水利水电工程中，钢筋混凝土是建筑物结构构件的重要组成部分。在不利外部环境作用下如出现比较严重的钢筋锈蚀现象，会使水工钢筋混凝土结构遭受破坏，使用年限缩短，安全性、可靠性降低，轻度危及建筑物安全的，必须进行除险加固建设，严重破坏无法使用的，甚至要报废工程。水工钢筋混凝土结构钢筋锈蚀破坏除要投入巨额资金维修外，还严重威胁人民生命财产安全，无论是水利水电工程设计、施工、建设和运行管理，都应深刻认识其形成机理、原因并掌握其基本防治措施［1］。
1· 钢筋锈蚀破坏机理及主要影响因素
1. 1 钢筋锈蚀机理
水工钢筋混凝土结构中存在Ca( OH)2及其它碱性物，pH 值约为12. 5，钢筋在混凝土的强碱性环境中，表面形成的钝化膜可阻止钢筋腐蚀，因而质量良好、没有裂缝的钢筋混凝土，钢筋基本上不发生腐蚀［2］。当钢筋表面的钝化膜受到破坏，组成钢筋的Fe 元素就容易腐蚀，钢筋表面有溶解氧的水分存在时，产生电化学反应过程，发生Fe( 钢筋) 电离的阳极反应和溶解氧还原的阴极反应:
阳极: 2Fe—4e － = 2Fe2 + 阴极: O2 + 2H2O + 4e －= 4OH －
若溶氧量有限，较容易产生含亚铁离子的产物，在钢筋表面析出化学反应物Fe( OH)2，若溶解氧充足，Fe( OH)2可被继续氧化: Fe + 3O2 + 6H2O = 4Fe( OH)3，Fe( OH)3可在空气中脱水形成疏松的Fe2O3·xH2O。钢筋锈蚀即为钢筋中的Fe 元素发生电化学反应，在钢筋表面形成由Fe 的多种氧化物及水合物组成的铁锈混合物的过程［3］。
1. 2 钢筋锈蚀对钢筋混凝土结构的破坏
钢筋混凝土结构中的钢筋发生锈蚀以后，铁锈的体积是钢筋体积的2 ～ 4 倍，在钢筋与四周混凝土交界面上产生钢筋锈胀力，混凝土保护层因受拉而出现开裂，进一步加剧锈蚀，钢筋的有效面积减小、强度降低导致结构承载力下降。
当预应力钢筋局部受损发生坑锈蚀时，由于结构截面小而钢筋工作应力高，极有可能发生突然断裂，对结构安全造成极大威胁。另一方面，锈蚀钢筋的抗滑移能力降低，有可能导致结构出现滑移破坏［4］。
水利部2014 年1 月发布《水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范》( SL654—2014) ，提出了水利水电工程及其水工建筑物的合理使用年限( 见表1、表2) ，是在正常设计、正常施工、正常运行使用和规定的维修下应达到的最低使用年限，而当混凝土结构出现严重钢筋锈蚀破坏后，工程或建筑物难以满足规范规定、不能达到合理使用年限，降低了预期投资效果。
2· 钢筋腐蚀的主要原因及防控措施
2. 1 促使钢筋发生腐蚀破坏的常见原因
1) 在工程设计阶段，对外部环境不利因素考虑不足或对应环境类别( 见表3) 的水工混凝土结构设计安全等级不足，在超负荷荷载作用下，混凝土结构构件产生裂缝或钢筋混凝土结构不能有效应对不利环境的侵蚀，混凝土耐久性降低而逐渐造成钢筋锈蚀。
2) 混凝土配合比设计时，处于碳化、氯化物、化学腐蚀及碱活性骨料等不利环境时，在满足强度、抗冻、抗渗等主要指标的前提下，对外界不利环境的研究或经验不足，造成水灰比、水泥品种及用量、外加剂等不能完全满足混凝土耐久性设计要求，不利条件下降低了混凝土对钢筋的保护作用，引起钢筋锈蚀。
