鋼筋混凝土中鋼筋腐蝕原理的研究

    摘　要：在混凝土中，最能影響其耐久性的因素莫過于鋼筋的腐蝕，由于鋼筋的腐蝕而引起的混凝土耐久性的降低在混凝土中占有相當?shù)谋戎?。該文從鋼筋腐蝕的原因出發(fā)，根據(jù)電化腐蝕理論，討論了氯鹽及碳化對鋼筋產(chǎn)生腐蝕的機理，為有效保護鋼筋提供了更為清晰的理論依據(jù)。

    關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土；鋼筋腐蝕；電化腐蝕；氯鹽；碳化

    1 　鋼筋腐蝕的種類

    金屬表面與周圍介質(zhì)發(fā)生化學變化及電化學作用而遭到的破壞，叫做金屬的腐蝕。如果這個破壞是發(fā)生在鋼筋上的，便是鋼筋的腐蝕。這種腐蝕有兩大類，分別是化學腐蝕和電化學腐蝕。

    1. 1 　化學腐蝕

    鋼筋表面與氣體或電解質(zhì)溶液接觸發(fā)生化學作用而引起的腐蝕，稱為化學腐蝕。這種腐蝕其腐蝕過程沒有電子的流動，只是腐蝕現(xiàn)象的一小部分。

    1. 2 　電化學腐蝕

    1. 2. 1 　概念

    鋼筋表面與介質(zhì)如濕空氣，電解質(zhì)溶液等發(fā)生電化學作用而引起的腐蝕，叫做電化學腐蝕。在這種腐蝕的過程中有電子的流動，絕大部分腐蝕屬于化學腐蝕。

    1. 2. 2 　電化學腐蝕的原理

    當金屬與電解質(zhì)溶液接觸時，由于金屬與雜質(zhì)的電位不同，在金屬表面形成許多微小的原電池。金屬在腐蝕是金屬作為陽極的自溶解過程，它必然要有共軛的陰極相配合，無論金屬如何活潑，如果沒有共軛的陰極存在，金屬的腐蝕也不會發(fā)生。金屬鐵所遇到的共軛陰極有以下幾種情況：

    (1) 析氫腐蝕：鐵浸在無氧的酸性介質(zhì)中受到腐蝕。鐵作為陽極發(fā)生溶解，對應(yīng)的共軛陰極反應(yīng)是H+ 離子放電，其反應(yīng)式為：

陽極反應(yīng)：FeO →Fe^2＋＋2e

陰極反應(yīng)：2H^＋＋ 2e→ H₂

    此腐蝕有氫氣析出，故稱為析氫腐蝕。

    (2) 日常遇到的大量的腐蝕現(xiàn)象往往是有氧存在，pH 值接近中性的條件下發(fā)生的腐蝕。這是鐵腐蝕的共軛陰極，是氧化還原反應(yīng)。反應(yīng)式如下：

陽極反應(yīng)：2FeO→ Fe^2＋＋4e

          陰極反應(yīng)：O₂＋2H₂O＋4eo Fe^2＋→ 4OH^－

    (3) 介質(zhì)中的氧化還原反應(yīng)：介質(zhì)中存在電位較高的氧化劑，氧化劑的還原反應(yīng)成為金屬溶解的共軛陰極反應(yīng)，使鐵溶解。如：

    陽極反應(yīng)：FeO →Fe^2＋＋2e

陰極反應(yīng)：2Fe^3＋＋2e →2Fe^2＋

    1. 2. 3 　鋼筋的腐蝕過程

     鋼筋的腐蝕過程有兩種，一種是電極反應(yīng)交換電流引起的腐蝕。鋼鐵在酸性溶液中的溶解屬于此類。另外一種是擴散速度控制的腐蝕過程。混凝土中鋼筋的腐蝕大多數(shù)屬于這種腐蝕。在中性和堿性的介質(zhì)中，H+ 離子的濃度很小，溶解過程的共軛陰極反應(yīng)往往不是氫的析出反應(yīng)，而是溶解在溶液中的氧的還原反應(yīng)。在這種情況下，鐵的自溶解速度完全受氧的極限擴散速度控制，因此在同一介質(zhì)中， 不同的金屬幾乎有相同的自溶解速度。不同種類的構(gòu)件在海水中的腐蝕速度大致相同，其原因就在這里。它們都是受氧的極限擴散速度所控制。攪拌能減少擴散層的厚度，加快氧的供應(yīng)，提高氧的極限電流，因此鋼鐵在流動的含氧介質(zhì)中腐蝕速度較快。另外，一般較長的鋼筋處在含氧量不同的介質(zhì)中所引起的腐蝕，成為充氣不均所引起的腐蝕。這種腐蝕的結(jié)果使含氧量較多的介質(zhì)中腐蝕的速度減慢，含氧量小的介質(zhì)中腐蝕速度增加，所以鐵在充氣小的部分會產(chǎn)生較大的腐蝕。

