混凝土的耐久性

1. 混凝土的耐久性 • 许强松 • （广州大学 结构工程 06111163）

2. 摘　要 • 混凝土结构是应用非常广泛的一种结构形式，但是由于其材料自身和使用环境的特点，使得混凝土结构存在严重的耐久性问题，这已经给各国带来了巨大的经济损失和财政负担。本文通过数据说明混凝土结构耐久性问题的严重性，回顾了混凝土结构耐久性研究的发展状况；同时介绍了混凝土结构耐久性研究的主要内容，包括：混凝土的碳化、碱骨料反应和冻融破坏、氯离子侵蚀、钢筋锈蚀。 关键词：混凝土；耐久性

3. Abstract • Concrete structures are widely used, but they have a fatal defect of poor durability due to internal factors of materials and environmental state. The defect of concrete structures has resu lted in economic losses worldwide, so the durability of concrete st ructures must be paid great attention to the practical engineering. The construction projects are quoted here to emphasis the impo rtance of study on durability of concrete structures. The state of the art of studies on durability of concrete structures is introduced, which include that there are carbonation of concrete, alkali2aggregate reaction, freeze2thaw ofconcrete, corrosion by choric salt, durability of concrete members. Key words:concrete ; durability

4. 第1章 绪论 • 1.1 前言 • 混凝土的耐久性包括混凝土构件耐久性和混凝土结构耐久性。混凝土构件耐久性研究是混凝土结构耐久性研究的基础和前提 。

5. 所谓混凝土的耐久性是指混凝土对风化作用、化学侵蚀、磨耗或任何其它破坏过程的抵抗能力，也就是说，耐用的混凝土当露置于使用环境时将保持其原来的形状、质量和适用性[1]。 Mehta PK

6. 混凝土结构耐久性是结构及其部件在各种可能导致材料性能劣化的环境因素长期作用下维持其应有功能的能力[2]。 陈肇元

7. 混凝土结构的耐久性是指混凝土结构在自然环境、使用环境及材料内部因素的作用下, 保持其自身工作能力的性能[3]。 金伟良，赵羽习．浙江大学学报

8. 1. 2选题背景和意义 • 国内外统计资料表明，由于混凝土结构的耐久性病害而导致的损失是巨大的，并且耐久性问题会越来越严重。 据调查

9. 美国1975年仅由于腐蚀引起的损失达700 亿美元，1985 年则达1 680 亿美元[4] 。 在美国州际公路网五十六万座桥中，处于严重失效的就有九万座，1969年一年内用于修复因钢筋锈蚀而损坏公路桥面板的费用高达26亿美元，1978年增至63亿美元[5]。 美国材料咨询委员会(NMAB) 1987年的年度报告中指出，有253，000座混凝土桥处于不同程度的损伤，并且以每年35，000座的速度在增加；美国1991年仅修复由于耐久性不足而损坏的桥梁就耗资910亿美元[6]。 美国俄勒冈州阿尔西厄海湾的多拱大桥由于钢筋锈蚀，在修补效果不好的情况下，不得不拆除更换。美国1994全年混凝土结构中钢筋锈蚀损失达到280亿美元。因撒除冰盐引起钢筋腐蚀破坏而限载通车的公路桥的维修费，即高达900亿美元[7]。

10. 美国每年用于腐蚀的费用

11. 英国每年用于修复钢筋混凝土结构的费用就达200亿英镑[8]。英国每年用于修复钢筋混凝土结构的费用就达200亿英镑[8]。 英格兰岛中部环形线的11座高架桥(全长21km )，其建设费是2800万英镑(1972年)，因冷天撒盐化冰雪，两年后就发现钢筋锈蚀使混凝土顺筋胀裂，到1989年的15年间，所支出的修补费为就为造价的1.6倍[9]。

12. 日本目前每年仅用于房屋结构维修的费用即达400亿日元以上。日本目前每年仅用于房屋结构维修的费用即达400亿日元以上。 日本引以为自豪的新干线使用不到10年，就出现大面积混凝土开裂、剥蚀现象[10]。

