钢筋混凝土中钢筋腐蚀防控全攻略

钢筋混凝土（RC）为复合材料：钢筋嵌入混凝土主体。钢筋承担主要拉力，赋予受压混凝土抗裂能力。混凝土中钢材通常处非腐蚀钝化状态。但实践中非腐蚀钝化条件并非总达成，导致钢筋腐蚀。钢筋腐蚀物理后果：混凝土结构极限强度和服务性能下降。钢筋腐蚀是全球性重大问题。腐蚀损害大幅降低RC服务性和结构完整性。腐蚀诱导损伤致使混凝土结构需早期修复甚至整体更换。

钢筋腐蚀时腐蚀产物体积膨胀。所有氧化铁和氢氧化铁比容大于钢材。腐蚀膨胀力导致混凝土拉伸开裂和锈蚀渗漏。进而降低混凝土服务性和结构完整性，影响美观。腐蚀一旦启动，仅时间问题，累积损伤导致结构远早于设计寿命失效。

钢筋腐蚀两大主因

混凝土中钢筋腐蚀两主因：①氯离子导致钢材钝化膜局部失效；②大气CO₂（二氧化碳）反应中和混凝土碱度致钝化整体失效。影响RC钢筋腐蚀主要因素：①碳化碱度损失；②氯离子碱度损失；③机械荷载致混凝土裂纹；④杂散电流；⑤大气污染；⑥水分通道；⑦水灰比；⑧混凝土低抗拉强度；⑨异种金属电接触；⑩环境差异腐蚀。

混凝土中钢腐蚀电化学本质

腐蚀定义为材料与环境反应劣化破坏。属电化学过程（图1），需电流流动和多化学反应。电化学电池例：原电池。电化学电池功能需三基本要素：①阳极；②阴极；③电解质。阳极产生电子，阴极消耗电子。电解质为离子流动介质。铁腐蚀典型阳极阴极反应：①阳极反应 Fe=Fe(++)+2e(-)（氧化）；②阴极反应 2H(+)+2e(-)=H₂（还原）；③去极化反应 2H(+)+2e(-)+0.5O₂=H₂O。

图1 混凝土中钢筋腐蚀电化学过程概念图

阳极金属铁（Fe）氧化产生电子。为维持电子平衡，等量电子在阴极消耗生成氢气（H₂）。H₂气倾向停留钢筋表面，反应自抑制。阴极极化，除非保护性H₂膜被移除（去极化）否则无法继续反应。H₂可逸出气体但过程慢。更关键是氧（O₂）去极化作用破坏H₂膜：O₂消耗自由电子阻止H₂积累。H₂层破坏后腐蚀反应自由继续。

钠离子氯离子不参与反应，总反应为阳极和去极化反应之和。利用H₂O=H(+)+OH(-)得主要腐蚀反应：Fe+H₂O+0.5O₂=Fe(OH)₂。沉淀物为亚铁氢氧化物，白色锈蚀形式。但含氧溶液中亚铁氢氧化物进一步氧化为铁氢氧化物，最终形成熟悉红褐色锈。

钢筋腐蚀类型

混凝土中钢筋观察到两类腐蚀：①缝隙腐蚀；②点蚀。缝隙腐蚀为局部腐蚀，通常与微环境层面停滞溶液相关。此类停滞微环境发生于缝隙（屏蔽区）。缝隙深处液体中氧被金属反应消耗。缝隙口暴露空气液体氧含量高。形成局部电池：阳极（受攻击区）为接触缺氧液体表面。点蚀中钝化理论分两类：基于吸附、基于薄氧化膜存在。吸附理论下，有害/活化物种如氯离子在特定表面位点与氧或羟基离子竞争。氧化膜理论下，有害物种掺入钝化膜导致局部溶解或形成导电路径。一旦启动，坑自催化扩大，导致活性区酸化、腐蚀加速。

腐蚀机理

完美均匀介质中腐蚀极不可能。但钢筋混凝土绝非均质材料，特定条件下形成腐蚀电池。混凝土腐蚀增强非均匀性原因多：蜂窝、多孔、干湿不均。裂纹导致钢应力差、差异通气、盐沉积。钢筋本身固有非均匀性：初始锁定残余应力、制造工艺。结果：低电位区成阳极，高电位区成阴极。湿混凝土作电解质，盐离子存在进一步加速。钢筋混凝土腐蚀通常分两大类：①开裂混凝土；②未开裂混凝土。

新鲜未开裂混凝土通常有充足抗腐蚀能力。钢筋保护层有效阻隔腐蚀介质渗透至钢材水平。显然保护层越厚越密实抗腐蚀越有效。新鲜混凝土高pH值通常抑制腐蚀反应。pH指溶液酸碱度指数。0-7酸性（促腐蚀），7-14碱性（抑腐蚀）。新鲜混凝土高Ca(OH)₂含量给出pH约13。最后防线是钢筋表面蓝色氧化膜（轧制氧化皮）。氧化膜阻止腐蚀介质直接接触裸露金属。轧制氧化皮提供局部腐蚀保护。

