鋼筋混凝土中鋼筋腐蝕原理的研究

鋼筋混凝土中鋼筋腐蝕原理的研究

鋼筋混凝土是建筑結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用的一種材料，其優(yōu)點在于耐久性好、強度高、施工方便等。然而，鋼筋混凝土的長期使用過程中，鋼筋表面的腐蝕問題逐漸顯露出來，給建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性帶來了極大的隱患。因此，對鋼筋混凝土中鋼筋腐蝕問題的研究具有重要的現(xiàn)實意義和科學(xué)價值。

本文主要從以下幾個方面對鋼筋混凝土中鋼筋腐蝕原理進行探討和分析。首先，介紹了鋼筋腐蝕的概念和分類，以及腐蝕對鋼筋性能的影響。接著，從三個方面闡述了鋼筋混凝土中鋼筋腐蝕的原理和機理，即化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕和微生物影響腐蝕。最后，探討了目前對于鋼筋混凝土中鋼筋腐蝕防護的措施和研究方向。

一、鋼筋腐蝕

1.1概念

鋼筋腐蝕是鋼筋表面受到力、氧、水等環(huán)境因素影響而失去其原有性能的過程。鋼筋腐蝕是一種自然現(xiàn)象，在環(huán)境中長期暴露的鋼筋表面會逐漸產(chǎn)生腐蝕，這對鋼筋性能的影響隨著時間的延長而逐漸增大。由于鋼筋在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中起著重要的加固和增強作用，因此鋼筋腐蝕會對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不良的影響，包括減弱結(jié)構(gòu)的承載能力、降低鋼筋的延性、增大鋼筋與混凝土之間的界面應(yīng)力等。

1.2分類

鋼筋腐蝕按其腐蝕的原因和產(chǎn)物的性質(zhì)可分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩類。

1.2.1化學(xué)腐蝕

化學(xué)腐蝕是指鋼筋在氧、水、鹽等環(huán)境中直接遭受反應(yīng)而發(fā)生腐蝕?；瘜W(xué)腐蝕主要有以下幾種類型：

（1）干燥腐蝕。在干燥環(huán)境中，鋼筋表面的松土和松散氧化物會使其失去光澤，并表現(xiàn)出紅銹、黑銹、褐銹等形式。

（2）浸泡腐蝕。當(dāng)鋼筋表面暴露于含有酸、堿、鹽等腐蝕性物質(zhì)的液體中時，鋼筋表面會被侵蝕，產(chǎn)生大量的氫氣和金屬離子。

（3）高溫腐蝕。當(dāng)鋼筋表面受到高溫氧化物和腐蝕性物質(zhì)的作用時，會產(chǎn)生明顯的表面變質(zhì)現(xiàn)象，甚至可能發(fā)生深層腐蝕。

1.2.2電化學(xué)腐蝕

電化學(xué)腐蝕是指在存在電解質(zhì)溶液的環(huán)境中，鋼筋作為陰極受到氧、水、鹽等環(huán)境中的正極離子的作用而產(chǎn)生的一種腐蝕形式。電化學(xué)腐蝕是最常見的一種腐蝕方式，也是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中最為嚴(yán)重的腐蝕問題之一。

1.3對鋼筋性能的影響

鋼筋混凝土中鋼筋的腐蝕不僅對構(gòu)件結(jié)構(gòu)整體的力學(xué)性能造成不良影響，也對鋼筋單體的力學(xué)性能產(chǎn)生明顯的影響。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）降低鋼筋的抗拉強度和延伸性能。鋼筋腐蝕后，其截面積會縮小，因此其抗拉強度和斷裂延伸能力也會隨之下降。

（2）增加鋼筋與混凝土之間的界面應(yīng)力。鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)作用是通過鋼筋表面氧化膜和混凝土骨料粘附層共同形成的。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋腐蝕勢必會導(dǎo)致銹層脫落和氧化膜損壞，使鋼筋表面的粘著力下降，從而增加鋼筋與混凝土之間的界面應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土與鋼筋的受力性能下降。

（3）降低鋼筋的疲勞壽命。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋的疲勞壽命往往直接決定著結(jié)構(gòu)的使用壽命。鋼筋的腐蝕會使其表面裂紋密度增加，從而加速疲勞破壞的發(fā)生。

二、鋼筋混凝土中鋼筋腐蝕的原理和機理

2.1化學(xué)腐蝕

化學(xué)腐蝕是鋼筋混凝土中鋼筋腐蝕的一種重要形式。鋼筋表面的化學(xué)腐蝕受到許多因素的影響，包括鋼筋表面的氧化膜、水分、氧氣、酸堿值、溫度等。這些因素共同作用，加速了鋼筋混凝土中的化學(xué)腐蝕現(xiàn)象發(fā)生。

