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【摘 要】 园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。
【关键词】 混凝土桥梁；钢筋锈蚀；原因；预防
前言
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（0H）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。
一、混凝土中钢筋锈蚀机理的研究
钢筋在混凝土中的腐蚀是在氧、水分存在条件下的一种特定的电化学腐蚀、即钢筋的某一部分失去电子成为阳极，钢筋的另一部分成为阴极接收电子，放出氢氧根，具有不同电极电位的钢筋与电解质溶液形成微电池，产生电流。在阳极铁离子进入电解质溶液，与氧、水分发生化学反应，生成氢氧化亚铁，氢氧化铁等腐蚀物（即铁锈）。其反应式如下：
阳极反应 2Fe - 4e- → 2Fe2+
阴极反应 O2+2H2O+4e- → 4OH-2Fe+ O2+2H2O → 2Fe2++4OH- → 2Fe（OH）2
（氢氧化亚铁，白色固体，难溶于水）
4 Fe（OH）2+ O2+2H2O → 4 Fe（OH）3
（氫氧化铁，红锈，主要腐蚀物）
钢筋锈蚀后体积膨胀，根据腐蚀物种类不同体积膨胀可达到2～6倍。当锈蚀产物在混凝土孔隙中沉积到一定程度时就会造成过大的内应力，致使混凝土保护层顺钢筋走向开裂。一旦混凝土开裂，空气沿裂缝渗入更快，氧气和水分也就容易向钢筋表面扩散，于是进一步促使钢筋锈蚀，顺筋裂缝也就加速扩大，如此往复循环，钢筋截面大为削减，严重降低承载力；同时还影响结构受力，使建筑物的安全受到威胁。
当截面损失率ρa≤1%时，对力学性能的影响是表面只有浮锈，力学性能不变；1%～5%时，强度曲线没有明显的屈服点，抗拉强度和屈服强度基本与母材钢筋相同，承载能力则需将截面折减后计算；≥5%时，抗拉强度和屈服强度均开始降低；当≥10%时，已无明显屈服点，腐蚀将变得严重，力学性能严重下降；当截面损失率≥60%，构件的力学性能降低至与未配筋的构件相近。这种结果第一导致混凝土与钢筋之间无法粘结；第二使钢筋保护层混凝土开裂、剥落，使介质更容易进入混凝土内部，导致腐蚀加剧，最后导致整个结构物破坏。
二、钢筋锈蚀对钢筋混凝土桥梁造成的危害
1、对钢筋抗拉强度的危害
沿钢筋长度发生均匀锈蚀时，钢筋的失重率近似等于钢筋的截面面积损失率，钢筋所能抵抗的极限拉力的降低与钢筋截面面积锈损率基本成正比，此时，可以简单地用锈损钢筋的实际截面面积As乘以未锈钢筋的极限抗拉强度fu获得锈蚀钢筋的极限抗拉能力Pu。但是，由于混凝土材料的不均匀性、使用环境的不稳定性、钢筋各部位受力程度的不同等因素，实际上混凝土中的钢筋锈蚀很少有均匀锈蚀的情况，通常钢筋截面面积损失率大于重量损失率，而且随着钢筋锈蚀的发展，锈蚀的不均匀性和离散性增大，重量损失率与截面面积损失率的差异也越大。因此，钢筋极限抗拉能力的下降，除钢筋截面的锈损、有效截面面积减小外，还有一个因素：锈损钢筋的表面凹凸不平，受力以后缺口处产生应力集中，使锈蚀钢筋的屈服强度和极限强度降低；且锈损越严重，应力集中引起的强度降低越多。
2、钢筋锈蚀后对钢筋与混凝土协同工作性能的危害
