历史建筑混凝土中钢筋锈蚀问题宏微观评估分析*

吴小立

(上海市建筑科学研究院有限公司，上海市工程结构安全重点实验室，上海 200032)

0 引言

钢筋锈蚀是混凝土结构最突出的耐久性问题，其对混凝土结构构件承载力和正常使用均有较大影响。由于历史建筑建造年代早，混凝土强度普遍偏低，且历经长时间环境侵蚀，部分混凝土构件出现严重钢筋锈蚀问题，导致构件失效。为有效保护历史建筑，需对混凝土中钢筋锈蚀问题进行准确评估分析，并提出合理的处理建议。

宏观上，可采用目测、剔凿钢筋直接测定钢筋剩余直径等方法，检测混凝土中钢筋锈蚀状态[1]，采用回弹法、芯样法测试评估混凝土抗压强度。微观上，经镶嵌研磨抛光后，采用金相显微镜观测取样钢筋显微组织[2]，并采用显微硬度计测试钢筋显微维氏硬度；混凝土砂浆经研磨烘干后，采用硝酸银滴定其蒸馏水析取的过滤液，测试混凝土砂浆中氯离子含量[3]；采用扫描电子显微镜扫描，观测混凝土试样微观结构。本文根据钢筋锈蚀的宏微观特性，评估分析多个历史建筑混凝土中钢筋锈蚀发展规律，提出相应检测评估方法和处理建议，为后续历史建筑检测评估提供参考依据。

1 工程概况

选取位于沿海不同省市的3处典型历史建筑，从宏微观方面全面评估分析混凝土中钢筋锈蚀问题，各房屋概况如下。

1)上海市黄浦区某联储大楼建于1928年，距海边43.5km，属于英国乔治式折衷主义风格，为地下1层、地上8层(屋面局部设有1层塔楼)的钢筋混凝土框架结构房屋，建筑面积约5 854m2，主要用作办公楼。房屋竖向采用混凝土梁柱承重，楼屋面均采用现浇梁板。

2)山东省青岛市某博物馆建于1909年，属于简约新式建筑，为地下1层(半地下室)、地上3层的独栋混合结构房屋，建筑面积约2 758m2，临海建造(距海边0.2km)，主要用作军官俱乐部及办公楼。房屋竖向采用砖墙承重，楼盖大部分采用现浇梁板，局部楼盖采用木结构，屋面采用木屋架+木檩条。

3)广东省吴川市某纪念馆建于1931年，属于仿欧式纪念场所，为地上2层砖混结构房屋，建筑面积约380m2，主要用作纪念馆，曾陆续用作军营、卫生院和绣花厂。房屋竖向采用砖墙承重，楼屋盖均采用现浇梁板。

2 混凝土中钢筋锈蚀的宏微观特性

2.1 宏观特性

上海市某联储大楼混凝土抗压强度推定值为14.9MPa，混凝土碳化深度为5～48mm，屋面部分梁板底钢筋锈蚀较严重(见图1)。

图1 上海市某联储大楼混凝土梁钢筋锈蚀、保护层脱落

青岛市某博物馆混凝土抗压强度推定值为20.4MPa，混凝土碳化深度为12～31mm，地下室顶梁板底部钢筋普遍锈蚀严重(见图2)。

图2 青岛市某博物馆混凝土楼板钢筋锈蚀、保护层脱落

吴川市某纪念馆混凝土抗压强度推定值为12.9MPa，混凝土碳化深度为70～120mm，2层楼面梁板钢筋普遍锈蚀严重，混凝土起拱(见图3)。

图3 吴川市某纪念馆梁和楼板钢筋锈蚀、混凝土起拱

历史建筑普遍存在混凝土中钢筋锈蚀、保护层脱落的损伤，上海市某联储大楼损伤主要分布在屋面及使用环境较潮湿的区域，青岛市某博物馆损伤主要集中在地下室顶板区域，吴川市某纪念馆损伤在2层楼面较普遍，且存在严重钢筋锈蚀、混凝土起拱。各混凝土构件碳化深度普遍较大，且混凝土强度普遍偏低，混凝土密实性普遍较差，部分混凝土芯样存在明显孔洞缺陷(见图4)。

图4 部分混凝土芯样孔洞缺陷

2.2 微观特性

采用滴定法对混凝土中砂浆氯离子含量进行测试，结果如表1所示，由于混凝土配合比未知，结果存在一定负向误差。由表1可知，混凝土砂浆中氯离子质量百分比为0.08%～0.24%，部分高出海岸环境规范限值(0.1%)，其中吴川市某纪念馆2层混凝土楼板氯离子超出规范限值1倍多。

表1 混凝土砂浆中氯离子含量

将现场取样钢筋经镶嵌研磨抛光后置于金相显微镜下进行观察，结果如图5，6所示。由图5，6可知，钢筋样品抛光状态下存在非金属夹杂物，显微组织为铁素体+极少量珠光体。同时，采用显微硬度计对青岛市某博物馆取样钢筋进行显微硬度检验，测得显微维氏硬度值为117～135，换算抗拉极限强度为437～489MPa。

