經驗交流：水下鋼筋混凝土銹蝕的原因
發布時間：2010-01-14 共1頁
隨著時間的不斷推延，許多水下混凝土構件中的鋼筋逐漸被滲水而發生銹蝕，從而導致其構件的耐久性降低，結構安全性也降低.因此，引起的工程損壞事例不斷發生，由此帶來的工程損失及處理費用也迅速增加，這也引起了建筑工程界和路橋部門的高度重視。其中，水下混凝土結構中鋼筋的銹蝕較為普遍，特別是沿海地區的閘、涵、橋、防護堤及鹽湖地區的水下混凝土較為嚴重，據資料顯示，施工質量較差的混凝土構件，因為鋼筋的銹蝕，正常使用幾年后，就會產生順筋脹裂，從而導致結構破壞，以致鋼筋混凝土的失效。
一、水下混凝土結構中鋼筋銹蝕的原因
混凝土在水化作用時，水泥中氯化鈣生成氫氧化鈣，使混凝土中含有量的氫氧根離子，使PH值一般可達到12.5-13.5，鋼筋在這樣的高堿環境中，表面容易生成一層鈍化膜，研究結果表明，這種鈍化膜能阻止鋼筋的銹蝕，只有這層鈍化膜遭到破壞，鋼筋開始銹蝕。
1.1 混凝土碳化引起鋼筋銹蝕
因為混凝土硬化后，表面混凝土遇到空氣中二氧化碳的作用，使氫氯化鈣慢慢經過化學反應變成碳酸鈣，使之堿性降低，碳化到鋼筋表面時，使鈍化膜遭到破壞，鋼筋就開始腐蝕，眾所周知，氣是二氧化碳的主要來源，氣中通常含0.2%-0.3%的二氧化碳，而且只要有氣存在的地方，就必然存在二氧化碳，而水下混凝土結構也有不少部分存在于二氧化碳環境中，對于普通的硅酸鹽而言，水化產生的氫氧化鈣可達到整個水化產物的10%-15%，它作為水泥水化產物之一，一方面，它是混凝土高堿度的提供源和保證者，對保護鋼筋起著十分重要的作用；另一方面，它又是混凝土中最不穩定的成分之一，很容易與環境中的酸性介質發生中和反應，使混凝土碳化，并逐步延伸鋼筋，使鋼筋開始銹蝕。
1.2 氯離子引起的鋼筋銹蝕
水下混凝土中，氯離子進行混凝土通常有兩種途徑：其一是“摻入如含有氯鹽的外加劑，使用海砂，施工用水含氯鹽，在含鹽環境中攪拌，澆筑混凝土時，其二是”滲入“環境中的氯鹽通常通過混凝土的宏觀、微觀缺陷，滲入到混凝土中并達到鋼筋表面，直接或間接破壞混凝土的包裹作用及鋼筋鈍化的高堿度兩種屏障,使之發生銹蝕繼而銹蝕產物體積膨脹,使混凝土保護層開裂與脫落[4];在海洋環境中的水下混凝土結構都是這種情況。氯離子引起鋼筋銹蝕可以從以下幾個方面分析：
1.2.1 破壞鈍化膜
混凝土屬于堿性材料，其孔隙溶液的PH值為12-14[2]，因而對鋼筋具有較好的保護作用，有利于鋼筋表面形成保護鋼筋的鈍化膜，但這種鈍化膜只有在高堿環境中才是穩定的。如果周圍環境PH值降到11.8時，鈍化膜就開始變得不穩定，當PH值繼續降到9.88時，鈍化膜就開始變得難以生存或逐漸破壞，使得進入混凝土中的氯離子吸附于鈍化膜處，并使鈍化膜的PH值迅速降低，逐步酸化，從而使得鈍化膜被破壞。
1.2.2形成腐蝕電流
無論混凝土碳化還是氯離子侵蝕，都可以引起鋼筋部分銹蝕，在鈍化膜破壞處有腐蝕電流產生，在鈍化膜破壞還與未破壞區這間存在電位差，有宏電流產生，但微電流要比宏電流得多。又因為氯離子的存在降低了混凝土的電阻率，并且氯離子和鐵離子的結合可以形成易容于水的氯化鐵，從而加速了腐蝕產物向外的擴散過程，并由于宏觀腐蝕電流在鈍化膜破壞區邊邊緣最，使得靠近鈍化區的邊緣的局部鈍化膜破壞較快，這種現象稱為局部銹蝕鋼筋的“邊緣效應”。