13. 我国的混凝土结构耐久性问题也同样十分严重。我国的混凝土结构耐久性问题也同样十分严重。 据1986年国家统计局和建设部普查统计[11]，当时有城镇房屋约46.8亿平米，由于建筑标准低，施工质量差，劣化速度快，估计有半数需要分期分批进行鉴定、修缮或加固，其中有10-12亿平米急待加固改造才能正常使用。 据1995年统计[12]，当时在役的60亿平米城镇民用建筑中，有30亿平米需要加固，其中10亿平米急需修理加固。我国近年来大兴土木，但新建的房屋在耐久性的设计标准上并没有根本改善，他们的长期使用功能依然令人怀疑和担忧。 据2000年全国公路普查[13]，截止2000年底，公路危桥9597 座，达323,451延米。公路桥梁每年实际需要维修费38亿元。全国铁路桥梁中，据1994年铁路秋季检查统计[14]，当时有6137座存在不同程度劣化损害，占当年铁路桥梁总数约33600座的18.8%，所需修补加固的费用约4亿元。 到2002年底，铁路桥梁总数约4万多座，其中混凝土桥梁约占93，有碱骨料反应现象的3千多万孔，占2.5 %；碳化深度在20mm以上的约5千多孔。

14. 国外学者曾用“五倍定律”形象地描述了混凝土结构耐久性设计的重要性，即设计阶段对钢筋防护方面节省1 美元，那么就意味着：发现钢筋锈蚀时采取措施将追加维修费5 美元；混凝土表面顺筋开裂时采取措施将追加维修费25 美元；严重破坏时采取措施将追加维修费125 美元。因此，钢筋混凝土结构耐久性问题是一个十分重要也是迫切需要加以解决的问题。

15. 某大桥的钢筋锈蚀及保护层剥落

16. 工字梁底面沿主筋方向裂缝 工字梁底面砼脱落钢筋外露

17. 桥梁构件劣化实例 严重腐蚀导致桥梁损害

18. 桥面板腐蚀实例 桥梁下部结构钢筋腐蚀

19. 1. 3国内外研究现状 • 1824 年，随着阿斯普丁发明了波特兰水泥，便开始了人类应用混凝土建造建筑物的历史，同时，混凝土结构的耐久性问题也随之出现。早期，波特兰水泥主要应用于兴建大量的海岸防波堤、码头、灯塔等，这些构筑物长期经受外部介质的强烈影响，其中包括物理作用(如波浪冲击、泥砂磨蚀以及冰冻作用) 的影响和化学作用(溶解在海水中的盐的作用)的影响，这些作用均导致上述构筑物的迅速破坏，因此，早期对混凝土耐久性问题的研究主要是集中在了解海上构筑物中混凝土的腐蚀情况。在19 世纪40 年代，为了探索在那些年代建成的码头被海水毁坏的原因，卓越的法国工程师维卡对水硬性石灰以及用石灰和火山灰制成的砂浆性能进行了研究，并著有《水硬性组分遭受海水腐蚀的化学原因及其防护方法的研究》一书，是研究海水对水硬性胶凝材料制成的混凝土腐蚀破坏的第一部科研著作。

20. 1880—1890 年，当第一批钢筋混凝土构件问世并首次应用于工业建筑物时，人们便开始研究钢筋混凝土能否在化学活性物质腐蚀条件下的安全使用以及在工业大气环境中混凝土结构的耐久性问题。

21. 上世纪20 年代初，随着结构计算理论及施工技术水平的相对成熟，钢筋混凝土结构开始被大规模采用，应用的领域也越来越广阔，因此，许多新的耐久性损伤类型逐渐出现，这直接促使人们必须有针对性进行的研究。1925 年，美国开始在硫酸盐含量极高的土壤内进行长期实验；其目的是为了获取25a、50 a 以至更长时间的混凝土腐蚀数据；联邦德国钢筋混凝土协会利用混凝土构筑物遭受沼泽水腐蚀而损坏的事例，也对混凝土在自然条件下的腐蚀情况进行了一次长期试验；1934—1964 年间, 卡皮斯和戈拉夫对混凝土在海水中的耐久性进行了实验研究，并提供了许多有关混凝土结构在自然条件下使用情况的可靠数据以及有关水泥种类、混凝土配合比和某些生产因素对混凝土抗蚀性影响的见解[ 2 ]。

