北京地区钢筋混凝土旧桥中钢筋锈蚀原因分析

北京地区钢筋混凝土旧桥中钢筋锈蚀原因分析

张晓杰

北京市道路工程质量监督站100000

摘要：钢筋混凝土桥梁在投入使用一定的时间后,结构会产生各种裂缝,混凝土中的钢筋在各种原因作用下,会产生锈蚀现象,钢筋锈蚀现象的加重会严重影响整座桥的承载力和耐久性。钢筋锈蚀的机理是钢筋在水、氧具备的条件下产生电化学反应，从而在钢筋表面生成铁锈。导致钢筋锈蚀的原因很多，通过最近两年大量的旧桥检测数据和图片进行分析发现,北京地区导致钢筋锈蚀的主要原因是混凝土保护层厚度过小或保护层遭到破坏。导致钢筋锈蚀的其它影响因素还有结构裂缝、混凝土不密实、水的影响以及氯离子及其它有害盐类影响等。根据锈蚀产生原因采取有效措施，方能防止或减缓锈蚀的产生，从而保证桥梁的承载力和耐久性。

关键字：旧桥锈蚀保护层裂缝

北京地区近几年来公路交通发展迅猛，交通量以令人难以置信的速度增长，远远超过了大多数公路桥梁的设计交通量。在公路桥梁发展迅速的今天，那些早年建成的老旧桥梁的质量现状直接影响着北京地区的交通安全和人民生命财产安全。我单位最近两年对几十座公路钢筋混凝土旧桥进行检测，大量的桥梁检测资料显示，这些老旧桥梁中损坏严重，承载力下降工作性能降低需要重建或大修的桥梁占了相当大的比例。而钢筋锈蚀是导致钢筋混凝土桥梁承载力、耐久性下降的一个重要原因。

在钢筋混凝土结构中，钢筋处于水泥水化时生成的强碱介质里。钢筋在这种介质中，表面会形成钝化膜，可以抑制钢筋的腐蚀过程。因此，在一般情况下，钢筋受到周围混凝土的保护，并不产生锈蚀。但如果混凝土密实性不足，或保护层太薄以至遭到破坏，或混凝土施工时掺入过量的外加剂（如食盐，氯化钙等），再加上一定外界条件的作用，钢筋周围钝化膜将遭到破坏而发生锈蚀。

一、钢筋锈蚀的机理及对结构产生的影响

（一）钢筋锈蚀的机理

钢筋在水、氧具备的条件下，会产生电化学反应。

阳极,铁释放电子e：Fe→Fe+++2e;

阴极，水中的溶解氧吸收来自阳极的电子而生成氢氧根离子OH_：O2+2H2O+4e→4OH—；

电子由阳极不断流向阴极，产生腐蚀电流，在钢筋表面生成氢氧化亚铁薄膜，并与水、氧结合，生成氢氧化铁，即铁锈：

2Fe+2H2O+O2→2Fe(OH)2

2Fe(OH)2+H2O+(1/2)O2→2Fe(OH)3

（二）钢筋锈蚀对结构产生的影响

钢筋锈蚀对混凝土桥梁结构强度的影响很大，主要表现在：

1、钢筋锈蚀引起体积膨胀（为原来的2.5倍），从而使混凝土产生剥离、开裂，破坏了混凝土的受力性能，降低了材料的耐久性，影响桥梁的使用寿命。

2、削弱钢筋特别是高强钢丝的受力断面，从而降低了钢筋或钢丝的抗拉强度。

3、铁锈层及其引起的混凝土裂缝，削弱了钢筋和混凝土的共同作用。

二、结合实际、分析导致北京地区旧桥钢筋锈蚀的原因

下面以马各庄桥为例讨论导致钢筋锈蚀的原因。

（一）桥梁概况

马各庄4号桥位于北京市房山区京周路K38+300处，原桥为9.68m+10m*15简支结构，桥面宽为7m+2*0.75m，上部结构为4片T梁，下部为桩柱式墩台，建于二十世纪五十年代。由于交通发展的需要，该桥于二十世纪七十年代进行拓宽改造，上部改造方式为：在河道下游原边梁和其他3片梁之间加5片预应力空心板，原边梁拆除重新安装，改造后的桥面宽为净12m+2*0.75m，下部与原桥形式相同，同样向下游方向拓宽。

(二)桥梁外观缺损状况

原桥桥龄已50多年，展宽部分桥龄也已30多年。由于桥龄较长，加之近年来交通量的增加，致使桥梁出现各种病害及破损现象，在此仅讨论与钢筋锈蚀有关的问题。为便于检测,对上部结构各构件编号如下。