钢筋锈蚀后，钢筋与混凝土之间的粘结锚固性能降低。试验研究结果表明，锈蚀钢筋混凝土主梁抗弯承载力试验值小于只考虑锈蚀后钢筋截面积减小、屈服强度降低计算得到的抗弯承载力值，说明钢筋和混凝土的粘结强度降低也是锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力降低的主要影响因素之一。因此，对受拉钢筋必须乘以协同工作系数，以考虑粘结退化对钢筋混凝土梁抗弯承载力的影响。理论上，考虑粘结强度降低的影响，锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力应介于未锈蚀构件和无粘结构件之间，而相同条件下无粘结受弯构件承载力约为正常构件的70%～80%左右，那么Kb则应处于0.7～1之间。
3、钢筋锈蚀后对钢筋混凝土桥梁结构性能的影响
混凝土中的钢筋一旦发生锈蚀，在钢筋表面生成一层疏松的锈蚀产物，并且同时向周围混凝土孔隙中扩散。锈蚀产物体积比腐蚀钢筋的体积要大得多，一般可达钢筋腐蚀量的2倍～4倍。锈蚀产物的体积膨胀使钢筋外围混凝土产生环向拉应力，当环向拉应力达到混凝土的抗拉强度时，在钢筋与混凝土界面处将出现内部径向裂缝，随着钢筋锈蚀的进一步加剧、钢筋锈蚀量的增加，径向内裂缝向混凝土表面发展，直到混凝土保护层开裂产生顺筋方向的锈胀裂缝，甚至保护层剥落，严重影响钢筋混凝土桥梁的正常使用。钢筋与混凝土的粘结是一种复杂的相互作用，通过它来传递二者之间的应力，协调变形，因此钢筋与混凝土之间粘结锚固性能是保证钢筋与混凝土两种不同材料共同工作的基本前提。钢筋与混凝土间锈蚀层的润滑作用、钢筋表面横肋的锈损、混凝土保护层的开裂或剥落都会导致钢筋混凝土粘结锚固性能降低甚至完全丧失，最终影响钢筋混凝土桥梁结构的安全性、适用性和耐久性。
4、钢筋锈蚀对钢筋混凝土桥梁抗弯承载能力的影响
经研究发现钢筋锈蚀对桥梁抗弯承载力的影响一般存在以下规律：
（1）随着钢筋锈蚀，主梁承载力呈线性降低，在未出现纵向裂缝前，降低幅度比较小； （2）在出现纵向裂缝之后，混凝土保护层未脱落之前，主梁承载力随着钢筋锈蚀降低幅度稍微增大，而且随着纵向裂缝宽度开展，主梁承载力显著降低；
（3）在混凝土保护层脱落之后，主梁承载力已显著降低，较未锈蚀前降低约25%以上。
5、锈蚀对抗剪钢筋提供的抗剪强度的影响
钢筋混凝土梁中的抗剪钢筋主要是箍筋和弯起钢筋。试验研究表明，箍筋锈蚀比纵向钢筋更严重，其中又以角部的锈蚀最为严重。实际上，钢筋的直径对锈蚀非常敏感，相同锈蚀条件下，随着钢筋直径越大，钢筋锈蚀率越小。箍筋锈蚀后屈服强度降低，截面面积减少，其结果导致箍筋提供抗剪强度的降低甚至完全丧失。
三、预防措施
1、提高混凝土的密实度，降低混凝土的孔隙率。环境中的氧化性物质通过混凝土内孔隙，进入到混凝土内，并到达钢筋表面，破坏了钢筋钝化保护膜，导致钢筋锈蚀。所以，为了阻止外界氧化物质侵入进而使钢筋腐蚀，就必须提高混凝土的密实度。提高混凝土的密实度，降低混凝土的孔隙率，尤其是混凝土毛细管孔隙率，最常用的方法是调整水灰比，降低混凝土拌和时的用水量。
2、采用防水材料、防腐材料等，以提高混凝土保護层的抗腐蚀能力。在发达国家，带有环氧树脂涂层的钢筋被广泛应用于桥梁等工程建设中。良好的涂层能有效防止钢筋锈蚀，大大延长结构使用寿命。有资料估计，使用环氧树脂涂层钢筋可使桥梁寿命延长10 年以上。也可采用喷、镀、涂等方法对钢筋实施覆盖防腐，目的是在金属制品表面覆盖保护层，把钢筋与介质隔离。
