混凝土内部钢筋电化学腐蚀规律研究

2026-02-12 15:27:53 作者：本网整理来源：网络分享至：

4.1 引言

钢筋电化学腐蚀是导致海洋环境中钢筋混凝土结构耐久性降低的主要原因[97-991当钢筋锈蚀物产生的锈胀应力使保护层出现裂缝时，如果不及时对锈蚀破坏的结构进行维护，裂缝会随着锈胀应力的增加不断扩大，最后导致混凝土整个保护层开裂剥落，将钢筋直接暴露在腐蚀环境中，导致混凝土构件承重能力降低甚至混凝土结构出现脆性破坏00H[102!。本章综合考虑C1扩散、电化学反应对钢筋腐蚀状态进行预测，从而评估钢筋混凝土结构使用寿命，制定相应的维护、修复手段。

4.2 钢筋电化学腐蚀的基本原理

钢筋电化学腐蚀由阳极、阴极、电子传导三个部分组成，缺乏任何一个部分电化学腐蚀过程都不能进行。除此之外，钢筋电化学腐蚀还受到水和氧气两个控制因素的影响，即只有水和氧气源源不断的传输至钢筋表面时(如图4-1所示)，钢筋电化学腐蚀才得以进行[1031。

混凝土中的钢筋与直接暴露在外的钢筋相比，锈蚀过程要复杂得多，通常情况下混凝土保护层作为一道“屏障”将钢筋和外界环境分隔开为钢筋免遭侵蚀介质的直接作用而提供了一个比较理想的保护环境!04]。混凝土对钢筋的保护作用主要体现在以下几个方面:

(1)新拌混凝土内部环境PH值一般大于12，在这种强碱性的环境中钢筋表面会生成一层钝化膜，避免腐蚀介质直接与钢筋接触，从而保护钢筋不发生锈蚀。

(2)振捣良好、养护得当的低水胶比混凝土不仅密实度较高，还具有很低的渗透性，有效延缓了能引发锈蚀的侵蚀介质(如C、CO、水分等)在混凝土中的传输过程，使其难以抵达钢筋表面[051。

(3)混凝土较高的电阻率显著降低了阴、阳极之间的电流强度，从而抑制了钢筋锈蚀速率[105]

由上述可知，如果混凝土内部始终处于强碱环境、且保持较高的密实度电阻率等性能，那么混凝土中的钢筋就会持续处于钝化状态。然而，混凝土在施工、使用过程中产生的一些内部缺陷却提高了它的渗透性，外界侵蚀介质可以较为顺畅地侵入混凝土内部，从而降低了混凝土内部的PH值，并最终导致钢筋开始锈蚀06。

4.2.1 钝化膜破坏

混凝土结构内部由于水泥水化过程中产生的Ca(OH)z过饱和溶液，混凝土结构内部会形成一个PH值大于12强碱性环境，这个环境有助于在钢筋表面形成一层致密的钝化膜，保护钢筋免受侵蚀。然而，氯离子在混凝土中的扩散会导致混凝土逐渐失去强碱性。如果PH值小于11.5，钢筋钝化膜就会受到破坏，逐渐丧失稳定性!07:当PH值小于9.88时，其破坏处无法自我修复，钝化膜逐渐破坏并失去对钢筋的保护功能;随着钢筋表面C浓度不断增大，PH值不断减小，当PH值小于4时，钝化膜完全破坏[108]。

4.2.2 钢筋腐蚀电池

腐蚀初期，由于C浓度的不均匀性，钢筋钝化膜只有部分区域出现破坏，破损处钢筋暴露在外，在氧气和水分充足的情况下，钝化膜破坏处的钢筋作为“腐蚀电池”的阳极，未破坏区域的钢筋作为阴极，发生电化学腐蚀!49]。随着腐蚀的加剧，破坏的钝化膜遍布钢筋各处，阳极不断被腐蚀，最后在钢筋各处形成点蚀坑。

4.2.3 氯离子去极化作用

阳极的极化作用会减缓阳极的反应速率，而C在电场的作用下向阳极迁移，与阳极产生的Fe2*发生化学反应生成易溶于水的FeCl，使Fe”远离阳极，从而起到提高阳极反应速率的去极化作用。此外，在整个腐蚀电池的反应中，C本身并未消耗，而是