从总体来看，各跨1号、9号T梁翼板水蚀较其他部位严重，排水管伸出梁体外较短，排出的水流经梁腹板再被排至桥下，造成梁腹板水蚀。由于桥面破损，各梁翼板接缝处、各板接缝处、梁和板接缝处被来自桥面的水所腐蚀，使得T梁翼板大面积被白色的钟乳状水蚀物质覆盖，局部混凝土被腐蚀剥落，钢筋外露并发生明显的锈蚀。

T梁的腐蚀以第二跨、第三跨翼板部较为严重，其他各跨均有同样现象但程度略有不同。T3-1（即第三跨第一片梁）、T3-2混凝土剥落，钢筋外露，明显锈蚀，未剥落部分混凝土松散，局部因锈蚀引起胀裂。T2-1、T2-2、T2-3、T3-3、T4-2梁从东侧支点处翼板出现45°斜向裂缝，长为翼板全宽。以T4-2裂缝为最宽，达0.2mm～0.5mm。T1-3、T1-2梁东侧、T3-1梁西侧横隔板被压碎，钢筋外露并锈蚀。在翼板根部的一个普遍的现象是存在沿纵向的裂缝，以T3-3为最，缝长纵贯全跨，最宽处达0.5mm。在梁支点处存在多道45°裂缝，裂缝间距为15～40cm之间，裂缝长度由T梁底通至翼板根部，宽0.2mm～0.3mm。以上裂缝的宽度已达到规范规定的梁体端部的最大裂缝宽度限值0.30mm。在T梁跨中也存在多道受力裂缝，裂缝间距为10～20cm之间，裂缝长度由T梁底通至翼板上40cm处，在梁底贯通全宽，裂缝宽0.2mm～0.3mm，以上缝宽介于0.2mm～0.3mm之间，亦大于规范规定的梁体主筋附近最大裂缝宽度限值0.25mm。

下游板结构的普遍病害为各板接缝间的水蚀，在B5-6（即第五跨第6板）底部有4m*20cm严重的水蚀痕迹，局部混凝土剥落，有明显的钢筋锈蚀引起的胀缝，而对于预应力板来说，钢筋的锈蚀所带来的危害将是不可估量的。

下部结构的检查主要集中在桩柱式支撑及盖梁上，普遍存在的问题是支撑与盖梁结点处盖梁产生典型的45°斜向裂缝及水平横桥向裂缝，缝宽一般在0.2mm～0.3mm之间，少数裂缝宽达到1mm～3mm，局部裂缝严重，混凝土碎裂，盖梁钢筋外露并且锈蚀。少数盖梁底部存在明显的因钢筋锈蚀而引起的胀缝，宽度达到5mm，而钢筋的锈蚀与支点处的桥面渗水有着直接的因果关系。

（三）桥梁结构材料状况检测

1．混凝土强度

（1）混凝土碳化深度

钢筋混凝土结构物中，钢筋处于混凝土的碱性保护中，混凝土碳化深度一旦达到钢筋，钢筋就会失去保护，当条件成熟钢筋便发生锈蚀。另外，碳化的混凝土硬度增加，但强度却降低，致使结构的实际有效截面折损。本次对T梁、预应力空心板混凝土碳化深度的检测采用现场钻孔然后喷酚酞试剂方法测试，共9个测点，实测桥跨结构混凝土的碳化深度值见表2所示。

检测结果：混凝土碳化深度平均值为17.0mm，其中空心板混凝土碳化深度平均值为13.8mm，空心板箍筋保护层设计厚度36.0mm，T梁的混凝土碳化深度为19.6mm。混凝土碳化深度小于钢筋保护层的设计厚度。说明结构中钢筋由于混凝土碳化引起锈蚀的可能性很小。

（2）回弹法检测混凝土强度

当混凝土密实性不足，即混凝土的孔隙率高，组织不均匀时，空气中的二氧化碳容易渗入混凝土内部而引起碳化，使混凝土碱性降低，减弱对钢筋的保护作用，从而导致钢筋的锈蚀。混凝土强度的检测可直接反映结构混凝土的质量。本次检测主要采用回弹法来推定结构混凝土的强度。该桥混凝土强度推定值见表3所示。

检测结果：该桥T梁结构混凝土的推定强度最小值为33.6MPa，空心板混凝土的推定强度为36.1MPa，预应力空心板混凝土的设计强度为C40。

2．钢筋混凝土保护层厚度检测

混凝土保护层为钢筋提供了良好的保护，其厚度和分布的均匀性是影响钢筋耐久性的重要因素。当保护层太薄时，混凝土的碳化深度很容易达到钢筋的范围。使钢筋周围失去碱性，钝化膜局部破坏。当其处于一定的潮湿状态时，钢筋就易于受到锈蚀。该桥空心板箍筋混凝土保护层设计厚度为36.0mm，现场检测空心板箍筋混凝土保护层厚度见表4所示。