图5 青岛市某博物馆钢筋样品微观形态

图6 吴川市某纪念馆钢筋样品微观形态

不同放大倍数下扫描电子显微镜测得的混凝土胶凝微观结构如图7所示。由图7可知，混凝土胶凝微观成像材料分布呈片状，局部孔隙率较大，晶体结构散乱、无规则，整体呈颗粒状，Ca(OH)2凝胶体和C-S-H凝胶体相对较少，且C-S-H凝胶体呈不规则簇状。已有研究表明[4-5]，混凝土碳化会改变其微观结构，排列致密的蠕虫状C-S-H凝胶结构会转变成不规则簇状，临界孔径增大，孔隙连通性提高，造成外界有害离子(包括氯离子)更易进入混凝土内部。

图7 吴川市某纪念馆混凝土胶凝微观结构

3 混凝土中钢筋锈蚀评估分析

3.1 锈蚀机理

混凝土中钢筋锈蚀一般发生在潮湿环境及氯离子侵蚀环境中。当一般大气湿度为45%～80%时，混凝土中钢筋锈蚀较易发生，当干湿交替或环境中有腐蚀介质时，会加快钢筋锈蚀。一般环境下，由于碳化导致混凝土中性化和碱度降低，造成钢筋脱钝，在充足氧和水条件下发生钢筋锈蚀。而在氯盐侵蚀环境下，渗入及存在于混凝土中的氯离子到达钢筋表面后迅速破坏钝化膜，形成腐蚀电池，并通过催化作用、去极化作用和导电作用使混凝土中钢筋电化学反应加快，而混凝土中氯离子浓度越高，钢筋锈蚀危险性越大[6]。

3.2 宏微观评估分析

检测评估的3处历史建筑混凝土构件普遍存在碳化深度偏大现象，多数已达钢筋表层。由于部分房屋因距海较近或使用过程中可能存在氯盐侵蚀环境，造成部分混凝土氯离子含量偏高。因此，混凝土中钢筋锈蚀较普遍，且使用环境潮湿区域和混凝土含较高氯离子区域，钢筋锈蚀更严重。上海市某联储大楼使用环境相对较好，且距海较远，未受明显氯离子侵蚀，但部分构件碳化深度较大，因此在屋面及受潮区域存在一定钢筋锈蚀现象。青岛市某博物馆由于距海近，地下室顶板受盐雾侵蚀，混凝土中氯离子含量较高，因此该区域普遍出现严重钢筋锈蚀和混凝土保护层脱落现象。吴川市某纪念馆距海较远，但2层楼板混凝土氯离子含量偏高，相应区域钢筋锈蚀严重，且混凝土存在严重起拱现象，这可能与该房屋曾用作卫生院而存在氯离子侵蚀环境有关，同时混凝土碳化深度较大，加速了氯离子渗透。

钢筋微观观测显示，历史建筑混凝土中钢筋普遍采用碳素钢，且部分含有一定非金属杂质，其强度较低，耐候性较差，而由显微维氏硬度值换算的极限抗拉强度与Q235级钢筋基本相当。混凝土芯样及扫描电子显微镜观测结果显示，部分混凝土孔隙率较大，而混凝土胶凝晶体结构散乱、无规则，局部微观呈颗粒状，因此整体强度偏低，且易碳化，易受氯离子侵蚀。

3.3 检测评估建议

根据混凝土中钢筋锈蚀机理及宏微观评估分析结果可知，由于建造年代久远，建造水准较低，历史建筑混凝土强度低、密实性差，钢筋强度低、耐候性较差，钢筋锈蚀问题较普遍，检测评估过程中应特别重视混凝土中钢筋锈蚀问题。

混凝土碳化及氯离子侵蚀为钢筋锈蚀的主要影响因素，当二者同时作用时，钢筋锈蚀更易发生。因此，应对历史建筑混凝土中钢筋锈蚀状态、混凝土碳化深度及氯离子含量进行必要的检测评估。当钢筋锈蚀仅由碳化和使用环境潮湿所致，且锈蚀不严重时，可仅进行必要的除锈防锈处理和适当加固。但当混凝土中氯离子含量较高，且钢筋锈蚀较严重时，钢筋锈蚀问题难以从根本上解决，存在严重安全隐患，应在符合历史建筑保护要求的前提下考虑进行混凝土构件整体更换。

氯离子含量滴定法包含水溶性氯离子含量测定法和酸溶性氯离子含量测定法，部分研究表明[7]，滴定法会由于滴定终点判断不准造成低浓度氯离子溶液测试结果存在偏差。国外规范对氯离子含量限值的规定较国内规范宽松[8]，因此氯离子含量测定需选择合适方法，进行限值判定时，需结合宏观锈蚀状态综合分析。

4 结语

1)沿海城市历史建筑混凝土中钢筋锈蚀问题较普遍，且混凝土强度偏低，密实性较差，碳化深度较大，部分混凝土氯离子含量超限。

2)微观观测结果显示，历史建筑混凝土中钢筋普遍采用碳素钢，且部分含有一定非金属杂质。混凝土胶凝晶体结构散乱、无规则，局部微观呈颗粒状，易碳化，易受氯离子侵蚀。

3)为有效保护历史建筑，应加强对混凝土碳化深度、钢筋锈蚀状态及混凝土氯离子含量的检测评估，并根据钢筋锈蚀程度及混凝土氯离子含量提出相应的处理措施。