22. 上世纪60 年代，混凝土结构的使用已经进入高峰期，同时，混凝土结构的耐久性研究也进入了一个高潮，并且开始朝系统化、国际化方向发展。国际材料与结构研究所联合会(R IL EM ) 于1960 年成立了“混凝土中钢筋腐蚀”技术委员会(122CRC) ，旨在推动混凝土结构耐久性研究的发展，使得混凝土结构正常使用的问题逐渐成为国际学术机构和国际性学术会议讨论的重要课题之一。于1961 年和1969 年R IL EM 分别召开了国际混凝土耐久性学术会议；1978 年至1993 年连续六次召开的建筑材料与构件的耐久性国际学术会议；1993 年IABSE 在丹麦哥本哈根召开了结构残余能力国际学术会议；2001 年3 月国际桥梁结构协会( IABSE) 代表C IB、ECCS、F IB、R IL EM 等组织在马尔他岛召开了“安全性，风险性与可靠性——工程趋势”的国际学术会议。

23. 这些学术活动的开展大大加强了各国学术界之间的合作与交流，取得了显著的成果，部分科研成果已应用于工程实践并成为指导工程设计、施工、维护等的标准性技术文件，如美国AC I437 委员会于1991 年提出了“已有混凝土房屋抗力评估”的最新报告，以及检测实验的详细方法和步骤. 日本土木学会混凝土委员会于1989 年制定了《混凝土结构物耐久性设计准则(试行) 》。1992 年，欧洲混凝土委员会颁布的《耐久性混凝土结构设计指南》反映了当今欧洲混凝土结构耐久性研究的水平。2001 年亚洲混凝土模式规范委员会公布了《亚洲混凝土模式规范》(ACMC2001) ，提出了基于性能的设计方法。

24. 我国很早就认识到结构的耐久性问题，并在维护结构耐久性方面积累了丰富的经验。例如，中国古代劳动人民曾经多次对长城进行了规模浩大的修复工作，尤其是在明代大规模采用城砖修复长城; 构耐久性的基本方法。比如都江堰在李冰父子主持修建完成之后两千多年，经过一定的修复和扩建，依然发挥着巨大的作用，不能不说是人类历史上的一个奇迹，我国的劳动人民显示出了无比的智慧和惊人的勇气，其中也总结了许多工程经验，比如“深淘滩，低作堰”、“版筑夯土”等，这些经验无一不是无数古代劳动人民的智慧与血汗的结品，有的甚至直到现在还在工程中有着指导意义。这些工程经验不仅是施工的良方，也是保证结构耐久性的基本方法。

25. 我国从60 年代开始了混凝土结构的耐久性研究，当时主要的研究内容是混凝土的碳化和钢筋的锈蚀。中国土木工程学会于1982 年、1983 年连续召开了两次全国耐久性学术会议，为混凝土结构规范的科学修订奠定了基础，推动了耐久性研究工作的进一步开展。1991 年12 月在天津成立了全国混凝土耐久性小组，它的诞生使我国在混凝土结构耐久性的研究方面朝系统化、规范化的方向迈进了一步。国家科委1994 年组织的国家基础性研究重大项目(攀登计划)“重大土木与水利工程安全性与耐久性的基础研究”也取得了很多研究成果。 2000 年5 月在杭州举行的土木工程第九届年会学术讨论会，混凝土结构的耐久性是大会主题之一 会议认为必须要重视工程结构耐久性的研究。2001 年11月国内众多有关专家学者在北京举行的工程科技论坛上，就土建工程的安全性与耐久性问题进行了热烈的讨论，混凝土结构耐久性问题得到了前所未有的重视

26. 袁迎曙等[15]对不同锈蚀环境下不同直径的锈蚀钢筋进行了试验研究，结果表明，截面损失率小于5%时，屈服强度和抗拉强度与母材相同；截面损失率大于5%时，锈后伸长率的降低程度与截面损失率成二次关系，锈后屈服强度与极限强度的降低程度与截面损失率之间不是简单的线性关系；严重锈蚀的钢筋其屈服强度与抗拉强度非常接近，容易引起结构的突然破坏:直径不同钢筋之间的锈蚀没有差别。 全明研[16]通过对屋面板中6根锈蚀钢筋进行试验研究，认为锈蚀钢筋的屈服强度降低与钢筋重量损失率之间没有明确的定量关系。