3) 水工混凝土结构施工时未按设计或规范进行作业，产生使钢筋锈蚀破坏的不利条件，使钢筋暴露在空气和外界不利条件下发生锈蚀，形成的主要原因有: ①工程重要部位( 如闸井、挡水拱坝、泄洪洞、渡槽) 钢筋混凝土浇筑过程中，施工缝面处理不当，浇筑层面未按规范做凿毛、冲洗、界面浆处理; 或连续浇筑的混凝土，不能保持混凝土浇筑的连续性，新旧混凝土结合不紧密形成施工缝，留下钢筋锈蚀破坏隐患; ②工程地质勘察的内容和深度不满足建筑物耐久性所需的地质基本资料要求或由于基础施工处理不符合要求，产生基础不均匀沉降，水工混凝土结构受力不匀引起裂缝，逐渐形成钢筋锈蚀破坏; ③由于混凝土施工后水泥水化热过大，混凝土表层未作妥善温度养护处理，因温度应力造成混凝土结构出现裂缝，形成钢筋锈蚀条件; ④混凝土结构在施工过程中，保护层厚度不够、施工中钢筋偏位，混凝土浇筑振捣不足或过振、混凝土产生蜂窝、狗洞等质量问题，使混凝土对钢筋的保护作用减弱或丧失，耐久性降低而留下钢筋锈蚀破坏隐患; ⑤混凝土施工中由于措施不当产生裂缝，如: 混凝土施工分缝留缝位置不当或拆模板过早或养护不力造成表面干缩裂缝等。
4) 外部不良环境改变对混凝土结构的破坏作用。外部条件变化后，环境水水质出现改变、周围介质的有害成分增多，如氯离子( Cl － ) 、硫酸根( SO42 － ) 及硫离子( S2 － ) 、磷( P2 － ) 等有害元素含量超过混凝土构件的设计使用条件范围，使混凝土对钢筋的保护作用降低逐渐引起钢筋锈蚀破坏。
2. 2 钢筋锈蚀的防治措施
对水工钢筋混凝土结构的钢筋锈蚀问题必须给予高度重视，并积极采取措施加以防治:
1) 在水工混凝土结构设计阶段，应根据《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》规定的水工建筑物的级别，采用适宜的水工建筑物的结构安全级别。
2) 水工混凝土结构的耐久性、设计使用年限应和结构所处的环境挂钩。
a. 合理提出混凝土设计指标。根据《水工混凝土结构设计规范》( SL191—2008) 要求，按照水工混凝土结构所处的环境条件( 参见表3) 提出相应的耐久性要求，分别做好混凝土强度、抗冻、抗渗、抗侵蚀、抗冲刷等耐久性指标的确定，可根据结构保护措施的实际情况及预期的施工质量控制水平，将环境类别适当提高，以保证结构耐久性和使用年限; 选取不小于规范的混凝土保护层厚度，合理使用年限150 a的，专门研究确定保护层厚度。
b. 在不同环境，混凝土给予适当的配合比工艺。对混凝土中氯化物的含量应严格限制，预应力混凝土中不得掺用氯盐; 降低混凝土的水灰比，降低混凝土的透水系数有助于提高钢筋的抗蚀性; 对于接触侵蚀性介质的结构，应采用抗侵蚀性水泥; 对于不得不使用碱活性骨料的混凝土结构，采用低碱水泥、加入足量的粉煤灰、矿渣等掺合料等抑制碱骨料反应措施; 水流冲刷剧烈部位的水工混凝土结构，在混凝土中掺入硅粉提高抗冲耐磨性能，增加混凝土的耐久性。
3) 混凝土对钢筋有很好的保护作用，施工中提高混凝土的浇筑质量是最简单有效的方法。在混凝土浇筑前做好钢筋绑扎、模板支立等准备工作，按设计预留好混凝土保护层厚度; 混凝土浇筑中，避免发生混凝土裂缝、混凝土密实度不好等混凝土质量缺陷，提高混凝土密实性，降低渗透性、抑制氧和水分的进入，防止钢筋锈蚀; 根据外界温度，采取适当的保温或降温、保水养护控制措施，避免出现温度裂缝。
