混凝土桥梁钢筋锈蚀的原因分析及预防措施

付美楼

混凝土对钢筋的保护，主要是依靠硅酸盐水泥在水化过程中产生的碱Ca(OH)2来提高混凝土液相pH值，使钢筋处于强碱环境中，其表面便产生致密氧化膜，使钢筋处于钝化状态。钢筋钝化的本质就是在金属表面形成起保护作用的平衡电层，并使表面的电化学电位升高或保持恒定，从而抑制金属离子水化过程的进行。而随着时间的推移，桥梁受外界环境因素影响，混凝土中钢筋的平衡电位遭受破坏，从而引起钢筋锈蚀，这一影响过程属于电化学过程，只有充分了解和掌握这些影响因素，才能有效预防和减缓钢筋锈蚀问题。

1 钢筋锈蚀的原因

1.1 混凝土的pH值

混凝土主要依靠硅酸盐水泥在水化过程中产生的碱来提高混凝土液相pH值，其水化过程如下:

钢筋锈蚀速度与混凝土液相pH值有密切关系，许多专家和学者在理论和试验基础上提出当pH＜9.8时钢筋不可能形成钝化膜;当9.8＜pH≤11.5时，钢筋处于不完全钝化状态，有发生局部腐蚀的可能;当pH＞11.5时钢筋才能生产较致密、完整的钝化膜，从而抑制铁变成离子活动状态。

1.2 混凝土的碳化

混凝土碳化反应过程如下:

混凝土在这一碳化过程中会使pH值下降，当pH＜11时，混凝土中钢筋表面的钝化膜就会被破坏，一旦钢筋钝化膜被破坏，钢筋中的铁离子就处于活化状态，很容易被孔隙中的氧氧化。当氧化不完全时生成Fe2O4(黑锈)体积膨胀2倍，当氧化进一步进行时，Fe2O4变成Fe2O3铁锈，体积膨胀 4倍。

1.3 混凝土中Cl-(氯离子)的作用

Cl-(氯离子)主要来源于混凝土添加剂和防冻剂，其破坏作用机理如下:1)Cl-有很高的活性和较小的半径，它能穿透或破坏钢筋表面的钝化膜。2)Cl-和钢筋反应生成FeCl2，该产物溶解性强，在远离钢筋表面处生成Fe(OH)2，一方面腐蚀产物不对金属表面有覆盖保护作用;另一方面Cl-并不消耗，而是继续重复起破坏作用。3)Cl-自身浓度差异及所造成的pH值差异，使钢筋出现更多的浓度腐蚀电池。4)Cl-的存在增加了混凝土的导电性能，从而提高了腐蚀电池的导电率。5)Cl-的存在还能影响水泥的水化过程，使水泥固化不完全，从而影响混凝土质量。

1.4 与混凝土本身有关的因素

1)混凝土的微观结构。2)水灰比和渗透率的关系。3)混凝土裂缝的存在。

1.5 空气中的氧和水的作用

1)空气中的氧主要起阴极去极化作用，氧能从阴极上取走电子，从而保证电极过程的持续进行，其反应过程如下:

2)空气中的水起到电解质作用，同时还参与化学反应，其反应过程如下:

3)钢筋的锈蚀或混凝土碳化均会破坏混凝土的保护层，保护层破坏后导致钢筋与空气接触面加大，空气中的氧和水加速腐蚀钢筋，且该腐蚀作用具有强烈的扩散控制作用。

1.6 钢筋材质的影响

不同类型的钢筋，其腐蚀敏感性不同，这主要是由于钢筋的化学成分、组织结构、热处理工艺不同，在外界条件下形成微电池的情况及微电池效应不同。

1.7 应力腐蚀

处在应力状态的钢筋很容易引起钢筋微小裂纹，钢筋中微小裂纹及薄弱处极容易引起应力集中，从而加剧腐蚀发展。预应力钢筋更容易腐蚀，而且应力腐蚀比一般腐蚀更危险。

1.8 设计方面

设计方面主要包括对桥梁所处环境考虑不周、结构计算时不全面或部分漏算、计算模型不合理、结构受力假设与实际受力不符、荷载少算或漏算、内力与配筋计算错误、结构设计时不考虑施工的可能性、设计断面不足、钢筋设置偏少或布置错误、构造处理不当、设计图纸交代不清等造成桥梁使用过程中出现裂纹或保护层不足等而引起钢筋锈蚀。

1.9 施工方面

无论是既有桥梁还是新建桥梁许多钢筋锈蚀问题主要来源于施工方面。如为缩短工期不适当使用外加剂，导致混凝土中Cl-严重超标;为增加混凝土的流动性，随意调整水灰比，导致水泥水化后混凝土孔隙率增加;另外还包括施工中常见的问题:如混凝土搅拌不均，搅拌时间过长，振捣不充分，配筋混乱，模板移动，施工缝处理不当等。