1.2.3氯離子導電作用
正是由于混凝土結構中氯離子的存在，降低了陰、陽極之間的歐姆電阻，強化了離子通路，提高了腐蝕電流的效率，從而加速了鋼筋的電化學腐蝕過程，氯離子對混凝土中鋼筋銹蝕更嚴重更快速[5].而氯化物是鋼筋的一種活化劑，它能置換鈍化膜的氧而使鋼筋發生潰爛性腐蝕，而氯鹽是高吸濕性的鹽，它能吸收空氣中的水分變成液體，從而使氯離子從擴散作用變成滲透作用，達到氯離子，透過保護區去腐蝕鋼筋的目的。
1.2.4氯離子的陽極去極比作用
氯離子不僅促成了鋼筋表面的腐蝕電流，而且加速了電流的作用過程，陽極反應過程Fe→2e→Fe2+,如果生成的Fe2+不能及時搬運而積累于陰極表面，則陰極反應就會因此而受阻，相反，如果生成的Fe2+能及時被搬走，那么。陽極反應過程就會順利乃至加還進行，Cl與Fe相遇就會生成FeCl2，Cl能使Fe消失而加速陽極過程，通常把陽極過程受阻稱做陽極極化作用，而加速陽極過程者，稱作陽極去極化作用，氯離子正是發揮了陽極去極化作用的功能。
應該說明的是，在氯離子存在的混凝土中，鋼筋通常的銹蝕產物很很難找到FeCl2的存在，這是由于FeCl2是可溶的，在向混凝土內擴散遇到氫氧根離子，立即生成Fe(OH)2的一種沉淀物質又進一步氧化成鐵的氧化物，即通常說的“鐵銹”，由此可見，氯離子只起到了“搬運”的作用，而不被消失，也就是說進入混凝土的氯離子，會周而復始地起破壞作用，這也是氯鹽危害特點之一。
1.2.5氯離子與水泥的作用及對鋼筋銹蝕的影響
水泥中的鋁酸三鈣，在一定條件下，可與氯鹽作用生成不溶性“復鹽”，從而降低了混凝土中游離氯離子的存在，從這個角度講，含鋁酸三鈣高的水泥品種有利于氯離子的侵害，海洋環境中優先選用鋁酸三鈣含量高的普通硅酸鹽水泥，然而，復鹽只有在堿性環境下才能生成和保持穩定，當混凝土的堿度降低時，復鹽會發生分解，重新釋放出氯離子來。在做鋼筋銹蝕實驗不難發現，如果面積的鋼筋表面上具有高濃度的氯化物，則氯化物所引起的銹蝕是均勻的，但是在不均質的混凝土中，常見的局部銹蝕，導致點蝕[6].首先則是在很小的鋼筋表面上，混凝土孔隙液具有較高的氯化物濃度，形成破壞鈍化膜的具備條件，形成小陽極，此時，鋼筋表面的部分仍具鈍化膜，成為陽極，這種特點的由陽極、小陰極組成的銹蝕電偶，由于陰供養充電，使小陽極上的鐵迅速溶解而產生沉淀，小陰極區局部酸化，同時，由于陰極區的陰極反應，生成氫氧化根離子，PH值增高，氯離子提高了混凝土的吸濕性，使得陰極與陽極之間的混凝土孔隙的歐姆電陰降低，這幾方面的自發變化，將使上述局部銹蝕電偶得以自發的一局部深入形式繼續進行
二、評定與檢測水下混凝土構件中鋼筋的銹蝕狀態
為了減少鋼筋銹蝕對結構造成危害，需要即時了解現有的結構中的鋼筋銹蝕狀態，以便對鋼筋采取必要的措施進行預防，我們對鋼筋銹蝕的測試，可采用如下幾種方法：
2.1視覺法和聲音法
在常規的混凝土結構中，鋼筋銹蝕的第一視覺特征是鋼筋表面出現量的銹斑，顯然，只要檢查鋼筋表面就可以看到；有時，混凝土的表面下的裂縫發展到表面，混凝土最終開裂時可直接檢查鋼筋在早期可以用“發聲”方法估計下部裂縫引起的破壞。使用小錘敲擊表面，用聲波方面檢測順筋方向的裂縫的出現。
