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摘 要：在评估混凝土结构耐久性时，其关键是确定钢筋开始锈蚀条件。 一般大气环境下混凝土中钢筋开始锈蚀的条件是混凝土碳化及钢筋脱钝。 碳化残量是描述钢筋开始锈蚀的重要参数，其大小取决于部分碳化区长度、碳化速度及脱钝速度。 以实际工程检测数据为主要依据，考虑不同环境条件，以碳化系数、保护层厚度和局部环境系数为主要参数，利用回归分析方法建立了碳化残量的计算公式，并由此计算钢筋开始锈蚀的时间。 通过实际工程数据验证，表明本文给出的钢筋开始锈蚀时间计算方法，在工程应用上是可行的，从而为合理评定混凝土结构耐久性提供依据。
关键词：混凝土耐久性；混凝土碳化；钢筋锈蚀；脱钝；碳化残量
混凝土中钢筋锈蚀是造成混凝土结构耐久性损伤最普遍的因素。 由于混凝土保护层的碳化或氯离子的渗透导致钢筋钝化膜破坏，钢筋表面在水和氧同时存在的条件下将发生电化学反应，造成钢筋锈蚀。 一般大气环境下由于混凝土保护层碳化造成的钢筋锈蚀广泛存在于各类混凝土结构中，特别是一些高湿、高温或干湿交替等不利环境下的混凝土结构，钢筋锈蚀更为严重。
钢筋锈蚀造成的危害已人所共知。 近十年来，我国在钢筋锈蚀的发生、发展、锈后构件性能退化等方面展开了一系列的理论与试验研究，同时也对已有混凝土建（构） 筑物进行了大量的工程调查与检测工作。 在此基础上，我国又相继开展了对结构耐久性评估和结构耐久性设计等技术标准的研究工作。 然而在耐久性评估方面，确定钢筋在不同条件下开始锈蚀的时间是首先必须解决的问题。
一般大气环境下钢筋锈蚀的前提条件是钢筋表面因混凝土保护层碳化而脱钝，因此混凝土中钢筋开始锈蚀时间常常被确定为碳化深度到达钢筋表面的时间，依据碳化方程xc = k · ，钢筋开始锈蚀时间则为
 式中：c 为混凝土保护层厚度； k 为混凝土碳化系数。
然而大量工程调查和试验结果表明，上述定义的钢筋开始锈蚀时间是不准确的，在有些环境下用酚酞试剂测定的碳化深度并未达到钢筋表面而钢筋已经锈蚀，也有工程调查资料显示，碳化到达甚至超过钢筋外表面而钢筋并未锈蚀，这一现象很难用传统的碳化- 钢筋锈蚀机理解释，因此建立合理的钢筋开始锈蚀条件是确定钢筋开始锈蚀时间的关键。
1 钢筋开始锈蚀条件的分析
一般大气环境下钢筋开始锈蚀时间即为混凝土中钢筋表面钝化膜破坏（脱钝） 的时间，研究表明，对钢筋的钝化膜存在两个p H 临界值，其一是p H = 9．18 ，低于此值，钢筋表面钝化膜不可能生成。 其二是p H = 11． 5 ，大于11．5 才可能生成完整的钝化膜。 p H 值在9．18 —11． 5 之间时，钢筋表面的钝化膜处于不稳定状态。 由于混凝土碳化过程中在完全碳化区前沿存在一个不完全碳化区（部分碳化区） ，p H 值由低到高在8．5 —12．5 之间变化，这就使处于部分碳化区内的钢筋钝化膜有了脱钝的前提条件，部分碳化区范围较大（长度较长） 时，钢筋可能较早脱钝，因此部分碳化区的长短是影响钢筋钝化膜破坏的重要因素之一。 决定钝化膜破坏时间的另一个重要因素是脱钝速度，由于各种因素的影响，脱钝速度的差异同样对钢筋开始锈蚀时间有十分重要的影响。
1。 1 部分碳化区长度
国内外学者通过不同途径研究部分碳化区长度，如通过x 射线衍射分析Ca （OH） 2 和CaCO3 在混凝土中的浓度分布曲线 （图1） 或碳化过程中混凝土的p H 分布曲线（图2） 的变化判定部分碳化区长度。
  同济大学蒋利学、张誉等[4 ] 通过碳化前后的物质平衡条件分析了部分碳化区长度，并给出：
xL = 1． 017 ×104 ×（0．7 - R H） 1。 82 （2）
由（2） 式可以看出，部分碳化区长度的主要影响因素是水灰比（W/ C） 、水泥含量（ C） 、环境相对温度R H（ R H > 0．7 时取为0．7） 。