但随时间条件改变。水、盐、O₂、CO₂、工业气体（如有）缓慢渗透混凝土，速率取决保护层渗透性。CO₂经孔隙裂纹渗入与Ca(OH)₂反应生成碳酸钙，降低pH值和混凝土保护性。钢筋混凝土腐蚀一般机理见图2。

图2 钢筋腐蚀一般机理示意图

混凝土pH降至8时腐蚀概率高。结晶盐和冻融效应建立内部力破坏保护层耐久性。腐蚀介质达钢材水平时集中攻击氧化膜缺陷处。更重要：若盐存在，破坏钢材氧化膜钝化性促进腐蚀。

显而易见，混凝土大裂缝处渗透阶段大幅缩短，裂缝下钢材快速腐蚀。未开裂区同序列但速率大幅降低。即腐蚀启动于腐蚀促进介质渗透混凝土达钢材水平时。

须记盐是腐蚀过程重要因素。盐离子破坏钢钝化、建立腐蚀电池、增加电解质电导率。无盐离子时钢筋混凝土腐蚀可长期抑制。此时腐蚀率一般受碳化过程控制。若保护屬相对致密厚实，未开裂区完全不腐蚀。但裂缝不失重要性，因裂缝下仍可发生局部腐蚀。

腐蚀产物倾向抑制持续腐蚀反应。产物可封闭基体金属阻隔O₂和H₂扩散，终止腐蚀反应。称自限制腐蚀。自限制腐蚀发生于高C/D（保护层厚度/钢筋直径）比，似决定钢筋纵向劈裂发生程度。纵向劈裂主要因腐蚀产物体积约钢材3倍产生拉力。若保护层不足抵抗，纵向裂纹形成，O₂等外部介质接触钢材。此时结构达危险腐蚀状态仅时间问题，须修复或更换。反复荷载也可能破坏锈皮保护作用，但需更多研究确定重要性。

钢在大气热力学不稳定，总趋向通过与O₂水反应回归氧化物/氢氧化物低能态。这些过程持续发生。钢材使用关键在于实践中控制这些过程。所幸仅钢表面原子暴露大气可反应。15毫米直径钢筋仅约1/4000万原子。钢材涂层进一步减少此数。

嵌入混凝土钢材，混凝土本身提供涂层限制水和O₂接触钢表面。第二有益方面：水泥浆孔隙溶液高碱性，如图3 Pourbaix图，混凝土典型pH下腐蚀产物不溶，在钢表面形成极薄（几纳米）保护膜（钝化膜），将钢表面金属腐蚀损失限制在约0.1-1.0微米/年。通常认为此钝化腐蚀率下，混凝土中钢筋75年寿命内无显著降解，腐蚀产物体积不足引起破坏性应力。钝化膜非即时形成，随拌合水pH随水泥水化升高在首周内稳定保护钢材免主动腐蚀。

图3 铁的Pourbaix图

腐蚀无论可忽略钝化率或破坏性主动率，均为电化学过程，涉及微观/宏观层面阳极阴极半电池反应建立。高pH无氯离子溶液中，铁阳极溶解反应被阴极反应平衡，Fe²⁺与OH⁻结合生成稳定钝化膜。

阳极阴极反应对腐蚀过程同时发生必要。阳极阴极可紧邻或分离。紧邻即微观尺度，称微观电池腐蚀。有限距离分离称宏观电池腐蚀。混凝土中钢筋腐蚀可因微观和宏观电池腐蚀组合。图4展示两类腐蚀。

图4 混凝土中钢筋微观/宏观电池腐蚀

氯离子诱导腐蚀

氯离子破坏钝化膜机理未完全理解，因膜太薄无法检查且事件发生混凝土内部。假设一：氯离子掺入钝化膜降低其阻力。掺入不均匀，发生处允许更快反应建立阳极区持续腐蚀，其余钢材保持钝化（图5b）。

图5 钝化与氯离子诱导主动腐蚀示意图

假设二：Cl⁻离子与OH⁻阴离子“竞争”结合Fe²⁺阳离子，因Cl⁻与Fe²⁺形成可溶络合物，钝化膜不形成，刺激进一步金属溶解。可溶铁氯络合物扩散离钢材后分解，形成膨胀腐蚀产物，同时释放Cl⁻离子回迁移至阳极进一步反应钢材。整体过程中羟基离子持续消耗，局部降低pH（使该局部区域酸化），增强金属溶解。Cl⁻不被消耗，攻击成“自催化”。最终钢筋截面和结构抵抗严重受损。