作为促进腐蚀反应的催化物，对钢筋起到反复的破坏作用。因此，C侵蚀一旦发生则难以补救，这就是C侵蚀作为影响结构耐久性关键因素的特点之一。

4.2.4 导电作用

混凝土既不属于绝缘体，也不属于导体，而是处于绝缘体和导体之间的一种材料。完全干燥的混凝土具有极高的电阻率，但在潮湿状态下，水泥水化产生的导电化合物溶解在孔隙水中，当混凝土中的水分较多时，混凝土就具有了一定的导电性[5。而C的存在可以强化混凝土中的离子通路，降低混凝土中的电阻率，使电极之间的电导率进一步提高，加速阳极处铁的腐蚀。

钢筋电化学腐蚀方程式可表示为:

阳极反应:

阴极反应:

富氧条件下阳极二次反应:

由式(4-1)到式(4-4)可知，C在整个电化学腐蚀过程中既不构成锈蚀产物也会不消耗，而是作为中间产物起到了催化剂的作用，不断地促进铁的腐蚀!59。

4.3 钢筋电化学腐蚀的电势分布与电化学极化

4.3.1 宏电池腐蚀与微电池腐蚀

氯离子引起的钢筋电化学腐蚀的重要电化学特性之一是微电池腐蚀以及宏电池腐蚀的存在09I10!，混凝土内钢筋的锈蚀属于电化学过程，其包含了两个半电池反应一发生在阳极的氧化反应(失电子)和发生在阴极的还原反应(得电子)。当这两个反应发生的位置相距较远时，称之为宏电池腐蚀(macrocell)当两个反应位置相距较近或位于同一位置时，则称为微电池腐蚀(microcell)。在钢筋电化学腐蚀过程中，微电池腐蚀和宏电池腐蚀不可能单独存在，二者相互依存、共生!。钢筋电化学腐蚀过程中，C从混凝土表面扩散到钢筋表面，距离混凝土保护层最近的钢筋上部表面C厂浓度最先到达C…a，钢筋上表面出现局部活化02，当混凝土中存在充足的水分和氧气时，钢筋将发生电化学腐蚀。此时，钢筋表面活化区同时发生氧化反应与还原反应，形成大量微阳极和微阴极，这些相邻的微阳极与微阴极构成微电池，钢筋出现均匀腐蚀。一般来说，在混凝土结构没有裂缝的情况下，钢筋仅会发生微电池腐蚀，对结构危害较轻。微电池腐蚀基本过程见图4-2。

当钢筋沿径向发生均匀腐蚀时，活化区和钝化区上都会产生微电池腐蚀。如图4-2所示，向上的箭头代表阳极电流流出钢筋表面，向下的箭头代表阴极电流流入钢筋表面。流出的阳极电流密度等于流入的阴极电流密度，二者在数值上均等于微电池电流密度，此时活化区及钝化区均无净电流产生1821，钢筋与混凝土交界面几乎没有电流流动。图4-3为活化区和钝化区的微电池腐蚀极化特性。从图中可以看出:化区的微电池腐蚀电位比活化区的微电池腐蚀电位高(Ф”>Ф…)，但钝化区微电池腐蚀速率比活化区低(<…)。无论是在活化钢筋还是钝化钢筋的微电池腐蚀电位下，阳极电流密度和阴极电流密度均相等，且二者在数值上均等于微电池电流密度，

然而，由于混凝土微观结构与内部微环境上的非均匀性，钢筋沿径向和周向均发生非均匀锈蚀。在实际研究中发现，当钢筋出现电化学腐蚀时，阳极氧化反应和阴极还原反应可能同时存在于钢筋的活化区和钝化区。当活化区钢筋与钝化区钢筋发生电化学连接或钢筋周向的微电池分布不均匀时，就会发生宏电池腐蚀!3](宏电池腐蚀基本过程见图 4-4。)当钢筋表面出现宏电池腐蚀时，其表面形成固定的阳极区和阴极区,此时由于大部分钢筋表面钝化膜还未破坏，阳极区的面积会远小于阴极区的面积。由于宏电池腐蚀阳极位置固定且面积很小，通常会引起阳极区严重腐蚀，横截面迅速减小，而阴极区横截面仅出现轻微腐蚀，横截面几乎不变。随着腐蚀的进行，阳极区腐蚀愈发严重，最终导致钢筋发生严重局部破坏，严重降低了钢筋的强度与结构的耐久性。一般情况下，在带裂缝工作的混凝土结构中，出现的钢筋腐蚀大多属于宏电池腐蚀。