钢筋锈蚀

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一、综述

 

钢筋锈蚀是一个电化学过程，需要阳极、阴极和电解液。潮湿混凝土基质中的水分是一种不错的电解液，而钢筋本身就提供了阳极和阴极。电流在阳极和阴极间流动并使得钢筋发生电化学反应，在这个反应过程中，铁Fe被氧化生成亚铁Fe(OH)₂和氢氧化铁Fe(OH)₃，还会生成沉淀物碱式氧化铁FeO OH（铁锈的颜色来源于此），这些反应生成物的体积比原金属铁的体积大，对周围的混凝土产生应力，从而导致混凝土开裂、剥离，沿钢筋纵向产生裂缝，并有锈迹渗出到混凝土表面。由于锈蚀使钢筋有效截面积减小，钢筋与混凝土握裹力削弱，结构承载力下降，并诱发其它形式的裂缝，导致水和空气进入裂缝，加速钢筋的锈蚀，形成恶性循环。

 

水和氧气是这个电化学反应的必要条件，没有水和氧气的存在，这个电化学反应就不会发生。在高质量的混凝土中，钢筋锈蚀的速度很慢。如果混凝土的PH值（碱性）下降（碳化反应）或有腐蚀性化学物质侵蚀（氯离子等）或在混凝土中存在不同的金属，都会使钢筋的锈蚀速度加快。其他如弥散电流或由于化学环境不均匀而产生的浓差电池现象等，也可以使钢筋的锈蚀速度加快。

二、钢筋钝化膜受损机理

混凝土孔隙中是碱性很强的氢氧化钙（Ca(OH)₂）溶液，其理论PH值在12.5左右，但由于混凝土通常还会含有少量的钠盐（Na₂O）和钾盐（K₂O），因此，实际PH值往往大于13。在这样的强碱性环境中，钢筋表面被氧化，形成一层很薄（10^-9数量级）但很致密的水化氧化膜，牢固地吸附在钢筋表面，使钢筋处于钝化状态，俗称“钝化膜”。当钢筋处于钝化状态时，即使在有水分和氧气存在的条件下，钢筋也不会发生锈蚀。

 

在没有杂散电流的环境中，有两个因素会损坏钢筋钝化膜，一是混凝土中性化（主要形式是碳化反应）使钢筋附近的PH值降低；二是足够浓度的游离氯离子（Cl^-）扩散到钢筋表面。

 

碳化反应（或硫酸等引起的其他中性化）使混凝土孔隙中的氢氧化钙含量逐渐减少，PH值逐渐下降。当PH值下降到11.5左右时，钝化膜不再稳定，当PH值降到9—10时，钝化膜就会被完全破坏，钢筋处于脱钝状态，锈蚀就有可能发生。

 

当钢筋表面的混凝土孔隙溶液中的游离氯离子浓度超过一定值时，即使在碱性较强、PH大于11.5的环境下，氯离子也能破坏钝化膜，从而导致钢筋发生锈蚀。因为氯离子的半径小，活性大，容易吸附在钝化膜有缺陷的地方。同时，氯离子有很强的穿透钝化膜的能力，在钢筋与钝化膜之间界面形成易溶于水的氯化铁（FeCl₂），使钝化膜局部溶解，形成坑蚀。如果氯离子在钢筋表面分布比较均匀，这种坑蚀现象会广泛发生，点坑蚀扩大、合并，导致发生大面积的锈蚀。

三、钢筋锈蚀的电化学机理

脱钝后钢筋的锈蚀是一个电化学过程，需要具备三个条件。第一，钢筋表面存在电位差，有阴极和阳极；第二，钝化膜受到破坏，处于不稳定状态；第三，钢筋表面有电化学反应和离子扩散需要的水和氧气。

 

由于混凝土的碱性或氯离子浓度分布不均匀、钢筋在加工过程中导致的内部应力不均匀、钢筋中碳元素和其他合金元素分布不均匀等因素，都会导致钢筋各个部位的电位不同，形成阴极和阳极，因此，实际上第一个条件总是存在的。

 

当钢筋表面的钝化膜受到破坏处于不稳定状态，而水和氧气又能满足要求时，钢筋的锈蚀就开始了。钢筋锈蚀包括四个基本过程：

  