27. 张平生等[17]通过对现场环境、试验室快速腐蚀环境及模拟制作三个途径获取的锈蚀钢筋试件进行拉伸试验，发现钢筋锈蚀由大量锈坑组成，锈坑附近会产生明显的应力集中，这是锈蚀钢筋屈服强度与延伸率降低的主要原因。张平生等[17]通过对现场环境、试验室快速腐蚀环境及模拟制作三个途径获取的锈蚀钢筋试件进行拉伸试验，发现钢筋锈蚀由大量锈坑组成，锈坑附近会产生明显的应力集中，这是锈蚀钢筋屈服强度与延伸率降低的主要原因。 • 惠云玲、林志伸、李荣[18]对5种不同直径的钢筋进行了快速锈蚀试验，认为锈蚀后钢筋伸长率的降低程度与重量损失率之间是幂函数关系，锈后屈服强度与极限强度的降低程度与重量损失率之间成线性关系，但不同直径钢筋的降低程度不一样：细直径钢筋的抗腐蚀能力较粗直径钢筋为弱，相对高的钢筋强度对于锈蚀有一定的减缓作用。

28. 沈德建、吴胜兴[19]对现场取回的钢筋的力学性能进行试验研究，提出钢筋锈蚀的三维模型，并提出了锈蚀率的测定方法。沈德建、吴胜兴[19]对现场取回的钢筋的力学性能进行试验研究，提出钢筋锈蚀的三维模型，并提出了锈蚀率的测定方法。 洪乃丰[20]在其文章中指出，根据混凝土保护层厚度、钢筋直径、间距所处位置等情况的不同，混凝土可能发生两种形态的胀裂破坏:一种是构件表面的顺筋胀裂，另一种是起初隐藏于构件内部、沿着钢筋层面方向的胀裂，即所谓“层裂”。

29. 王军强[21]通过特制高硬度钢制膨胀螺栓对预留孔进行缓慢均匀扩孔，记录孔周围混凝土应变值和圆锥直径增量，观测裂缝的产生和发展，并记录裂缝分布形态。研究结果表明:机械模拟均匀锈蚀胀裂破坏的类型有以下两种：角区破坏和层裂破坏。钢筋布置在角区，当保护层厚度较大时，混凝土胀裂破坏的形态为角区破坏。当钢筋并排布置，在保护层厚度较大，钢筋间距适中的情况下，会发生层裂破坏。王军强[21]通过特制高硬度钢制膨胀螺栓对预留孔进行缓慢均匀扩孔，记录孔周围混凝土应变值和圆锥直径增量，观测裂缝的产生和发展，并记录裂缝分布形态。研究结果表明:机械模拟均匀锈蚀胀裂破坏的类型有以下两种：角区破坏和层裂破坏。钢筋布置在角区，当保护层厚度较大时，混凝土胀裂破坏的形态为角区破坏。当钢筋并排布置，在保护层厚度较大，钢筋间距适中的情况下，会发生层裂破坏。 • 吴胜兴、吴瑾、王巧平[22]从理论上对板采用弹性力学及有限元方法，分析钢筋锈蚀产物使钢筋体积膨胀在周围混凝土中的应力分布。提出了混凝土保护层四种破坏形式：直角破坏、楔形破坏、垂直方向顺筋开裂及整层破坏，并且工程调查结果与其吻合较好。

30. 范颖芳、周晶[23]通过对现场取回的9根梁表面的锈蚀裂缝宽度通过神经网络对钢筋锈蚀程度进行预测。虽然该方法的腐蚀参数比较容易获得，但是由于影响因素过多且都较为敏感，具体操作的效果并不算太好。范颖芳、周晶[23]通过对现场取回的9根梁表面的锈蚀裂缝宽度通过神经网络对钢筋锈蚀程度进行预测。虽然该方法的腐蚀参数比较容易获得，但是由于影响因素过多且都较为敏感，具体操作的效果并不算太好。 　　陶峰、王林科、王庆霖、刘建军等[24]将轧钢车间使用36年的钢筋混凝土梁和柱进行抗弯和偏心受压承载力试验研究，综合考虑构件的截面变化、材料力学性能的变化、钢筋与混凝土协同工作性能的变化等3个方面的因素来计算受损构件的承载力。但没有考虑钢筋锈蚀后与混凝土粘结滑移，仅测算了钢筋的锈蚀后强度。