3、浇筑钢筋混凝土结构应严格按施工规范控制氯盐用量，提高混凝土保护层厚度。混凝土保护层增加，则氯离子渗入混凝土到达钢筋表面的时间就会延长，这是延迟混凝土中钢筋腐蚀的一种很有效的方法。
4、由于钢筋的锈蚀和其内部化学成分有关，通过添加合金锰、铬、铜、镍等元素形成不同组成的合金钢，以提高抗腐蚀能力。
5、水在钢筋锈蚀过程中起着重要作用，切断水的通路，钢筋锈蚀便可以控制了。桥梁防水包括表面防水和裂缝修补。表面防水一般采用在经常接触水的表面增加防水层的方法。
防水层一般采用环氧树脂或其他高分子材料。防水层施工前，应使表面砼清洁、干燥，以保证良好的粘结性。防水层应致密、均匀，以达到良好的防水效果。
另外，电化学防护方法是应用电化学原理避免钢筋锈蚀，如阴极防护。在原电池中，活性较强的金属（ 阳极） 失去电子逐渐熔解，而活性较弱的阴极维持原状。利用这一原理，可以引入活性比铁强的金属（ 如锌） 充当阳极，与钢筋混凝土共同形成电池。当电化学反应发生时，活性比铁强的金属逐渐被腐蚀，而钢筋不会锈蚀。一种典型的阴极防护形式就是用电弧法将锌喷涂于梁腹砼表面作为外加阳极对钢筋进行保护。观测结果表明，这一方法对防止钢筋锈蚀很有效。
结束语
总之，钢筋锈蚀在钢筋混凝土桥梁中比较普遍，它们都是影响混凝土结构耐久性的重要因素，了解了碳化及钢筋锈蚀的机理，无论是对工程设计或者施工都会有一定的意义。
参考文献：
[1] 吴瑾，蒋业浩，王浩. 再生混凝土配合比设计试验研究[J]. 低温建筑技术.2009（02）
[2] 李远升. 大体积混凝土防止裂缝产生的措施[J]. 内蒙古石油化工.2009（08）
[3] 王嘉杨，浮海梅. 筏板基础大体积混凝土裂缝控制的综合措施[J]. 福建建材. 2009（03）
[4] 石怀正. 复杂形状大体积混凝土温度裂缝控制技术[J]. 福建建材.2009（03）
【关键词】 混凝土桥梁；钢筋锈蚀；原因；预防
前言
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（0H）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。
一、混凝土中钢筋锈蚀机理的研究
钢筋在混凝土中的腐蚀是在氧、水分存在条件下的一种特定的电化学腐蚀、即钢筋的某一部分失去电子成为阳极，钢筋的另一部分成为阴极接收电子，放出氢氧根，具有不同电极电位的钢筋与电解质溶液形成微电池，产生电流。在阳极铁离子进入电解质溶液，与氧、水分发生化学反应，生成氢氧化亚铁，氢氧化铁等腐蚀物（即铁锈）。其反应式如下：
阳极反应 2Fe - 4e- → 2Fe2+
阴极反应 O2+2H2O+4e- → 4OH-2Fe+ O2+2H2O → 2Fe2++4OH- → 2Fe（OH）2
（氢氧化亚铁，白色固体，难溶于水）
4 Fe（OH）2+ O2+2H2O → 4 Fe（OH）3
（氫氧化铁，红锈，主要腐蚀物）
钢筋锈蚀后体积膨胀，根据腐蚀物种类不同体积膨胀可达到2～6倍。当锈蚀产物在混凝土孔隙中沉积到一定程度时就会造成过大的内应力，致使混凝土保护层顺钢筋走向开裂。一旦混凝土开裂，空气沿裂缝渗入更快，氧气和水分也就容易向钢筋表面扩散，于是进一步促使钢筋锈蚀，顺筋裂缝也就加速扩大，如此往复循环，钢筋截面大为削减，严重降低承载力；同时还影响结构受力，使建筑物的安全受到威胁。