1，阳极反应过程：阳极区通常是钝化膜受到破坏的区域，这里的铁原子转变为阳离子（Fe² ），同时释放出2个电子：

 

图2：阳极反应方程式

 

2，电子传输过程：阳极区释放的电子通过钢筋向阴极区传送。

 

3，阴极反应过程：阴极区附近混凝土孔隙中的水和氧气吸收阳极区传来的电子，发生还原反应，生成氢氧根（OH^-）

图3：阴极反应方程式

 

4，锈蚀产物生成过程：阳极区生成的铁离子（Fe² ）向周围水溶液中扩散，与阴极区生成的氢氧根（OH^-）发生反应，生成氢氧化亚铁（Fe(OH)₂），然后再进一步氧化，生成氢氧化铁（Fe(OH)₃）。氢氧化铁脱水后，就会变成疏松、多孔的红锈三氧化二铁（Fe₂O₃），堆积在阳极区表面。在氧气不足的情况下，氢氧化亚铁也会因氧化不完全，形成部分黑色的铁锈四氧化三铁（Fe₃O₄），同样，也堆积在阳极区。

 

图4：氧化方程式

四、影响钢筋锈蚀的因素

混凝土中钢筋锈蚀的速度与以下因素有关：

 

1，混凝土的PH值：

混凝土的PH值对钢筋的锈蚀速度影响很大。当PH值在4---10之间时，锈蚀速度基本不变。当PH值小于4时，锈蚀形式发生变化，不再是吸氧锈蚀，而变成析氢锈蚀，锈蚀速度迅速上升。当PH值大于10时，锈蚀速度的降低与PH值的增大大致成正比。当PH值大于11.5时，钢筋处于完全钝化状态，锈蚀不会发生。

 

2，温度：

锈蚀速度对温度很敏感，摄氏40度时，锈蚀速度是摄氏22度时的2倍。温度小于摄氏10度时，锈蚀速度很慢。在10----60度之间，锈蚀速度基本与温度上升成正比。

 

3，氯离子浓度：

钢筋附近的氯离子浓度越大，对钝化膜的破坏力就越大，钢筋的活性越大，锈蚀速度也越大。由于钢筋的活性还受氢氧根浓度的影响，氢氧根浓度高时，钝化膜的稳定性就好，破坏钝化膜需要的氯离子浓度就大，反之亦然。因此，氯离子浓度与氢氧根浓度之比有一个临界值，小于这个临界值时，锈蚀不会发生。

 

4，混凝土的电阻抗：

混凝土的电阻抗是影响钢筋锈蚀的一个重要因素，无论是否有氯离子存在，在很大范围内，钢筋的锈蚀速度与混凝土的电阻抗成反比。降低水灰比，延长养护龄期，提高水泥水化程度等措施都有利于提高混凝土的电阻抗。

 

5，保护层厚度：

钢筋的保护层厚度越大，氧气的浓度梯度越小，锈蚀速度越慢。

 

6，水泥品种和掺合料：

C₃A（铝酸三钙）对氯离子的吸附作用最大，因此当铝酸三钙含量高时，被吸附的氯离子多，游离的氯离子的浓度小，对防止锈蚀有利。高碱水泥的孔溶液中的氢氧根浓度高，也能降低锈蚀速度。

 

各种掺合料对降低锈蚀速度都是有利的，主要体现在延缓锈蚀的开始时间和降低锈蚀速度上。因为矿渣粉、粉煤灰、硅粉等都对氯离子有较大的吸附作用，从而降低了游离氯离子的浓度。矿渣粉的掺入对于氢氧根浓度影响不大，因此其改善混凝土抗锈蚀性能最好。相反，粉煤灰掺入后，会降低氢氧根浓度，这对防护钢筋锈蚀是不利的。但它能密实孔结构，降低氯离子和氧气的扩散系数，这对防护钢筋锈蚀又是有利的。从效果上看，粉煤灰对防治氯离子引起的锈蚀没有矿渣粉好。不管碳化反应引起还是氯离子引起的锈蚀，掺入硅粉都是有利的。掺入硅粉可以降低氧气和氯离子的扩散速度，减小混凝土的孔隙率，提高电阻抗，从而大大降低锈蚀速度。