31. 　　史庆轩等[25]采用外加电流加快混凝土梁内钢筋的锈蚀，然后进行偏心受压试验，测定其锈蚀后强度。认为钢筋锈蚀后各项力学性能都降低，但是电化学快速锈蚀法，使混凝土产生的沿纵筋裂缝宽度较小，与实际不太符合：同时锈蚀过程中电流的大小不容易确定。　　史庆轩等[25]采用外加电流加快混凝土梁内钢筋的锈蚀，然后进行偏心受压试验，测定其锈蚀后强度。认为钢筋锈蚀后各项力学性能都降低，但是电化学快速锈蚀法，使混凝土产生的沿纵筋裂缝宽度较小，与实际不太符合：同时锈蚀过程中电流的大小不容易确定。 • 　国内在东南大学吕志涛院士的领导下，己经开展了有关预应力混凝土结构耐久性方面的研究。并取得了不少成果。

32. 第2章 混凝土结构耐久性分析 • 2.1 前言 • 混凝土结构的耐久性可分为环境、材料、构件和结构四个层次，相对而言材料和构件部分的研究较为深入。为了更加直观地说明混凝土结构耐久性这一课题所涉及的研究内容，特绘制成图 。

34. 2.2混凝土碳化 • 混凝土在空气中的碳化是中性化最常见的一种形式，众所周知，混凝土具有高碱性。 • 空气、土壤、地下水等环境中的酸性气体或液体侵入混凝土中，与水泥石中的碱性物质发生反应，使混凝土的的PH值下降的过程称为混凝土的中性化过程，其中，由大气环境中的CO2引起的中性化过程称为混凝土的碳化。 • 混凝土碳化的主要化学反应式如下： • CO 2+ H2O →H2CO 3 • Ca (OH) 2+ H2CO 3→CaCO 3+ 2H2O

35. 碳化反应的结果 一方面，生成的CaCO3，和其它固态物质堵塞在混凝土孔隙中，并使混凝土的密实度提高;由于混凝土碳化使混凝土的孔隙率降低，密实度提高，因而使混凝土的力学性能和构件的受力性能发生一定变化。根据唐岱新等人的研究，碳化使混凝土的抗压强度明显提高，弹性模量有所提高，受压应力一应变曲线上升段和下降段变陡，混凝土的脆性变大，峰值应力提高，峰值应变变化不明显，碳化还使混凝土与光面钢筋及变形钢筋的粘结强度有所提高。 另一方面，混凝土的碳化使混凝土中的PH值降为约8.5-9，使混凝土中的钢筋脱钝、锈蚀进而导致混凝土保护层出现裂缝，引起结构的耐久性破坏。

36. 2.3碱骨料反应 • 碱骨料反应是混凝土原材料中水泥、外加剂、混合材料和水中的碱性物质(K20或Na2O)与骨料中的活性成分发生反应，在混凝土浇注成型后若干年(二十或三十年)逐渐反应，反应生成物吸水膨胀，使混凝土产生内力，膨胀开裂使混凝土结构失去设计性能。而混凝土的开裂又会诱发其他诸多因素协同起破坏作用，这更加缩短结构的使用寿命。由于混凝土中的活性骨料经搅拌后大体呈均匀分布，所以一旦发生碱骨料一反应，混凝土内各部分均产生膨胀应力，将混凝土自身胀裂。发展严重的只能拆除，不能补救，因此碱骨料反应又称为混凝土的癌症。

37. 2.4混凝土冻融破坏 • 混凝土是由水泥砂浆和粗骨料组成的毛细孔多孔体。在拌制混凝土时，为了得到必要的和易性，加入的拌和水总要多于水泥的水化水，这部分多余的水便以游离水的形式滞留于混凝土中形成连通的毛细孔，并占有一定的体积。这种毛细孔的自由水就是导致混凝土遭受冻害的主要因素，因为水遇冷冻结冰会发生体积膨胀，引起混凝土内部结构的破坏。