检测结果：该桥T梁箍筋混凝土保护层最小厚度为10.0mm，T梁箍筋混凝土保护层厚度平均值为27.7mm，空心板箍筋混凝土保护层最小厚度为7.0mm，空心板箍筋混凝土保护层厚度平均值为33.7mm，小于空心板箍筋混凝土保护层的设计厚度。

3．钢筋锈蚀检测

（1）混凝土氯离子含量的测定

有害物质侵入混凝土，将会影响结构的耐久性，混凝土中氯离子浓度达到临界值时，可引起混凝土中的钢筋失去钝化膜并加速钢筋的锈蚀，本次检测现场取样粉并进行化学分析试验，氯离子沿混凝土深度分布曲线见图21所示，其含量影响钢筋锈蚀的程度见表4所示。

因氯离子含量引起钢筋锈蚀的危险性的判断依据为交通部公路科学研究所的评定标准，参见交通部公路科学研究所出版的《结构混凝土现场检测技术》。

检测结果：T梁混凝土中氯离子含量大于0.4%的百分率为0，又由图21可以看出在钢筋位置处混凝土中氯离子含量最大为0.032%，所以结构中钢筋受氯离子的侵蚀很弱。

（2）混凝土电阻率检测

混凝土的电阻率大，若钢筋发生锈蚀，则发展速度慢，扩散能力弱；混凝土的电阻率小，锈蚀发展速度快，扩散能力强。所以通过对结构混凝土电阻率的测试来评价结构中钢筋锈蚀的快慢程度。实测混凝土电阻率的测点数及所占的百分率见表5所示。

检测结果：结构混凝土电阻率最小值为0kΩcm，混凝土电阻率平均值为87.3kΩcm，结构局部混凝土腐蚀微弱。

（3）结构混凝土中钢筋锈蚀检测

通过检测钢筋锈蚀的自然电位，来评定钢筋锈蚀的状态和活动性。对于旧桥来说，混凝土内部钢筋的锈蚀受到很多因素的影响，为了检测该桥结构混凝土内部钢筋的锈蚀状况,对钢筋锈蚀非胀裂区采用自然电位法检测钢筋锈蚀的可能性。钢筋锈蚀的判断是根据交通部公路科学研究所的《结构混凝土现场检测技术》评定标准。

实测部分T梁、空心板板混凝土结构中钢筋锈蚀电位图略，钢筋自然电位测点数及钢筋可能锈蚀所占百分率见表6所示。

检测结果：钢筋锈蚀最小电位差值为-349mV，钢筋锈蚀平均电位差值为-150mV，钢筋可能出现坑蚀以上的比率占17.5％，说明全桥除明显可见的钢筋锈蚀之外，非胀裂区钢筋可能已出现轻度锈蚀。

三、结束语

根据检测结果进行分析发现：

1、该桥混凝土保护层厚度小于设计值且多处受到损坏。

2、回弹法推定的混凝土强度小于设计强度，说明混凝土质量差，内部不密实。

3、桥梁各部裂缝严重。钢筋混凝土桥梁构件产生裂缝将加速钢筋锈蚀的进程。处于水、氧、二氧化碳或氯离子等环境介质的混凝土，一旦出现裂缝且宽度超过一定的界限时，这些介质就会通过裂缝顺畅的达到裂缝处的钢筋表面。

4、钢筋锈蚀最小电位差值为-349mV，钢筋锈蚀平均电位差值为-150mV，钢筋可能出现坑蚀以上的比率占17.5％，说明全桥除明显可见的钢筋锈蚀之外，非胀裂区钢筋可能已出现轻度锈蚀。

5、边T梁钢筋锈蚀程度明显高于内梁，主要是由于桥面排水设施不合理所致。水蚀严重，大大降低了混凝土的耐久性，局部混凝土剥落，钢筋外露并发生明显的锈蚀。

6、由于该桥处于远郊区，冬季下雪时很少撒融雪剂，故而氯离子含量少，影响较小。

以马各庄桥为代表的北京地区钢筋混凝土旧桥普遍存在着混凝土保护层厚度偏小或遭到破坏而未及时维护以及由于交通量增长过快，产生受力裂缝严重的现象，这是钢筋锈蚀的主要原因。而混凝土不密实和所处环境潮湿则加剧了钢筋的锈蚀进程。经过对几十座公路桥的检测数据中氯离子含量一项进行统计发现，氯离子含量超过0.4%的基本没有，可见其对钢筋锈蚀的影响不大。值得注意的是，城市道路由于冬天经常撒融雪剂，氯离子含量对其桥梁钢筋锈蚀的影响应比公路桥梁大。

桥梁结构的钢筋锈蚀现象，严重影响了桥梁的安全性，必须引起足够重视，采取针对性措施，防止或缓解事态的发展。