部分碳化区是CO2 的扩散速度大于反应速度产生的碳化反应区段，当前虽然还没有进行更多的理论和试验研究工作，但从概念上分析，影响部分碳化区长度的因素除（2） 式所含因素外，还包括以下因素：
（1） 环境CO2 浓度。 当环境CO2 浓度愈高，渗透压力愈大，部分碳化区长度愈长；
（2） 影响碳化的诸多因素也都影响部分碳化区的长度，如浇注面和养护面碳化系数的系统差异、水泥品种、掺合料、环境温湿度等；
（3） 部分碳化区长度与碳化时间有关，随着碳化过程的发展，部分碳化区长度增加。 碳化区长度的变化与保护层厚度无关，但当保护层厚度增加时，钢筋脱钝所需的碳化时间将增长。 因此也可认为，部分碳化区长度随保护层厚度的增加而加大，但到某一界限后将不再继续增大。
由于混凝土碳化的影响因素对部分碳化区长度有影响，而这些因素具有随机性。 迄今为止，部分碳化区长度还缺乏一个较准确、实用的计算方法。
1。 2 脱钝速度
混凝土中钢筋在高碱度环境中形成致密稳定的厚约20 —60Å的氧化亚铁钝化膜，阻隔水和氧渗透到钢筋表面而使钢筋免于生锈。 当混凝土保护层碳化后，钢筋周围的p H 值降至11． 5 以下时，这种保护膜将变得不稳定而逐步活化，失去对钢筋的保护，即所说的脱钝现象。
迄今为止，人们对脱钝过程了解和研究的甚少，有研究认为脱钝是氧化亚铁逐渐氧化的过程，p H值越小脱钝速度越快，另外，脱钝速度与钢筋表面水膜中的溶氧程度有关，因而影响脱钝速度的因素与影响钢筋锈蚀速度的诸因素相近，如干湿交替环境将加速脱钝，干燥环境的脱钝速度将小于潮湿环境的脱钝速度。
1。 3 碳化残量
碳化残量最早由日本学者岸谷孝一提出，其定义为在钢筋开始锈蚀时碳化前沿到钢筋外表面的距离，此时碳化深度采用酚酞试剂测试。 实际上我们最为关注的是碳化残量的大小，碳化残量一旦确定，钢筋开始锈蚀的时间即可确定。 碳化残量有别于部分碳化区长度，后者仅与碳化过程有关，恒为正值。 而碳化残量不仅与混凝土碳化过程有关，还与钢筋的脱钝过程有关，其数值可为正值，也可能为零和负值。由于在脱钝过程中，混凝土碳化同时在进行，因此碳化残量取决于混凝土部分碳化区长度、钢筋脱钝速度及混凝土碳化速度。
2 碳化残量的确定与钢筋开始锈蚀时间的计算
2。 1 试验研究与工程调查结果
国内外对碳化残量进行过一些试验和工程调查，如文献[ 6 ]提出，对室外环境，当碳化深度达到钢筋表面时，钢筋明显锈蚀，对室内环境，当碳化深度超过钢筋表面20 —30 mm 时，钢筋锈蚀明显。 文献根据试验及实际工程检测，对水灰比W/ C = 0．7 的不含氯离子混凝土，发生均匀锈蚀时，碳化残量为10mm ，发生坑蚀时，碳化残量为8 mm ，文献通过试验研究提出碳化残量约为0．3c（ c 为保护层厚度） 。
我们在文献中，通过快速碳化及不同环境下长期暴露试验研究了碳化残量，结果见表1。分析文献的试验结果，在同一环境条件下，钢筋锈蚀深度极小（0 —0．001 5 mm） 时得到的碳化残量见表2。
   西安建筑科技大学通过工程检测得到的碳化残量数据如表3 所示。
从上述试验和工程调查结果可以看出：
（1） 同种环境条件下，碳化残量随保护层厚度增大而增加。
（2） 碳化残量随相对湿度变大而增加。 相对湿度增加时，部分碳化区长度相对减小，碳化速度减小，而钢筋脱钝速度加快，在钢筋脱钝过程中最终导致碳化残量x0 变大，这符合潮湿环境中钢筋容易锈蚀的实际情况。
（3） 碳化残量随水灰比（W/ C） 增大而减少。 水灰比增加时，混凝土强度降低，部分碳化区长度减小，钢筋脱钝速度加快，而碳化系数增长更快。 在钢筋脱钝过程中，碳化深度显著增加，导致碳化残量变小。
（4） 室外淋雨环境脱钝速度快，碳化残量大，一般室内环境脱钝速度慢，碳化残量小，钢筋不易发生锈蚀。
（5） 碳化系数与碳化残量有明显的相关关系，碳化系数增大，碳化残量减小。
