混凝土中钢筋的腐蚀机理及影响因素分析

【摘 要】钢筋腐蚀是在役钢筋混凝土结构性能劣化的重要原因之一。钢筋的腐蚀机理及影响因素分析，对于在役钢筋混凝土结构的承载能力评估、维护加固决策和服役寿命预测等具有重要意义。本文首先分析了混凝土中钢筋的腐蚀机理，然后讨论了水灰比、水泥种类及活性掺和料、混凝土电阻率、保护层厚度、环境温度、相对湿度、结构荷载等因素对钢筋腐蚀速率的影响规律，对于混凝土中钢筋腐蚀的预防和控制具有指导意义。

【关键词】混凝土；钢筋；腐蚀速率；影响因素

钢筋腐蚀是在役钢筋混凝土结构性能劣化的重要原因之一。钢筋腐蚀主要包括诱导期和发展期两个阶段。前者主要关注侵蚀性物质（如二氧化碳或氯离子）在混凝土中的传输累积规律以及钢筋表面钝化膜的脱钝过程；后者主要关注腐蚀钢筋混凝土结构的性能劣化规律。由于钢筋腐蚀速率不仅控制了钢筋有效承载面积削减的快慢，而且决定了腐蚀产物的生成与积累过程，进而影响混凝土保护层的开裂和剥落，所以混凝土中钢筋的腐蚀机理和影响因素分析是钢筋腐蚀发展期的重要研究内容。

1 混凝土中钢筋的腐蚀机理

（1）

在钝化膜完好区的钢筋与混凝土交界面，氧气和水获得从阳极区通过钢筋转移到该区域的电子而形成OH-，发生还原反应，形成钢筋宏电池腐蚀的阴极，对应的电化学反应方程式为

（2）

图1 混凝土中钢筋的宏电池腐蚀图示

阳极氧化反应生成的Fe2+与阴极还原反应生成的OH-会进一步通过下式反应生成Fe（OH）2

（3）

当混凝土中的氧气供应充足时，Fe（OH）2与氧气反应生成Fe（OH）3，Fe（OH）3脱水后变成疏松、多孔的红锈Fe2O3，其化学反应方程式为

（4）

（5）

当混凝土中的氧气供应不足时，Fe（OH）2与氧气反应生成黑锈Fe3O4，其化学反应方程式为

（6）

钢筋腐蚀不仅导致钢筋的有效承载面积减小，而且所生成的腐蚀产物（如Fe（OH）2、Fe（OH）3和Fe2O3）发生体积膨胀，会导致混凝土开裂，甚至引起钢筋与混凝土之间发生粘结滑移，从而劣化钢筋混凝土结构的性能。

2 混凝土中钢筋腐蚀的影响因素

（1）水灰比

水灰比直接影响混凝土的强度和密实性，进而影响钢筋的腐蚀速率。减小水灰比，能够改善混凝土和钢筋交界面处的微观结构，降低该区域的氧气和孔隙水含量。一般来讲，水灰比越大，混凝土的强度就越低，密实性越差，外界物质越容易侵入混凝土内部，导致混凝土内钢筋的腐蚀速率越高。

（2）水泥的种类及活性掺和料

不同水泥的成分有很大的差异，对水泥水化产物的成分和含量有很大的影响，进而影响到混凝土的强度和密实性。活性掺合料能够参与水泥的水化，增加混凝土中水化硅酸钙凝胶的含量，降低混凝土中连通孔隙的数量，提高混凝土的密实性，进而减小混凝土内钢筋的腐蚀速率。

（3）混凝土电阻率

混凝土的电阻率与混凝土的水饱和度、混凝土原料、氯离子含量、碳化程度、温度等因素相关。电阻率反映了混凝土内部的粒子通道数量，二者表现为反比关系。随着混凝土电阻率的减小，钢筋的腐蚀速率逐渐增大。

（4）混凝土碳化程度和氯离子含量

混凝土碳化和氯离子侵蚀是混凝土内钢筋腐蚀的两个主要原因。通常，混凝土碳化会导致混凝土的中性化，当钢筋表面混凝土孔隙溶液的pH值小于临界值后，钢筋钝化膜开始破坏。当混凝土钢筋表面的自由氯离子浓度超过临界氯离子浓度后，钢筋钝化膜也会发生破坏。自由氯离子的含量越高，钢筋腐蚀的速率越高，且发生点蚀的概率也越大。

（5）混凝土保护层厚度

环境中的侵蚀性物质达到钢筋表面必须经过混凝土保护层。保护层越厚、越密实，侵蚀性物质达到钢筋表面的时间越长。因此增加混凝土保护层厚度能够有效减缓钢筋钝化膜破坏、开始腐蚀的时间，即延长腐蚀诱导期。

然而，混凝土保护层厚度对钢筋腐蚀速率的影响规律目前还没有一致性结论。Mendoza等基于野外暴露腐蚀试验，发现部分试件的钢筋腐蚀速率随着保护层厚度的增加而不断增大；Hussain等分析了不同环境条件下混凝土中的氧气对钢筋腐蚀速率的影响，发现部分试件的钢筋腐蚀速率随保护层厚度增加而增大。采用加速腐蚀试验，分析了保护层厚度对钢筋腐蚀速率的影响，发现钢筋的腐蚀速率随着混凝土保护层厚度的增加而不断减小。

（6）空气相对湿度

空气相对湿度直接影响混凝土的水饱和度，后者通常随着前者的增加而增加，进而引起混凝土电阻率的降低。同时，空气相对湿度的增大会使混凝土中氧气的扩散速度降低，进而使阴极反应的速率降低。在两者的综合作用下，钢筋的腐蚀速率随空气相对湿度的增加先增加再减。

（7）环境温度

根据Arrhenius方程可知，温度的升高会加快化学反应速率。但由于钢筋腐蚀过程比较复杂，关于温度对钢筋钢筋腐蚀速率的影响仍缺乏统一性的结论。发现在阳极控制的条件下，反应速率主要与阳极的温度有关，且在68℃以下时反应速率随着温度的升高呈指数形式增加，符合Arrhenius方程；在阴极控制的条件下，腐蚀速率主要与阴极温度有关，且在80℃以下时呈线性关系增长，高于80℃后，由于氧气的溶解度降低，腐蚀速率迅速减小。对混凝土试件进行了为期1.5年的监测，发现钢筋的腐蚀速率和温度之间没有明显的关系。研究发现，在含氯盐的湿润混凝土中，腐蚀速率随着温度的升高而增加；在干燥或半干燥的混凝土中，温度对钢筋腐蚀速率的影响规律恰好相反。

（8）结构荷载

结构荷载直接影响裂缝的宽度、间距以及钢筋的应力。混凝土开裂后，裂缝为外界侵蚀性离子侵入混凝土内部提供了快速通道，进而引起钢筋腐蚀速率的增加。

3 结语

基于混凝土中钢筋的腐蚀机理，讨论了水灰比、水泥种类及活性掺和料、混凝土电阻率、保护层厚度、环境温度、相对湿度等因素对钢筋腐蚀速率的影响规律，对于混凝土中钢筋腐蚀的预防和控制具有指导意义。

参考文献：

[2]施惠生，郭晓潞，张贺.水灰比对水工混凝土中钢筋锈蚀的影响[J]. 水利学报，2009.

[3]施惠生，郭晓潞，张贺.氯离子含量对混凝土中钢筋锈蚀的影响[J]. 水泥技术，2009.

[4]余波，毋铭，杨绿峰.混凝土保护层对钢筋腐蚀行为和腐蚀速率的影响[J].工业建筑，2014（7）.