    2 　鋼筋的鈍化保護

    關(guān)于鈍化的機理有兩種理論：成相膜理論與吸附理論，這兩種理論盡管不同，但在本質(zhì)上都是在金屬的表層形成一層氧層。這是因為鐵離子Fe2 + 與溶液中的O2 - 離子結(jié)合，形成一層致密的氧化物保護膜，使腐蝕過程減慢或完全停止，從而使鋼筋得到了保護。在堿性溶液中，O2 - 離子的含量較多，因而容易形成氧化物保護膜。

    影響鋼筋鈍化的因素有，溫度和溶液的組成。降低溫度，鈍化容易出現(xiàn)。另外，溶液的pH 值，中性鹽的種類及濃度等對鈍態(tài)的建立過程有重要的影響。在稀溶液和中性溶液中，鋼筋一般比較容易鈍化，而鹵素離子的存在則能延緩或完全防止鈍態(tài)的出現(xiàn)。這是因為鹵素離子能明顯加速金屬的陽極溶解過程，它屬于一種活化作用。這種對金屬電極反應(yīng)的活化機理是：鹵素陰離子在金屬陽極過程中，首先被選擇性吸附，并在金屬表面形成表面絡(luò)合物，然后表面絡(luò)合物直接參加電極反應(yīng)而進行離解，降低了金屬電極過程的活化能，因而加速了技術(shù)陽極的溶解。

    3 　氯鹽的侵蝕及碳化

    3. 1 　氯鹽的侵蝕

    混凝土中氯鹽的侵入有兩種途徑，一是在混凝土拌合時為了改善混凝土的某些性質(zhì)如工作性、早強性等作為外加劑加入的。另外一種是在混凝土硬化以后，外界的氯離子通過滲透的作用從混凝土的毛細孔中進入的。當混凝土開裂時，氯鹽順著裂縫進入的量會增加。一般認為在混凝土拌合時加入的氯鹽，其氯離子被C2S2H 膠體吸附，對鋼筋的腐蝕沒有多大的影響。但是后來進入的氯離子，等它到達鋼筋表面時，盡管它一般不改變鋼筋周圍的堿性環(huán)境，但是它降低了鋼筋作為陽極反應(yīng)的活化能，使鋼筋容易發(fā)生腐蝕。

    3. 2 　碳化

    所謂碳化是指混凝土中的氫氧化鈣與空氣中的二氧化碳反應(yīng)，生成碳酸鈣的過程。混凝土中的氫氧化鈣使混凝土保持堿性，有利于鋼筋的鈍化。但當碳化鋒面到達鋼筋時，鋼筋周圍的堿性環(huán)境也就消失了，同時碳化使被C₂S₂H 膠體粘結(jié)的氯離子成為自由活動的氯離子，使鋼筋容易發(fā)生腐蝕。

    碳化有時候?qū)炷烈彩怯欣摹Ｔ诿軐嵉幕炷林?，當碳化深度較小時，碳化形成的硅、鋁、氧化鐵骨架被生成的碳酸鈣填充。使碳化后的強度比原始的混凝土的強度更高，而且具有更低的滲透性。應(yīng)該注意的是，對于疏松多孔的混凝土，碳化的這種加強作用是不明顯的，碳化永遠不能使這種混凝土成為質(zhì)量較好的混凝土。

    4 　結(jié)論

     鋼筋的腐蝕都是在潮濕的環(huán)境中或在電解質(zhì)溶液中發(fā)生的。如果混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境很干燥， 那么鋼筋的腐蝕就不會發(fā)生。從以上的分析可以看出，大部分鋼筋的腐蝕都是溶解在水中的氧氣獲得電子成為鋼筋腐蝕的共軛陰極。因此，腐蝕的速度及程度都是由氧氣的極限擴散速度限制的。在常溫下，氧氣在水中的溶解度是極其有限的。因此，當混凝土毛細孔中有水，但是溶解在里面的氧氣消耗完后，外面的氧氣如不能繼續(xù)溶解，那么腐蝕也是有限度的。當混凝土結(jié)構(gòu)處于干濕交替頻繁的區(qū)域，混凝土中毛細孔吸水、失水交替進行，將會大大增加氧氣的擴散速度，使鋼筋的腐蝕速度加快，腐蝕的程度加深。在這種情況下，它比始終處于潮濕狀態(tài)下的混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕要嚴重一些。根據(jù)以上的分析，為了提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，可以采用以下措施：

    (1) 減少混凝土拌合時的水灰比，以減少混凝土的孔隙率，使混凝土的吸水率降低，從而降低氧氣的攝入量；

    (2) 在混凝土澆注過程中加強振搗，減少混凝土空隙，減少氯離子、二氧化碳、氧氣等進入的途徑。同時需要振搗均勻，使混凝土成為均質(zhì)的物質(zhì)，防止鋼筋因處于不均勻的介質(zhì)中而發(fā)生局部腐蝕嚴重的情況；

    (3) 在鋼筋表面做一層涂層，防止孔隙溶液與鋼筋接觸；

    (4) 對鋼筋要留有足夠的混凝土凈保護層，或在混凝土外面做一層罩面，阻塞混凝土的表面的毛細孔，減少各種有害物質(zhì)的侵入。