钢筋混凝土结构的腐蚀及防治措施

周 玲（云南林业职业技术学院，云南 昆明650224）

现代建筑工程离不开混凝土，特别是钢筋混凝土结构，混凝土在各种物理、化学及它们的综合作用下，会发生碳化和劣化，导致混凝土强度降低，从而缩短建筑物的使用寿命。随着人们对建筑质量有了更高的要求，也越来越重视建筑工程中的腐蚀现象。由于多种因素影响，在建筑工程中腐蚀无所不在。腐蚀给国民经济带来巨大的损失，也给我们生存的建筑空间带来不确定的安全隐患，如果建筑物在建造时对结构材料不采取或不实施防腐措施，则腐蚀性介质就可能损坏建筑结构，甚至使其丧失使用价值。在大多数情况下，钢筋混凝土结构的损坏主要是结构中的钢筋先受到腐蚀而引起的。

1 钢筋混凝土结构的腐蚀的类型

钢筋混凝土在通常条件下具有优良的耐久性，但在某些侵蚀性介质的作用下，混凝土结构会逐渐遭到破坏，这种现象称为混凝土的腐蚀。与混凝土相接触的周围空气、水和土壤中含有不同浓度的酸、碱、盐类侵蚀性介质时，当其进入混凝土内部，与之相关成分发生物理化学反应后，混凝土变得疏松遭受腐蚀，逐渐发生绽裂剥落，进而引起钢筋腐蚀、强度下降，最后导致结构失效。混凝土腐蚀的原因和机理随侵蚀介质和环境条件而异，一般分为三类：

1.1 溶蚀性腐蚀

水泥水化物生成物中的Ca(OH)2最容易被渗入的水溶解，又促使水化硅酸钙、水化铝酸盐等碱性化合物发生水解，最终完全破坏水泥石结构。某些酸盐溶液渗入混凝土，生成无凝胶型的松软物质，易被水溶蚀。水泥石的溶蚀程度随渗流速度增大而增大，溶蚀后，胶结能力减弱，混凝土材料的整体性被破坏。

1.2 结晶膨胀性腐蚀

含有硫酸盐的水渗入混凝土中，与水泥水化产物Ca(OH)2起置换反应生成硫酸钙（CaSO42H2O）以溶液形式存在。硫酸钙再与水化物铝硫酸盐起作用生成含有多个结晶水的水化铝硫酸钙，体积膨胀1.5 倍以上，在混凝土结构中产生内应力，造成极大的膨胀性破坏作用。

1.3 电化学腐蚀

钢筋与潮湿介质、水、土壤接触时，表面覆盖一层水膜，水中溶有来自空气中的各种离子，这样便形成了电解质。首先钢筋中的铁素体失去电子即Fe →Fe2++2e 成为阳极，渗碳体成为阴极。在酸性介质中H+得到电子变成H2跑掉；在中性介质中，由于氧的还原作用使水中含有的OH-随之生产不溶于水的Fe(OH)2；进一步氧化成Fe(OH)3及其脱水产物Fe2O3，即红褐色铁锈的主要成分。

2 钢筋混凝土结构腐蚀的原因分析

2.1 混凝土结构腐蚀

混凝土的腐蚀往往是多种腐蚀介质同时存在的一个极其复杂的物理化学作用过程。

2.1.1 环境介质的侵蚀

环境介质对混凝土的侵蚀主要是对水泥石的侵蚀。当混凝土结构处在有侵蚀介质作用的环境时，会引起水泥石发生一系列化学、物理与物理化学变化，而逐步受到侵蚀，严重的使水泥石强度降低，以致破坏。常见的侵蚀介质可分为淡水腐蚀、一般酸性水腐蚀、碳酸腐蚀、硫酸盐腐蚀、镁盐腐蚀五类。淡水的冲刷，会溶解水泥石中的组分，使水泥石孔隙增加，密实度降低，从而进一步造成对水泥石的破坏；当水中溶有一些酸类时，水泥石就受到溶析和化学溶解双重作用，腐蚀明显加速，这类侵蚀常发生在化工厂；碳酸对混凝土的影响主要表现在溶析水泥石的同时，破坏混凝土内的碱环境，降低水泥水化产物的稳定性，影响水泥石的致密度，造成对混凝土的侵蚀；硫酸盐的腐蚀则表现为SO42-离子深入混凝土内与水泥石组分反应，生成物体积膨胀开裂造成损坏；海水中由于存在多种离子，侵蚀形式较为复杂，但主要是由于镁盐使硬化水泥石的结构组分分解，同时硫酸盐作用会造成对水泥石的损坏，而氧化镁沉淀会堵塞混凝土孔隙，会使海水侵蚀有所缓和。