38. 2.5氯离子侵蚀 • 以硅酸盐水泥为凝胶材料主体的混凝土中充满着CaOH2的饱和溶液[26]，使混凝土中水泥凝胶具有高碱性(PH值12.5 -13 ) 钢筋在这种高碱性溶液中在少量氧气的作用下就会生成一层致密的厚约(2-10) X 10-9m的尖晶石溶液Fe304-υFe203膜吸附在钢筋表面上，这层膜称为钝化膜，它会阻止钢筋继续反应。如果设计和施工得当使混凝土具有密实组织，混凝土保护层具有足够的厚度，并在使用中防止微裂缝扩展，会保证混凝土和钢筋具有足够的耐久性。

39. 但是无论从宏观上，亚微观上还是微观组织上看混凝土都是多相、不均质的多孔体。在不均质的钢筋混凝土中，当混凝土中氯离子含量达一定浓度并到达钢筋位置时，完全有可能透过混凝土保护层达到钢筋与混凝土的连接界面上破坏钢筋的钝化膜使钢筋去钝化。对混凝土和钢筋造成腐蚀。但是无论从宏观上，亚微观上还是微观组织上看混凝土都是多相、不均质的多孔体。在不均质的钢筋混凝土中，当混凝土中氯离子含量达一定浓度并到达钢筋位置时，完全有可能透过混凝土保护层达到钢筋与混凝土的连接界面上破坏钢筋的钝化膜使钢筋去钝化。对混凝土和钢筋造成腐蚀。

40. 2.5.1氯离子对混凝土的侵蚀机理 • 2.4.1.1普通水泥混凝土与氯化物的结合 • 溶解于混凝土孔隙液中的游离氯离子和已经与水泥水化产物结合的氯化物，一般是同时存在，并保持化学平衡，当条件改变时，游离氯离子浓度发生变化，已结合的氯化物含量也随着改变。所以了解混凝土孔隙液中游离氯离子的浓度或者两者的比值及其转化规律能够更好的研究氯离子对混凝土的腐蚀机理。

41. 根据研究［27］新拌混凝土拌合物中掺入氯化物后，若氯化物浓度较低则其与混凝土的结合率较高，若氯化物浓度较高则其反应产物结合到一定限值后即停止，见图2-1。图中曲线第一阶段表明结合的氯化物与氯化物总含量呈正比，该直线的斜率反映其结合率。第二阶段为平直线，表示到一定限值后，侵入的氯化物再增多，氯化物的结合量、结合率都不能再增大了。

42. 2.5.1.2氯离子造成的膨胀应力 • 环境介质中的氯离子传输到混凝土中，与C3A等物质发生化学反应，生成氯铝酸盐，其体积并不膨胀：吸附于C-S-H凝胶中的氯化物如前所述并不随后续氯离子的侵入而增加，其膨胀量也较小。因此混凝土孔隙液中的游离氯离子本身在适当条件下产生晶变膨胀，是导致混凝土内产生膨胀应力的主要原因 。

43. 2.5.2混凝土中氯离子对钢筋的腐蚀 • 如上节所述，环境中的氯离子不断通过表面侵蚀混凝土，在一定条件下与混凝土中的适宜成分发生反应，或在一定条件下发生晶变膨胀，产生较大的膨胀应力，使混凝土表面不断削落或造成裂纹，这会使氯离子对混凝土造成更进一步的侵蚀和损坏。同时混凝土中氯离子浓度达临界浓度后对钢筋将造成腐蚀，其产物也会发生膨胀，致使混凝土保护层逐步开裂、脱落并逐渐失去对钢筋的保护作用，锈蚀进一步加剧。由此形成恶性循环，直至结构破坏。人们普遍认为，钢筋锈蚀对结构造成的破坏甚至是影响结构安全的主要因素。

44. 2.5.2.1混凝土中钢筋的去钝化机理 • 混凝土水化后的各种成分决定了混凝土为埋在其中的钢筋提供了一个碱性环境，钢筋的钝化膜就是在这样的碱性环境中生成的，钝化膜的存在依赖于这个碱性环境。但是研究与实践表明当PH值小于11．5时钝化膜就开始不稳定，当PH值小于9．88时钝化膜生成困难或已经生成的钝化膜逐渐破坏。如果氯离子浓度达到了临界浓度并吸附于局部钝化膜处时，可使该处PH值迅速降低达到PH=4，这就使得钢筋表面的局部(点)碱性环境不存在，钝化膜被破坏，露出铁机体，则钢筋即将开始遭受腐蚀。