2.2氯離子的監測
它需要對鋼筋以上或周圍的混凝土進行采樣，一般通過鉆芯方法，然后用電測法或化學方法確定氯含量，最近，以有中和反應法儀器用于結構中氯離子含量的檢測。
2.3極化電阻法
極化電阻法（線形極化法）[7]作為一個銹蝕監測方法，已經成功的應用于生產工業和許多環境，該方法的原理是將銹蝕率與極化曲線在自由銹蝕電位處的斜率聯系在一起，可以用雙電極或三電極系統監測材料與環境偶合的銹蝕率。極化電阻法同樣檢驗混凝土中的定位的問題；一個小操作可對放在砼中任何需要的位置，但回填土料同樣是影響測量結果的一個非常關鍵性的因素。
2.4自然電位法
混凝土中的鋼筋與周圍介質在交界面上相互作用形成雙電層[8]，并與介質兩側產生電位差，電位差小能反應鋼筋所處的狀態，既活化或鈍化狀態，自然電位通過測定鋼筋電極對照比電極的極對電位差來定性判定鋼筋銹蝕狀況，自然電位法設備簡單，價格便宜，操作方便，對混凝土的鋼筋銹蝕體系無干擾，自然電位法的判定標準如下：E>-200ml，鈍化狀態有5%銹蝕可能性；-200ml>E>-350ml。有50%可能銹蝕；E<-350ml, 95%的銹蝕的可能性。
上述關于測量和監測鋼筋銹蝕的方法類型表明，與實際結構應用對比，一些方法更適合于與研究發展項目，當然，目前，應用的電化學方法還處于信息積累狀態，還需要進一步發展，縱觀這一領域，當前評估鋼筋銹蝕損失的方法多用電化學法和聲學法或視學方法。
水下混凝土的銹蝕越來越引起國內外人們的關注和探究，我們只有掌握了它的銹蝕原理，銹蝕度，方能更有效地防治，對現有結構抗力評定與可靠性評價，準確預測結構的使用壽命及剩余壽命，具有十分重要的意義，由于水下建筑物顯有多樣性和復雜性，在研究鋼筋的銹蝕方面的工作難度，進展慢，在此方面還需要做量的研究工作，以便滿足、適應當前的建筑市場需要。
一、水下混凝土結構中鋼筋銹蝕的原因
混凝土在水化作用時，水泥中氯化鈣生成氫氧化鈣，使混凝土中含有量的氫氧根離子，使PH值一般可達到12.5-13.5，鋼筋在這樣的高堿環境中，表面容易生成一層鈍化膜，研究結果表明，這種鈍化膜能阻止鋼筋的銹蝕，只有這層鈍化膜遭到破壞，鋼筋開始銹蝕。
1.1 混凝土碳化引起鋼筋銹蝕
因為混凝土硬化后，表面混凝土遇到空氣中二氧化碳的作用，使氫氯化鈣慢慢經過化學反應變成碳酸鈣，使之堿性降低，碳化到鋼筋表面時，使鈍化膜遭到破壞，鋼筋就開始腐蝕，眾所周知，氣是二氧化碳的主要來源，氣中通常含0.2%-0.3%的二氧化碳，而且只要有氣存在的地方，就必然存在二氧化碳，而水下混凝土結構也有不少部分存在于二氧化碳環境中，對于普通的硅酸鹽而言，水化產生的氫氧化鈣可達到整個水化產物的10%-15%，它作為水泥水化產物之一，一方面，它是混凝土高堿度的提供源和保證者，對保護鋼筋起著十分重要的作用；另一方面，它又是混凝土中最不穩定的成分之一，很容易與環境中的酸性介質發生中和反應，使混凝土碳化，并逐步延伸鋼筋，使鋼筋開始銹蝕。
1.2 氯離子引起的鋼筋銹蝕