2.1.1鋼筋表面氧化膜的腐蝕

鋼筋表面氧化膜是鋼筋抵御化學(xué)腐蝕的主要形式之一。但在腐蝕環(huán)境中，氧化膜會被環(huán)境中的酸、堿等物質(zhì)破壞，從而促進了鋼筋的化學(xué)腐蝕過程。例如，在碳酸鹽酸性環(huán)境中，酸可以迅速侵蝕鋼筋表面的氧化膜，使鋼筋暴露在空氣中，進一步加速鋼筋的腐蝕。

2.1.2水分的腐蝕

水分是促進鋼筋混凝土中化學(xué)腐蝕的重要因素。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中水分是通過混凝土孔隙中的水和混凝土與土壤之間的滲透水進入的。水分的存在會促進鋼筋表面氧化膜的剝落和溶解，使鋼筋表面裸露，從而進一步加速鋼筋腐蝕。

2.1.3氧氣的腐蝕

氧氣是鋼筋混凝土中鋼筋化學(xué)腐蝕的重要催化劑。在含氧環(huán)境中，鋼筋表面的氧化膜會被氧氣分子破壞，使得鋼筋表面與周圍環(huán)境中的酸、堿等腐蝕性物質(zhì)反應(yīng)更加劇烈，從而促進了鋼筋混凝土中的化學(xué)腐蝕過程。

2.1.4酸堿值的影響

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中pH值的變化會直接影響鋼筋的化學(xué)腐蝕情況。在一般情況下，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中pH值應(yīng)控制在11以上，此時鋼筋表面會形成致密的氧化膜，能夠有效地防止其進一步被腐蝕。

2.1.5溫度的影響

溫度的變化會影響鋼筋混凝土中鋼筋的化學(xué)腐蝕速率。在一般情況下，低溫環(huán)境能夠減緩鋼筋的腐蝕速率，因為低溫能夠抑制酸性反應(yīng)。而高溫環(huán)境下，鋼筋的腐蝕速率會更快，因為高溫?zé)崃磕軌虼龠M酸堿反應(yīng)，從而加速鋼筋的腐蝕。

2.2電化學(xué)腐蝕

電化學(xué)腐蝕是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中最為常見的腐蝕形式之一，也是最為嚴(yán)重的腐蝕問題之一。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋表面的電化學(xué)腐蝕基本上是由于燒結(jié)水泥基混凝土中產(chǎn)生的電化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的。

2.2.1電化學(xué)反應(yīng)的基本過程

電化學(xué)反應(yīng)實質(zhì)上是一種化學(xué)反應(yīng)，但是它是在兩種不同的電極上進行的。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋和混凝土就像兩個不同的電極一樣，通過電解質(zhì)聯(lián)系起來。當(dāng)兩個電極處于直接接觸或電化學(xué)三態(tài)中時，會發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，使得鋼筋的腐蝕速率急劇增加。

2.2.2電化學(xué)腐蝕的機理

鋼筋表面的電化學(xué)腐蝕過程可以分為三個部分：陽極反應(yīng)、陰極反應(yīng)和電介質(zhì)部分。

（1）陰極反應(yīng)

在含有氧、水和鹽等離子體的溶液中，鋼筋表面形成了微小的氧氣和水分的區(qū)域，這些區(qū)域被稱為“陰極”。這些區(qū)域中的氧氣和水分可以形成氫離子，從而為鋼筋提供電子。

（2）陽極反應(yīng)

在鋼筋表面，當(dāng)氧氣和水分連接起來時，就會形成氧化物，例如亞鐵或鐵氧化物。這些氧化物可以被氯化物離子或其他堿性離子進一步形成溶狀氯化鐵等化合物，從而產(chǎn)生電子，加速鋼筋的腐蝕。這些過程稱為“陽極反應(yīng)”。

（3）電介質(zhì)部分

在鋼筋表面的環(huán)境中，可能會存在許多小顆粒、水滴及其他細(xì)小的雜質(zhì)。這些雜質(zhì)被稱為“電介質(zhì)”。電介質(zhì)可以分散鋼筋表面的電極反應(yīng)，從而集中了陰極或陽極反應(yīng)，加速鋼筋表面的腐蝕。

2.3微生物影響腐蝕

鋼筋混凝土中的微生物在鋼筋的腐蝕中也發(fā)揮著重要的作用。這些微生物可以在鋼筋表面形成生物膜，從而使鋼筋表面失去原有的保護層，加速鋼筋的腐蝕。微生物可以釋放出酸性廢水、溶氧物質(zhì)等，從而對鋼筋的腐蝕產(chǎn)生促進作用。

三、防護措施和研究方向

鋼筋混凝土中鋼筋的腐蝕問題已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注，并且在此基礎(chǔ)上出現(xiàn)了許多防護措施。

3.1防護措施

（1）環(huán)境保護。通過降低大氣污染、調(diào)整水質(zhì)等方式改善鋼筋混凝土中鋼筋的腐蝕環(huán)境，從而減少鋼筋的腐蝕程度。

（2）防水防護。加強鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的防水措施，減少水分的進入，從而降低鋼筋的腐蝕。

（3）實體剝離保護。采用直接覆蓋或涂覆混凝土剝離的方法，使得其不再暴露在空氣中，從而減少