2.1.2 混凝土的碳化

混凝土的碳化是指空气中的CO2在潮湿（有水存在）的条件下与水泥石中的Ca(OH)2发生的碳化作用，生成CaCO3和H2O 的过程。这个过程是由表及里向混凝土内部缓慢扩散的。碳化后可使混凝土的组成及结构发生变化，使混凝土的碱度降低，会使混凝土对钢筋的保护作用降低，使钢筋易于锈蚀，对钢筋混凝土的结构有很大的影响。碳化还会引起混凝土收缩，导致表面形成细微裂缝。

2.1.3 混凝土的碱-骨料反应

混凝土的碱-骨料反应，是指混凝土中的碱（钠、钾离子）与骨料中的活性矿物组分（活性SiO2或石灰质白云石）在一定的条件下发生的化学反应，并生成体积膨胀的产物引起混凝土开裂，甚至破坏。因为碱-骨料反应造成的混凝土破坏要在工程竣工后很长一段时间发生，因此往往不被人们所重视。碱-骨料反应造成危害作用往往是不能根治的，是混凝土工程中的一大隐患。

混凝土碱-骨料反应需同时具备三个条件：①相当数量的碱；②相应的活性骨料；③水分。反应通常有三种类型：碱-硅酸反应、碱-碳酸盐反应、慢膨胀型碱-硅酸盐反应。

2.2 钢筋的腐蚀

在通常情况下，水泥水化产物中有1/5 的Ca(OH)2产生，混凝土空隙中充满了由水泥水解时产生的Ca(OH)2饱和溶液，其碱度很高，pH 值达到13 左右，钢筋在高碱度的环境中，使钢筋表面生成难溶的Fe2O3和Fe3O4，称为纯化膜，即使有空气和水分进入，也不可能导致钢筋的腐蚀，因此混凝土中钢筋是不易生锈的。但大气中的CO2以扩散的方式进入混凝土中，与Ca(OH)2作用而使混凝土中性化，当混凝土的液相碱度降低到11.5 以下时，钢筋钝化膜可能破坏，使钢筋表面呈活性状态，此时若有空气和水分进入，钢筋表面即开始发生电化学作用，由铁变成氧化铁，其体积发生膨胀，钢筋的锈蚀物一般为Fe(OH)3、Fe(OH)2、Fe2O3等,根据最终产物的不同，铁锈的体积比原金属大2 ～4 倍，则可导致混凝土顺筋开裂，腐蚀物质从裂纹处进一步浸入，加速钢筋的腐蚀，从而降低混凝土强度。混凝土中的钢筋钝化膜遭破坏有两种原因：

（1）混凝土的碳化或中性化：造成混凝土碳化或中性化的原因，主要是混凝土的密实度即抗渗性不足，酸性气体（如CO2、SO2、H2S、HCl）渗入混凝土内与Ca(OH)2作用。

（2）Cl-的腐蚀：Cl-的腐蚀是破坏混凝土最主要的因素，特别是沿海的混凝土建筑物和公路腐蚀破坏更严重。环境中游离的Cl-一旦渗入，对钝化膜有特殊的破坏作用。即使在钢筋保护层不被碳化或中性化的情况下也可以破坏钢筋钝化膜，成为活化态，使腐蚀过程得以进行。在氧和水充足的条件下，活化的钢筋表面形成一个小阳极，大面积钝化膜的区域作为阴极，结果阳极金属铁溶解，形成腐蚀坑，一般称这种腐蚀为“点蚀”。点蚀对结构的危害较大，能最终使构件失去承载力。