任一假设机理均解释常观察到的局部攻击性质。局部主动腐蚀区为阳极，其余钝化区为阴极发生溶解氧还原。电池宏观或微观取决多因素。阳极阴极可宽距离分离或原子尺度相邻。

钢筋腐蚀时间依赖性

钢筋腐蚀过程三阶段：①起始；②去钝化；③蔓延。起始先于去钝化，继而蔓延达终态（图6）。起始后外表面混凝土出现裂纹，裂纹扩展进一步损伤发展为... 使用寿命在钢筋达终态即混凝土剥落开始时确定。

图6 钢筋腐蚀阶段

腐蚀产物

氯离子诱导钢筋腐蚀最严重后果：混凝土内堆积大体积不溶腐蚀产物导致内应力，最终致混凝土保护层开裂剥落。显然，一旦损伤直观显现，钢筋极易快速进一步腐蚀，因O₂和水分不再受混凝土保护层扩散限制。所有氧化铁和氢氧化铁比容大于钢筋钢材体积（图7）。故一定腐蚀量对混凝土破坏程度取决于具体腐蚀产物种类、分布、混凝土孔隙率强度。

图7 铁腐蚀产物比容

有时假设腐蚀产物为锈即Fe₂O₃·3H₂O，因受损混凝土观察到橙色产物。故假设腐蚀产物体积>钢材6倍，预测混凝土应力基此。实则分析显示产物含图7其他物质，比容为钢材2.2-3.3倍。仅裂纹剥落暴露大气后才转化为熟悉锈。

影响混凝土中钢腐蚀参数

影响混凝土中钢腐蚀参数见图8。钢材相关参数：冶金性能、预锈蚀、钢筋尺寸、钢筋布置。

图8 影响混凝土中钢腐蚀参数

冶金性能

许多合金元素提高钢耐蚀性为常识。主要耐蚀元素含铜（Cu）、镍（Ni）、铬（Cr），但钢筋钢中含量极微。特定元素组合可提高钢耐蚀性，但实际应用中对钢筋钢影响有限。

钢原子结构局部冶金差异导致钢内差异能量场，促形成电化学腐蚀所需阳极阴极区。这些区实为相互接触不同材料。能量场通常与位错、错配晶界、夹杂、杂质、冶金相界等相关。例：铁素体相易受攻击，渗碳体耐蚀。两相相邻时渗碳体成阴极、铁素体成阳极形成腐蚀电池。

须认识：商业钢中均存此类腐蚀电池能量场源，故抑制腐蚀途径非均质化钢材（不切实际且效果存疑）。幸而周围混凝土pH维持较高（10-13）时，这些能量场对钢筋腐蚀影响极小。

除基本原子结构相关腐蚀电池源，钢筋表面提供额外电池形成机会。表面粗糙度、划痕、切口、特别是轧制氧化皮常引发腐蚀起始。热轧形成轧制氧化皮若非连续涂层，则氧化皮覆盖区对相邻未覆盖区成阴极。

特定应用中金属涂层提供钢表面耐蚀保护。但阴极涂层如Ni、Cu对钢筋钢无效，因昂贵且施工易损坏致严重局部腐蚀。镉（Cd）、锌（Zn）为钢阳极可作牺牲涂层。镀锌钢筋或可行，但有效需足够涂层厚度。

钢筋预锈蚀

钢筋埋设前状态有相当影响。部分钢标准要求钢筋使用前除去疏松“片状”锈，粗暴搬运一般除有害锈。其他标准对预锈限制较宽：满足肋高、尺寸、刷后重量要求即允许用预锈钢筋。

另有报道：正常锈实际增加粘结。发现14天龄期混凝土用预锈焊接网比净丝粘结滑移小。但预锈钢筋长期效果不明确。暴露结构尤为关键。有建议预锈预应力筋灌浆包裹后致严重腐蚀。同理担忧适用暴露结构构件预锈钢筋。

钢筋尺寸与布置

含钢筋尺寸布置变量腐蚀研究较少。一研究表明：钢筋焊接网腐蚀敏感性不超单独绝缘钢筋。另一研究观察钢筋间距与腐蚀裂纹关系：间距300毫米钢筋通常呈沟状剥落，150毫米间距倾向形成弱化面。

预防措施

减少预防混凝土中钢筋腐蚀采用多法。部分关联制备混凝土，部分关联钢筋质量、成分、涂层。选择通常基于成本。钢筋涂层：①热浸镀锌；②熔结环氧涂层；③不锈钢包覆。也用不锈钢钢筋。涂层劣势：可物理损坏或电化学穿透致基体钢再次暴露常规腐蚀过程。抗腐蚀特殊成分钢筋也试过。多钢厂试验各种耐候钢成分。经广泛测试发现：耐候钢埋设表现持续差，多数生产商放弃生产耐候钢筋。