水下混凝土中，氯離子進行混凝土通常有兩種途徑：其一是“摻入如含有氯鹽的外加劑，使用海砂，施工用水含氯鹽，在含鹽環境中攪拌，澆筑混凝土時，其二是”滲入“環境中的氯鹽通常通過混凝土的宏觀、微觀缺陷，滲入到混凝土中并達到鋼筋表面，直接或間接破壞混凝土的包裹作用及鋼筋鈍化的高堿度兩種屏障,使之發生銹蝕繼而銹蝕產物體積膨脹,使混凝土保護層開裂與脫落[4];在海洋環境中的水下混凝土結構都是這種情況。氯離子引起鋼筋銹蝕可以從以下幾個方面分析：
1.2.1 破壞鈍化膜
混凝土屬于堿性材料，其孔隙溶液的PH值為12-14[2]，因而對鋼筋具有較好的保護作用，有利于鋼筋表面形成保護鋼筋的鈍化膜，但這種鈍化膜只有在高堿環境中才是穩定的。如果周圍環境PH值降到11.8時，鈍化膜就開始變得不穩定，當PH值繼續降到9.88時，鈍化膜就開始變得難以生存或逐漸破壞，使得進入混凝土中的氯離子吸附于鈍化膜處，并使鈍化膜的PH值迅速降低，逐步酸化，從而使得鈍化膜被破壞。
1.2.2形成腐蝕電流
無論混凝土碳化還是氯離子侵蝕，都可以引起鋼筋部分銹蝕，在鈍化膜破壞處有腐蝕電流產生，在鈍化膜破壞還與未破壞區這間存在電位差，有宏電流產生，但微電流要比宏電流得多。又因為氯離子的存在降低了混凝土的電阻率，并且氯離子和鐵離子的結合可以形成易容于水的氯化鐵，從而加速了腐蝕產物向外的擴散過程，并由于宏觀腐蝕電流在鈍化膜破壞區邊邊緣最，使得靠近鈍化區的邊緣的局部鈍化膜破壞較快，這種現象稱為局部銹蝕鋼筋的“邊緣效應”。
1.2.3氯離子導電作用
正是由于混凝土結構中氯離子的存在，降低了陰、陽極之間的歐姆電阻，強化了離子通路，提高了腐蝕電流的效率，從而加速了鋼筋的電化學腐蝕過程，氯離子對混凝土中鋼筋銹蝕更嚴重更快速[5].而氯化物是鋼筋的一種活化劑，它能置換鈍化膜的氧而使鋼筋發生潰爛性腐蝕，而氯鹽是高吸濕性的鹽，它能吸收空氣中的水分變成液體，從而使氯離子從擴散作用變成滲透作用，達到氯離子，透過保護區去腐蝕鋼筋的目的。
1.2.4氯離子的陽極去極比作用
氯離子不僅促成了鋼筋表面的腐蝕電流，而且加速了電流的作用過程，陽極反應過程Fe→2e→Fe2+,如果生成的Fe2+不能及時搬運而積累于陰極表面，則陰極反應就會因此而受阻，相反，如果生成的Fe2+能及時被搬走，那么。陽極反應過程就會順利乃至加還進行，Cl與Fe相遇就會生成FeCl2，Cl能使Fe消失而加速陽極過程，通常把陽極過程受阻稱做陽極極化作用，而加速陽極過程者，稱作陽極去極化作用，氯離子正是發揮了陽極去極化作用的功能。
應該說明的是，在氯離子存在的混凝土中，鋼筋通常的銹蝕產物很很難找到FeCl2的存在，這是由于FeCl2是可溶的，在向混凝土內擴散遇到氫氧根離子，立即生成Fe(OH)2的一種沉淀物質又進一步氧化成鐵的氧化物，即通常說的“鐵銹”，由此可見，氯離子只起到了“搬運”的作用，而不被消失，也就是說進入混凝土的氯離子，會周而復始地起破壞作用，這也是氯鹽危害特點之一。
1.2.5氯離子與水泥的作用及對鋼筋銹蝕的影響