45. 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xFe3O4 – yFe2O3 – zH2O(此即被称为铁锈)，式中x、y的值与环境条件有关。锈蚀产物的体积比被腐蚀的原钢筋的体积膨胀很多，一般是原体积的2-4倍，产生的膨胀力高达30MPa如果有足够水分的话，锈蚀产物体积可达钢材体积的7倍。其规律是钢材氧化程度越高，体积膨胀率越大。见图

46. 2.5.2.2 混凝土中钢筋锈蚀的影响因素 • 混凝土中钢筋锈蚀的影响因素有内在因素和外在因素两个方面。内在因素主要为钢筋混凝土保护层厚度、水灰比和密实度、水泥品种、结构或构件的裂缝形式和发展。外部因素主要是气候、潮湿、高温、氯离子侵蚀和冻融破坏等环境条件。环境条件不同影响的程度也不同，但外部因素通过混凝土结构的内在因素起作用。

47. 混凝土保护层厚度的影响 • 钢筋腐蚀会促使混凝土保护层破坏，而混凝土保护层的破坏又反过来促使钢筋加速腐蚀破坏，如此相互促进，恶性循环，最终导致结构丧失承载能力。研究显示从钢筋开始腐蚀到开始使混凝土胀裂的时间t1是混凝土保护层厚度c与钢筋直径d的比值c/d的函数。该比值愈小，t1愈小。此即意味着混凝土被胀裂时间不仅与混凝土保护层有关，还与钢筋直径有关。较粗的钢筋提供较小的电阻，也就提供了较大的腐蚀电流，使得钢筋腐蚀得愈快，生成的腐蚀产物也较多，其体积增大造成的膨胀应力也较大。所以，当混凝土保护层厚度相同时，钢筋愈粗，钢筋直径d对保护层c的比值就愈大，从钢筋开始腐蚀到开始使混凝土胀裂的时间t1也愈短。因此，考虑钢筋的保护层厚度时，从防腐角度讲必须综合考虑钢筋的直径，以缩短混凝土中钢筋锈胀开裂的时间。

48. T1/h 混凝土开始胀裂时的时间t1与c/d值的关系 c/d

49. 2.6 钢筋锈蚀 • 2.5.1 混凝土中钢筋的锈蚀机理 • 钢筋的锈蚀过程是一个电化学反应过程。混凝土空隙中的水分通常以饱和的氢氧化钙的溶液形式存在，其中还含有一些氢氧化钠和氢氧化钾，PH值约为12. 5。在这样的强碱性环境中，钢筋表面逐渐形成极厚的不易锈蚀的钝化膜，阻止钢筋的进一步锈蚀。因此，施工质量良好、没有裂缝的钢筋混凝土结构，即使处于海洋环境中，钢筋基本上也能不发生锈蚀。但当钢筋表面钝化膜因Cl-、2S04-2, S-2等的作用被破坏，成为活化态时，钢筋就容易锈蚀。

50. 呈活化态的钢筋表面所进行的锈蚀反应的电化学机理是，当钢筋表面有水分存在时，就发生如下的化学反应：呈活化态的钢筋表面所进行的锈蚀反应的电化学机理是，当钢筋表面有水分存在时，就发生如下的化学反应： 阳极反应Fe → Fe2+ +2e- 阴极反应2H20 +O2+4e- → 40H- 锈蚀过程的全反应是阳极反应和阴极反应的组合，在钢筋的表面析出Fe(OH)2，其反应式为： 2Fe+2H20+O2→ 2Fe2+40H- → 2Fe(OH)2 该化合物被溶解氧化后生成Fe(OH)3，进一步生成nFe2O3xmH20(红锈)，一部分氧化不完全的变成Fe304(黑锈)，在钢筋的表面形成锈层。龚洛书，柳春圃(1990) [28]的研究发现：红锈体积可大到原来体积的四倍，黑锈体积可大到原来体积的二倍。铁锈体积膨胀，对周围混凝土产生压力，将使混凝土沿钢筋方向开裂，进而使保护层脱落，而裂缝及保护层的脱落又进一步导致更剧烈的锈蚀 。