当截面损失率ρa≤1%时，对力学性能的影响是表面只有浮锈，力学性能不变；1%～5%时，强度曲线没有明显的屈服点，抗拉强度和屈服强度基本与母材钢筋相同，承载能力则需将截面折减后计算；≥5%时，抗拉强度和屈服强度均开始降低；当≥10%时，已无明显屈服点，腐蚀将变得严重，力学性能严重下降；当截面损失率≥60%，构件的力学性能降低至与未配筋的构件相近。这种结果第一导致混凝土与钢筋之间无法粘结；第二使钢筋保护层混凝土开裂、剥落，使介质更容易进入混凝土内部，导致腐蚀加剧，最后导致整个结构物破坏。
二、钢筋锈蚀对钢筋混凝土桥梁造成的危害
1、对钢筋抗拉强度的危害
沿钢筋长度发生均匀锈蚀时，钢筋的失重率近似等于钢筋的截面面积损失率，钢筋所能抵抗的极限拉力的降低与钢筋截面面积锈损率基本成正比，此时，可以简单地用锈损钢筋的实际截面面积As乘以未锈钢筋的极限抗拉强度fu获得锈蚀钢筋的极限抗拉能力Pu。但是，由于混凝土材料的不均匀性、使用环境的不稳定性、钢筋各部位受力程度的不同等因素，实际上混凝土中的钢筋锈蚀很少有均匀锈蚀的情况，通常钢筋截面面积损失率大于重量损失率，而且随着钢筋锈蚀的发展，锈蚀的不均匀性和离散性增大，重量损失率与截面面积损失率的差异也越大。因此，钢筋极限抗拉能力的下降，除钢筋截面的锈损、有效截面面积减小外，还有一个因素：锈损钢筋的表面凹凸不平，受力以后缺口处产生应力集中，使锈蚀钢筋的屈服强度和极限强度降低；且锈损越严重，应力集中引起的强度降低越多。
2、钢筋锈蚀后对钢筋与混凝土协同工作性能的危害
钢筋锈蚀后，钢筋与混凝土之间的粘结锚固性能降低。试验研究结果表明，锈蚀钢筋混凝土主梁抗弯承载力试验值小于只考虑锈蚀后钢筋截面积减小、屈服强度降低计算得到的抗弯承载力值，说明钢筋和混凝土的粘结强度降低也是锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力降低的主要影响因素之一。因此，对受拉钢筋必须乘以协同工作系数，以考虑粘结退化对钢筋混凝土梁抗弯承载力的影响。理论上，考虑粘结强度降低的影响，锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力应介于未锈蚀构件和无粘结构件之间，而相同条件下无粘结受弯构件承载力约为正常构件的70%～80%左右，那么Kb则应处于0.7～1之间。
3、钢筋锈蚀后对钢筋混凝土桥梁结构性能的影响
混凝土中的钢筋一旦发生锈蚀，在钢筋表面生成一层疏松的锈蚀产物，并且同时向周围混凝土孔隙中扩散。锈蚀产物体积比腐蚀钢筋的体积要大得多，一般可达钢筋腐蚀量的2倍～4倍。锈蚀产物的体积膨胀使钢筋外围混凝土产生环向拉应力，当环向拉应力达到混凝土的抗拉强度时，在钢筋与混凝土界面处将出现内部径向裂缝，随着钢筋锈蚀的进一步加剧、钢筋锈蚀量的增加，径向内裂缝向混凝土表面发展，直到混凝土保护层开裂产生顺筋方向的锈胀裂缝，甚至保护层剥落，严重影响钢筋混凝土桥梁的正常使用。钢筋与混凝土的粘结是一种复杂的相互作用，通过它来传递二者之间的应力，协调变形，因此钢筋与混凝土之间粘结锚固性能是保证钢筋与混凝土两种不同材料共同工作的基本前提。钢筋与混凝土间锈蚀层的润滑作用、钢筋表面横肋的锈损、混凝土保护层的开裂或剥落都会导致钢筋混凝土粘结锚固性能降低甚至完全丧失，最终影响钢筋混凝土桥梁结构的安全性、适用性和耐久性。
4、钢筋锈蚀对钢筋混凝土桥梁抗弯承载能力的影响
经研究发现钢筋锈蚀对桥梁抗弯承载力的影响一般存在以下规律：