1.10 维修管理

1)维修管理工作者对桥梁裂纹、裂缝认识程度、重视程度不够，甚者对桥梁保护层脱落钢筋锈蚀较为严重也未及时维修。2)维修经费不足，管理模式不断变化，管理机构不断调整，是桥梁得不到及时维修的又一重要因素，这些因素造成许多桥梁裂纹、钢筋锈蚀等病害加剧发展，桥梁长期带病作业，严重影响桥梁的使用安全和耐久性。

1.11 其他因素

桥梁所处环境不同，混凝土中钢筋锈蚀程度也不同，如桥梁处在有强烈电磁场环境时，很容易引起钢筋去极化作用;在潮湿环境和干燥环境，在污染环境和非污染环境，钢筋锈蚀程度不同。

2 钢筋锈蚀危害性

1)大量的试验研究表明，当钢筋锈蚀导致梁体出现纵向裂缝时，钢筋截面减小率在0%～10%间;而当梁体混凝土保护层部分剥离时，截面减小率在5%～10%间;当保护层全部剥离时，截面减小率在15%～25%间。钢筋锈蚀，导致钢筋受力截面积减少，从而使钢筋的力学性能下降。2)钢筋锈蚀削弱了钢筋与混凝土之间的结合强度，从而削弱了钢筋抗拉抗剪强度，导致其不能把钢筋所受的应力有效地传递给混凝土。3)钢筋锈蚀产物引起体积膨胀，膨胀后的体积是其基体体积的2倍～4倍，随着钢筋的不断锈蚀，该产物在混凝土内不断积聚，对混凝土的挤压逐渐增大，混凝土保护层在这种挤压的作用下发生开裂、变形及剥离。4)钢筋的锈蚀使钢筋与混凝土结合强度逐渐丧失，直接影响着桥梁的使用安全和耐久性。

3 桥梁钢筋锈蚀的预防措施

3.1 设计方面

设计人员应充分考虑环境及相关不利因素，充分考虑施工的可能性，加强对施工图的审查和复核，必要时对一些特殊工艺、使用材料加以附注说明和限制，减少设计方面带来的不利影响。

3.2 施工方面

1)采用高性能混凝土。高性能混凝土是一种新型高技术混凝土，具有强烈的抗渗性能，是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土。2)采用纤维混凝土。就是在混凝土中掺入纤维的混凝土，其优点是纤维的加入大大地减轻了混凝土的塑性裂缝及龟裂，掺入纤维的种类有金属纤维、无机纤维、有机纤维。3)采用商品混凝土。商品混凝土能严格控制原材料质量和配合比，能保证混凝土的质量要求，具有高流动性、坍落度损失小、不泌水、不离析、可泵性好等性能。4)普通混凝土可采用如下方法:a.降低水灰比。b.掺外加剂。c.选择合适的材料。d.减少Cl-(氯离子)进入。e.保护层的厚度。f.加强养护。

3.3 维修管理

1)正确认识裂缝。混凝土结构的裂缝是不可避免的，细微裂缝对结构使用影响不大，但其超过一定限值就应及时采取措施，《铁路桥隧建筑物大维修规则》规定预应力混凝土梁下缘竖向及腹板主拉应力方向不允许有裂缝存在，梁体纵向及斜向裂缝不大于0.2 mm，横隔板裂缝不大于0.3 mm;普通钢筋混凝土梁及框架主筋附近竖向裂缝不大于0.25 mm，腹板竖向及斜向裂缝不大于0.3 mm;裂缝超过以上限值，就应高度重视，及时采取加固或修补措施。2)加强钢筋混凝土状态的检测。检测内容主要包括混凝土保护层、电阻率、含水量、碳化深度以及钢筋锈蚀电位和截面损失的检测，应通过多种检测方法来对桥梁的综合状态进行评估，以便及时采取加固措施。3)加强日常检查和维护。主要包括桥面排水系统，梁体混凝土裂纹、剥离、渗漏，钢筋锈蚀等的检查和维护，确保桥梁梁体各项参数正常。

4 结语

预防和延缓混凝土中钢筋锈蚀问题是一项系统工程，涉及设计、施工、监理、维护管理等单位，在各个环节均应加强领导和组织管理、落实责任，做到层层把关，严格按照国家相关标准、规范进行设计、施工、监理和维护管理，是预防和延缓钢筋锈蚀的重要手段，同时也是保证结构使用安全和耐久性的前提和基础。

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