混凝土的氯离子渗透性、气体渗透性以及碳化性能进行的研究发现:涂层对混凝土防腐效果显著，其中苯丙乳液效果最佳，可以使混凝土的气渗系数降低至0，抗氯离子渗透性能提高3个数量级，碳化深度大幅下降。建议苯丙涂层的厚度为1.0mm

 3.2桥梁结构钢筋锈蚀的维修

 混凝土桥梁结构钢筋锈蚀的维修方法和步骤主要有:

  (1)凿除因锈蚀而已松脱、剥落的损坏部分的混凝土，使钢筋全部露出;当混凝土易于清除时，钢筋周围2.5cm左右的混凝土，可保留在下一步骤里清除。

  (2)用喷砂或其他工具(如钢丝刷等)清除钢筋及混凝土表面上的铁锈和灰尘，对钢筋做除锈处理，并对钢筋除锈后即进行防锈处理。

  (3)为提高新老混凝土之间的钻结力，可在清除好的混凝土及钢筋上，均匀涂以环氧胶液等钻合剂。

  (4)立模、配料、浇筑新的混凝土或砂浆;或采用干式或湿式喷浆法喷涂混凝土或砂浆;或浇筑环氧砂浆或环氧混凝土等防腐蚀修补材料。

  (5)为防止混凝土表面产生中性化(碳化)而继续受损，对新喷涂或浇筑混凝土面进行表面处理(如涂上防水剂等)。

 4结束语

 由前所述，桥梁结构的耐久性降低，主要表现特征为某些部位的混凝土开裂，混凝土钢筋保护层太薄，混凝土抗水、有害离子渗透‘}生及抗碳化性能差等，它们都能引起钢筋的锈蚀。因此，无论在桥梁结构的设计和施工当中各个环节都要加强对钢筋锈蚀的重视程度，注重预防和养护维修，才能使桥梁结构安全运营，最大限度地发挥其使用效率。口

    (作者单位:龙川县公路局)

广东科技2007.11怠第174