4) 加强工程检查和维修养护。对于已发现混凝土结构构件出现的钢筋锈蚀破坏问题，应积极查找原因并加以防治，避免扩大; 对于因周围环境变化可能对水工钢筋混凝土结构形成的有害因素，要及早发现及时采取对策，及早消除影响，有条件的地区，建议逐步建立起水利水电工程钢筋混凝土不良影响预警预报系统。
3· 结语
钢筋锈蚀现象在水利水电工程实践中很常见，水工钢筋混凝土结构往往因钢筋锈蚀破坏开始而引起工程和建筑物的安全问题，随之带来工程维修养护或除险加固的资金大量投入，对人民生命财产安全构成威胁、给生产管理带来不利影响。本文结合工程建设实践，系统深入分析水工钢筋混凝土结构钢筋锈蚀破坏的机理、原因，意在引起重视，并总结提出防控措施，为类似问题提供参考。
1· 钢筋锈蚀破坏机理及主要影响因素
1. 1 钢筋锈蚀机理
水工钢筋混凝土结构中存在Ca( OH)2及其它碱性物，pH 值约为12. 5，钢筋在混凝土的强碱性环境中，表面形成的钝化膜可阻止钢筋腐蚀，因而质量良好、没有裂缝的钢筋混凝土，钢筋基本上不发生腐蚀［2］。当钢筋表面的钝化膜受到破坏，组成钢筋的Fe 元素就容易腐蚀，钢筋表面有溶解氧的水分存在时，产生电化学反应过程，发生Fe( 钢筋) 电离的阳极反应和溶解氧还原的阴极反应:
阳极: 2Fe—4e － = 2Fe2 + 阴极: O2 + 2H2O + 4e －= 4OH －
若溶氧量有限，较容易产生含亚铁离子的产物，在钢筋表面析出化学反应物Fe( OH)2，若溶解氧充足，Fe( OH)2可被继续氧化: Fe + 3O2 + 6H2O = 4Fe( OH)3，Fe( OH)3可在空气中脱水形成疏松的Fe2O3·xH2O。钢筋锈蚀即为钢筋中的Fe 元素发生电化学反应，在钢筋表面形成由Fe 的多种氧化物及水合物组成的铁锈混合物的过程［3］。
1. 2 钢筋锈蚀对钢筋混凝土结构的破坏
钢筋混凝土结构中的钢筋发生锈蚀以后，铁锈的体积是钢筋体积的2 ～ 4 倍，在钢筋与四周混凝土交界面上产生钢筋锈胀力，混凝土保护层因受拉而出现开裂，进一步加剧锈蚀，钢筋的有效面积减小、强度降低导致结构承载力下降。
当预应力钢筋局部受损发生坑锈蚀时，由于结构截面小而钢筋工作应力高，极有可能发生突然断裂，对结构安全造成极大威胁。另一方面，锈蚀钢筋的抗滑移能力降低，有可能导致结构出现滑移破坏［4］。
水利部2014 年1 月发布《水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范》( SL654—2014) ，提出了水利水电工程及其水工建筑物的合理使用年限( 见表1、表2) ，是在正常设计、正常施工、正常运行使用和规定的维修下应达到的最低使用年限，而当混凝土结构出现严重钢筋锈蚀破坏后，工程或建筑物难以满足规范规定、不能达到合理使用年限，降低了预期投资效果。
2· 钢筋腐蚀的主要原因及防控措施
2. 1 促使钢筋发生腐蚀破坏的常见原因
1) 在工程设计阶段，对外部环境不利因素考虑不足或对应环境类别( 见表3) 的水工混凝土结构设计安全等级不足，在超负荷荷载作用下，混凝土结构构件产生裂缝或钢筋混凝土结构不能有效应对不利环境的侵蚀，混凝土耐久性降低而逐渐造成钢筋锈蚀。
2) 混凝土配合比设计时，处于碳化、氯化物、化学腐蚀及碱活性骨料等不利环境时，在满足强度、抗冻、抗渗等主要指标的前提下，对外界不利环境的研究或经验不足，造成水灰比、水泥品种及用量、外加剂等不能完全满足混凝土耐久性设计要求，不利条件下降低了混凝土对钢筋的保护作用，引起钢筋锈蚀。