（1）随着钢筋锈蚀，主梁承载力呈线性降低，在未出现纵向裂缝前，降低幅度比较小； （2）在出现纵向裂缝之后，混凝土保护层未脱落之前，主梁承载力随着钢筋锈蚀降低幅度稍微增大，而且随着纵向裂缝宽度开展，主梁承载力显著降低；
（3）在混凝土保护层脱落之后，主梁承载力已显著降低，较未锈蚀前降低约25%以上。
5、锈蚀对抗剪钢筋提供的抗剪强度的影响
钢筋混凝土梁中的抗剪钢筋主要是箍筋和弯起钢筋。试验研究表明，箍筋锈蚀比纵向钢筋更严重，其中又以角部的锈蚀最为严重。实际上，钢筋的直径对锈蚀非常敏感，相同锈蚀条件下，随着钢筋直径越大，钢筋锈蚀率越小。箍筋锈蚀后屈服强度降低，截面面积减少，其结果导致箍筋提供抗剪强度的降低甚至完全丧失。
三、预防措施
1、提高混凝土的密实度，降低混凝土的孔隙率。环境中的氧化性物质通过混凝土内孔隙，进入到混凝土内，并到达钢筋表面，破坏了钢筋钝化保护膜，导致钢筋锈蚀。所以，为了阻止外界氧化物质侵入进而使钢筋腐蚀，就必须提高混凝土的密实度。提高混凝土的密实度，降低混凝土的孔隙率，尤其是混凝土毛细管孔隙率，最常用的方法是调整水灰比，降低混凝土拌和时的用水量。
2、采用防水材料、防腐材料等，以提高混凝土保護层的抗腐蚀能力。在发达国家，带有环氧树脂涂层的钢筋被广泛应用于桥梁等工程建设中。良好的涂层能有效防止钢筋锈蚀，大大延长结构使用寿命。有资料估计，使用环氧树脂涂层钢筋可使桥梁寿命延长10 年以上。也可采用喷、镀、涂等方法对钢筋实施覆盖防腐，目的是在金属制品表面覆盖保护层，把钢筋与介质隔离。
3、浇筑钢筋混凝土结构应严格按施工规范控制氯盐用量，提高混凝土保护层厚度。混凝土保护层增加，则氯离子渗入混凝土到达钢筋表面的时间就会延长，这是延迟混凝土中钢筋腐蚀的一种很有效的方法。
4、由于钢筋的锈蚀和其内部化学成分有关，通过添加合金锰、铬、铜、镍等元素形成不同组成的合金钢，以提高抗腐蚀能力。
5、水在钢筋锈蚀过程中起着重要作用，切断水的通路，钢筋锈蚀便可以控制了。桥梁防水包括表面防水和裂缝修补。表面防水一般采用在经常接触水的表面增加防水层的方法。
防水层一般采用环氧树脂或其他高分子材料。防水层施工前，应使表面砼清洁、干燥，以保证良好的粘结性。防水层应致密、均匀，以达到良好的防水效果。
另外，电化学防护方法是应用电化学原理避免钢筋锈蚀，如阴极防护。在原电池中，活性较强的金属（ 阳极） 失去电子逐渐熔解，而活性较弱的阴极维持原状。利用这一原理，可以引入活性比铁强的金属（ 如锌） 充当阳极，与钢筋混凝土共同形成电池。当电化学反应发生时，活性比铁强的金属逐渐被腐蚀，而钢筋不会锈蚀。一种典型的阴极防护形式就是用电弧法将锌喷涂于梁腹砼表面作为外加阳极对钢筋进行保护。观测结果表明，这一方法对防止钢筋锈蚀很有效。
结束语
总之，钢筋锈蚀在钢筋混凝土桥梁中比较普遍，它们都是影响混凝土结构耐久性的重要因素，了解了碳化及钢筋锈蚀的机理，无论是对工程设计或者施工都会有一定的意义。
参考文献：
[1] 吴瑾，蒋业浩，王浩. 再生混凝土配合比设计试验研究[J]. 低温建筑技术.2009（02）
[2] 李远升. 大体积混凝土防止裂缝产生的措施[J]. 内蒙古石油化工.2009（08）
[3] 王嘉杨，浮海梅. 筏板基础大体积混凝土裂缝控制的综合措施[J]. 福建建材. 2009（03）
[4] 石怀正. 复杂形状大体积混凝土温度裂缝控制技术[J]. 福建建材.2009（03）