3 预防钢筋混凝土结构腐蚀的措施

为了提高建筑结构在各种腐蚀性介质中的抗腐蚀性和耐久性。针对具体情况可采取下列措施防止钢筋混凝土结构腐蚀。

3.1 选择适当的原材料

3.1.1 合理选择水泥品种，使其适应于混凝土的使用环境

水泥是混凝土的胶结材料。水泥类材料的强度和工程性能，是通过水泥砂浆的凝结、硬化而形成。水泥石一旦遭受腐蚀，水泥砂浆和混凝土的性能将不复存在。因此水泥的选择需注意水泥的品种具体性能，选择碱含量小，水化热低、抗渗性、抗腐蚀性能好的水泥，并结合具体情况进行选择。正确选用水泥品种，对保证工程的耐久性与节约投资有重要意义。

3.1.2 选用质量好，技术条件合格的砂石骨料

发生碱-骨料反应的必要条件是碱、活性骨料和水。粗、细骨料的耐蚀性和表面性能对混凝土的耐蚀性能具有很大影响。骨料与水泥石接触的界面状态对混凝土的耐蚀性有一定影响。 混凝土中所采用粗细骨料，应有较好的级配及合理砂率，使骨料有最密实的堆积，以保证混凝土的致密性，同时控制材料的吸水率以及其它杂质的含量，确保材质状况。施工中要严格加强对活性骨料的控制。

3.1.3 拌合及养护用水

混凝土拌合及养护用水，应考虑其对混凝土强度的影响。水灰比的大小很大程度影响混凝土强度值的大小。拌合水应检查其杂质情况，防止影响砂浆及混凝土生成时杂质影响其耐久性。 海水中含有硫酸盐、镁盐和氯化物，除了对水泥石有腐蚀作用外，对钢筋的腐蚀也有影响，因此在腐蚀环境中的混凝土不宜采用海水拌制和养护。

3.1.4 合理掺入外加剂

在建筑防腐工程中，外加剂的使用主要是为了提高混凝土密实性或对钢筋的阻锈能力，从而提高混凝土结构的耐久性。实践证明，采用加入外加剂的方法，可以在一定范围内达到提高混凝土结构的耐腐蚀能力，是一种经济而有效的技术措施。大量研究表明掺入粉煤灰、矿渣等混合材料能改善混凝土的性能，改善混凝土内孔结构，填充内部空隙，提高密实度。掺入减水剂，可明显地减少拌合水量，从而提高混凝土的密实性。

3.2 防腐混凝土的配合比设计

混凝土配合比的设计，应按以下两种情况进行：一是按设计要求的强度（即按正常要求的强度）进行配合比设计；二是按密实度的要求（即按最大水灰比和最小水泥用量的要求）进行配合比设计，但强度等级往往大于前者。腐蚀环境中的混凝土配合比设计，必须取用上述两种情况中强度等级的较高者。

3.3 提高混凝土的密实度

防止混凝土中钢筋的腐蚀最经济而有效的方法是提高混凝土的密实度和碱度。混凝土的孔隙率越小，抗渗能力越强，侵蚀介质也越难进入，侵蚀作用越轻。在实际工程中，可采用多种措施提高混凝土与砂浆的密实度。如混凝土施工中，均匀搅拌、合理浇筑、振捣密实、加强养护，确保生产耐久性的混凝土，搅拌设计确保高质量、高密度、永久性和耐用型混凝土。加强混凝土养护，控制混凝土表面裂缝，确保施工质量。

3.4 表面设置隔离层或保护层

当侵蚀作用较强或上述措施不能满足要求时，可在混凝土表面设置耐腐蚀性高且不透水的隔离层或保护层，使混凝土与周围侵蚀介质隔离开来或阻止有害物质的侵入。

4 结语

腐蚀的存在不可避免，但腐蚀的消除并不是不能实现。只要我们深入了解腐蚀产生的原因，了解钢筋混凝土结构产生腐蚀的机理，从而针对性地采取措施，针对性进行钢筋混凝土结构的防腐蚀设计，通过各个环节的施工质量控制，并针对有可能出现腐蚀的结构提前预备腐蚀防治手段，我们就能够控制腐蚀。

[1]GB50212-91《建筑防腐蚀工程施工及验收规范》，中国计划出版社，1991 年。

[2]刘祥顺，《建筑材料》，中国建筑工业出版社，2011 年。

[3]涂湘缃等，《实用防腐蚀施工技术手册》，化工部化工防腐蚀科技情报中心站，1992 年。

[4]尤勇等，浅谈钢筋混凝土的腐蚀机理及防腐措施，北方交通，2010 年