为什么钢筋会腐蚀？

由于预埋钢的腐蚀，钢筋混凝土结构的过早劣化已成为世界范围内的一个严重问题。在美国，仅桥梁每年的腐蚀成本估计就超过 80 亿美元 [1] [2]。主要受影响的结构是那些位于侵蚀性环境中的结构，例如在冬季使用除冰盐的海洋和公路桥梁。

明显恶化的阶段

劣化的主要机制

参考资料： [3] [4] [5] [6] [7]

CO2 扩散（碳酸化）到混凝土中

碳化通过与 Ca（OH）2 反应形成 CaCO3 来降低混凝土的 pH 值。CO2 通过毛细孔扩散到混凝土中。因此，除了温度之外，它还强烈依赖于混凝土孔隙率和相对湿度。当 pH 值达到约 9 时;碳钢钢筋不再处于被动状态，可能会发生腐蚀。

在 50 年以下的使用寿命中，除非混凝土质量不足和/或工艺不佳（包括混凝土覆盖物不足），否则单独碳化很少成为令人担忧的问题。对于更持久的结构，必须考虑碳酸化。

氯化物扩散到混凝土中

混凝土劣化的主要原因。当氯化物扩散到混凝土中时，一些被困在 “结合 ”形式中，而其余的 “游离 ”氯化物，根据以下步骤（和图）–来自ref12，它们进一步扩散并在到达碳钢钢筋时引起腐蚀。

1. 腐蚀性离子（通常是氯化物）扩散到混凝土中
2. 一旦到达碳钢钢筋 （t0），腐蚀就开始了
3. 腐蚀产物比钢占据更大的体积，施加向外的压力
4. 发生混凝土开裂 （t1），开口容易接触到氯化物
5. 混凝土覆盖层裂缝（剥落）（t3），露出钢筋
6. 如果无人看管的腐蚀持续到钢筋无法承受施加的拉应力并且结构倒塌 （t5）

临界氯化物阈值水平 （CCTL） [8]：这是钢筋腐蚀开始的氯化物含量。关于如何测量它及其价值存在一些分歧，但在没有碳化的情况下，C 钢通常接受每水泥重量 0,4% 的值。

碳酸化和氯化物之间的相互作用

参考 [9]

碳化通过释放一些“结合”的氯化物来加剧氯化物腐蚀，使它们可用于腐蚀 C 型钢钢筋。

碳酸化还会降低 PH 值，从而降低 CCTL 值。

混凝土中的电偶耦合

参考 [10]

如果 SS 钢筋仅与氯化物接触，则部分用碳钢 （CS） 和部分用不锈钢 （SS） 加固的混凝土在氯化物环境中不会受到钢筋腐蚀。在实际情况下，例如维修，或者当 CS 钢筋太靠近表面时，CS 钢筋可能会发生一些腐蚀。将涉及三种 CS 腐蚀机制 （5）

1. 非电偶腐蚀，约占总腐蚀速率的 97%
2. 腐蚀 CS 与钝化 CS 的电耦合，这是一种违反直觉的腐蚀形式，约占腐蚀速率的 2%
3. 最后，腐蚀 CS 与钝化 SS 的电耦合，约占腐蚀速率的 1%。由于氧化铬钝化层的导电性差，SS 是比钝化 CS 更差的阴极

所有研究都支持这样一个结论，即 SS 和 CS 之间的电偶腐蚀可以忽略不计。

混凝土中的裂缝会促进腐蚀

参考 [11]

裂纹形成的原因有很多（见下表）。

虽然细微裂纹是可以接受的，因为它们几乎是不可避免的，并且不会降低结构的强度，但较大的裂纹为钢筋的腐蚀性离子提供了宽阔的开口，从而绕过了较长的起爆时间。

当然，密封裂缝是一种选择，但不适用于凹槽或隐藏区域.这已经是一项维修作，因为几年后可能会形成裂缝。密封胶可以延缓腐蚀的发生，但不会永远延迟。

类型

形式

对齐

中的水过多

腐蚀

进入

的裂纹

的形成

预测模型

预测模型旨在评估氯化物和/或 CO2 扩散到混凝土中的情况。基本上，他们预测氯化物在钢筋表面达到临界值（临界氯化物阈值水平，CCTL）所需的时间。普遍接受的 CCTL 值是混凝土中水泥含量的 0.4%。

只有当物理机制是建模的那些并且输入数据是正确的时，这样的模型才会提供有意义的结果。后者可能是一个挑战，因为 i） 不同类型混凝土之间的扩散系数变化很大（高达 25 倍） ii） 暴露程度 iii） 温度变化和 iv） 裂缝的作用。

此外，可能会出现不良工艺并诱发未知因素。

因此，为了简化选择，在建筑规范中实施了简单的规则。

对于碳钢，欧洲建筑规范 （Eurocodes ） 考虑了：

• 结构的设计工作年限（建筑物通常为 50 年，桥梁通常为 100 年）
• 它所在的环境

根据这两个参数，指定了钢筋的最小混凝土保护层。 [12] [13] [14]
在耐腐蚀不锈钢钢筋的情况下，不需要额外的混凝土覆盖物*，并且可以节省混凝土和重量。

* 此值由每个国家/地区决定