（6） 由于在快速碳化锈蚀试验中，CO2 浓度过大，渗透压增加，钢筋过早脱钝，使碳化残量在某些情况下偏大，而不能真实反映自然环境下的碳化残量。
2。 2 碳化残量的计算公式
如前所述，影响碳化残量的有部分碳化区长度、脱钝速度和碳化速度三个要素，当前除对碳化速度及其影响因素有较深入的认识外，对部分碳化区长度和钢筋脱钝速度还缺乏了解，更无法进行定量描述，因此对于碳化残量的计算可借助试验和工程检测数据进行回归分析，并利用实际工程资料进行必要的修正。
根据文献 ，水灰比（W/ C） 和水泥用量（ C） 对碳化系数（ k） 和部分碳化区长度的影响趋势完全相同，其它因素对二者的影响也有很好的相关性，影响碳化速度的诸因素都对碳化残量有影响。 并且除湿度外，碳化系数和脱钝速度也有正相关性。 因此，以碳化系数和保护层厚度作为基本参数，建立碳化残量公式应该是合理的。
对表3 中三钢栈桥柱实测数据进行回归分析，并通过西北、华东、西南、中南、华北、东北18 个城市和地区120 余个构件的工程检测资料的验证，本文提出以下经验公式：
 式中： k 为碳化系数，可采用实测值，在没有实测值时可用（4） 式计算； kCO2 为CO2 浓度系数； kkl 为碳化部位系数，角区取1。 4 ，其他情况取1。 0 ； kkt 为养护浇注面影响系数，取1。 2 ； kks为应力状态影响系数，拉应力区取1。 1 ，受压区取1 ； R H 为环境湿度； T 为温度； kce为局部环境影响系数，室外淋雨环境取3。5 —4 （潮湿地区取4 ，干燥地区取3。 5） ，一般室内环境取1 —1。 5 （干燥地区取1 ，潮湿地区取1。 5） ； f cu为混凝土立方体抗压强度（MPa） 。
值得说明的是，混凝土碳化和钢筋锈蚀取决于混凝土的渗透性，与混凝土强度无直接关系，但为简化计算，可把混凝土强度作为衡量混凝土渗透性参数。 虽然强度在一定程度上能反映混凝土渗透性的大小，但混凝土渗透性的变异很大，远远超过混凝土强度的变异，因此当有实测碳化系数时，建议用实测值通过（4） 式推算f cu ，以期能更好地反映实际情况。
2。 3 钢筋开始锈蚀时间计算
将碳化残量代入式（1） ，则钢筋开始锈蚀的时间可表示为：
 式中，碳化残量按式（3） 计算， k 均按实测值取用，推算混凝土强度时，取1。 3。 其他系数按实测碳化部位取用。 为了对比起见，将用式（5） 计算各个检测点的理论值也列入表3。
由计算结果可看出，碳化残量的计算与实测差值（ x0 - x0 j ） 在- 5。 59 —6。 4 范围内变化， 均值为- 0148 ，开始锈蚀时间的计算与实测比值（ tj / ti ） 在0。 53 —1。 65 范围内变化，比值的均值1。 003 5 ，标准差0．260 9。 混凝土材料性质（包括孔隙率、密实度等） 的不均匀性是引起计算与实测数据差值离散性较大的主要因素。 另外，计算模式的偏差和检测数据误差也是造成离散性大的因素。 然而从统计角度，开始锈蚀时间的验算平均比值为1 ，表明式（3） 至式（5） 的计算公式在宏观上控制钢筋开始锈蚀时间是合理可行的。
3 小 结
合理计算碳化残量是准确判断钢筋开始锈蚀时间的关键，碳化残量由混凝土部分碳化区长度、钢筋脱钝速度以及混凝土碳化速度控制。 当前除了对碳化速度已有比较深入的研究外，对部分碳化区长度、钢筋脱钝速度了解甚少，应用系统的试验和理论研究成果建立碳化残量计算公式还没有充分的条件。 但一些试验和工程检测结果已经揭示了碳化残量的基本变化规律。 本文以检测数据为主要依据，用碳化系数、保护层厚度和局部环境系数为主要参数建立的碳化残量计算公式，与实际检测结果基本吻合，能够合理地计算钢筋开始锈蚀时间，继而更合理地评定混凝土结构的耐久性。 |
| 原作者： 董振平 牛荻涛 刘西芳 王庆霖 |
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