水泥中的鋁酸三鈣，在一定條件下，可與氯鹽作用生成不溶性“復鹽”，從而降低了混凝土中游離氯離子的存在，從這個角度講，含鋁酸三鈣高的水泥品種有利于氯離子的侵害，海洋環境中優先選用鋁酸三鈣含量高的普通硅酸鹽水泥，然而，復鹽只有在堿性環境下才能生成和保持穩定，當混凝土的堿度降低時，復鹽會發生分解，重新釋放出氯離子來。在做鋼筋銹蝕實驗不難發現，如果面積的鋼筋表面上具有高濃度的氯化物，則氯化物所引起的銹蝕是均勻的，但是在不均質的混凝土中，常見的局部銹蝕，導致點蝕[6].首先則是在很小的鋼筋表面上，混凝土孔隙液具有較高的氯化物濃度，形成破壞鈍化膜的具備條件，形成小陽極，此時，鋼筋表面的部分仍具鈍化膜，成為陽極，這種特點的由陽極、小陰極組成的銹蝕電偶，由于陰供養充電，使小陽極上的鐵迅速溶解而產生沉淀，小陰極區局部酸化，同時，由于陰極區的陰極反應，生成氫氧化根離子，PH值增高，氯離子提高了混凝土的吸濕性，使得陰極與陽極之間的混凝土孔隙的歐姆電陰降低，這幾方面的自發變化，將使上述局部銹蝕電偶得以自發的一局部深入形式繼續進行
二、評定與檢測水下混凝土構件中鋼筋的銹蝕狀態
為了減少鋼筋銹蝕對結構造成危害，需要即時了解現有的結構中的鋼筋銹蝕狀態，以便對鋼筋采取必要的措施進行預防，我們對鋼筋銹蝕的測試，可采用如下幾種方法：
2.1視覺法和聲音法
在常規的混凝土結構中，鋼筋銹蝕的第一視覺特征是鋼筋表面出現量的銹斑，顯然，只要檢查鋼筋表面就可以看到；有時，混凝土的表面下的裂縫發展到表面，混凝土最終開裂時可直接檢查鋼筋在早期可以用“發聲”方法估計下部裂縫引起的破壞。使用小錘敲擊表面，用聲波方面檢測順筋方向的裂縫的出現。
2.2氯離子的監測
它需要對鋼筋以上或周圍的混凝土進行采樣，一般通過鉆芯方法，然后用電測法或化學方法確定氯含量，最近，以有中和反應法儀器用于結構中氯離子含量的檢測。
2.3極化電阻法
極化電阻法（線形極化法）[7]作為一個銹蝕監測方法，已經成功的應用于生產工業和許多環境，該方法的原理是將銹蝕率與極化曲線在自由銹蝕電位處的斜率聯系在一起，可以用雙電極或三電極系統監測材料與環境偶合的銹蝕率。極化電阻法同樣檢驗混凝土中的定位的問題；一個小操作可對放在砼中任何需要的位置，但回填土料同樣是影響測量結果的一個非常關鍵性的因素。
2.4自然電位法
混凝土中的鋼筋與周圍介質在交界面上相互作用形成雙電層[8]，并與介質兩側產生電位差，電位差小能反應鋼筋所處的狀態，既活化或鈍化狀態，自然電位通過測定鋼筋電極對照比電極的極對電位差來定性判定鋼筋銹蝕狀況，自然電位法設備簡單，價格便宜，操作方便，對混凝土的鋼筋銹蝕體系無干擾，自然電位法的判定標準如下：E>-200ml，鈍化狀態有5%銹蝕可能性；-200ml>E>-350ml。有50%可能銹蝕；E<-350ml, 95%的銹蝕的可能性。
上述關于測量和監測鋼筋銹蝕的方法類型表明，與實際結構應用對比，一些方法更適合于與研究發展項目，當然，目前，應用的電化學方法還處于信息積累狀態，還需要進一步發展，縱觀這一領域，當前評估鋼筋銹蝕損失的方法多用電化學法和聲學法或視學方法。
水下混凝土的銹蝕越來越引起國內外人們的關注和探究，我們只有掌握了它的銹蝕原理，銹蝕度，方能更有效地防治，對現有結構抗力評定與可靠性評價，準確預測結構的使用壽命及剩余壽命，具有十分重要的意義，由于水下建筑物顯有多樣性和復雜性，在研究鋼筋的銹蝕方面的工作難度，進展慢，在此方面還需要做量的研究工作，以便滿足、適應當前的建筑市場需要。