3) 水工混凝土结构施工时未按设计或规范进行作业，产生使钢筋锈蚀破坏的不利条件，使钢筋暴露在空气和外界不利条件下发生锈蚀，形成的主要原因有: ①工程重要部位( 如闸井、挡水拱坝、泄洪洞、渡槽) 钢筋混凝土浇筑过程中，施工缝面处理不当，浇筑层面未按规范做凿毛、冲洗、界面浆处理; 或连续浇筑的混凝土，不能保持混凝土浇筑的连续性，新旧混凝土结合不紧密形成施工缝，留下钢筋锈蚀破坏隐患; ②工程地质勘察的内容和深度不满足建筑物耐久性所需的地质基本资料要求或由于基础施工处理不符合要求，产生基础不均匀沉降，水工混凝土结构受力不匀引起裂缝，逐渐形成钢筋锈蚀破坏; ③由于混凝土施工后水泥水化热过大，混凝土表层未作妥善温度养护处理，因温度应力造成混凝土结构出现裂缝，形成钢筋锈蚀条件; ④混凝土结构在施工过程中，保护层厚度不够、施工中钢筋偏位，混凝土浇筑振捣不足或过振、混凝土产生蜂窝、狗洞等质量问题，使混凝土对钢筋的保护作用减弱或丧失，耐久性降低而留下钢筋锈蚀破坏隐患; ⑤混凝土施工中由于措施不当产生裂缝，如: 混凝土施工分缝留缝位置不当或拆模板过早或养护不力造成表面干缩裂缝等。
4) 外部不良环境改变对混凝土结构的破坏作用。外部条件变化后，环境水水质出现改变、周围介质的有害成分增多，如氯离子( Cl － ) 、硫酸根( SO42 － ) 及硫离子( S2 － ) 、磷( P2 － ) 等有害元素含量超过混凝土构件的设计使用条件范围，使混凝土对钢筋的保护作用降低逐渐引起钢筋锈蚀破坏。
2. 2 钢筋锈蚀的防治措施
对水工钢筋混凝土结构的钢筋锈蚀问题必须给予高度重视，并积极采取措施加以防治:
1) 在水工混凝土结构设计阶段，应根据《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》规定的水工建筑物的级别，采用适宜的水工建筑物的结构安全级别。
2) 水工混凝土结构的耐久性、设计使用年限应和结构所处的环境挂钩。
a. 合理提出混凝土设计指标。根据《水工混凝土结构设计规范》( SL191—2008) 要求，按照水工混凝土结构所处的环境条件( 参见表3) 提出相应的耐久性要求，分别做好混凝土强度、抗冻、抗渗、抗侵蚀、抗冲刷等耐久性指标的确定，可根据结构保护措施的实际情况及预期的施工质量控制水平，将环境类别适当提高，以保证结构耐久性和使用年限; 选取不小于规范的混凝土保护层厚度，合理使用年限150 a的，专门研究确定保护层厚度。
b. 在不同环境，混凝土给予适当的配合比工艺。对混凝土中氯化物的含量应严格限制，预应力混凝土中不得掺用氯盐; 降低混凝土的水灰比，降低混凝土的透水系数有助于提高钢筋的抗蚀性; 对于接触侵蚀性介质的结构，应采用抗侵蚀性水泥; 对于不得不使用碱活性骨料的混凝土结构，采用低碱水泥、加入足量的粉煤灰、矿渣等掺合料等抑制碱骨料反应措施; 水流冲刷剧烈部位的水工混凝土结构，在混凝土中掺入硅粉提高抗冲耐磨性能，增加混凝土的耐久性。
3) 混凝土对钢筋有很好的保护作用，施工中提高混凝土的浇筑质量是最简单有效的方法。在混凝土浇筑前做好钢筋绑扎、模板支立等准备工作，按设计预留好混凝土保护层厚度; 混凝土浇筑中，避免发生混凝土裂缝、混凝土密实度不好等混凝土质量缺陷，提高混凝土密实性，降低渗透性、抑制氧和水分的进入，防止钢筋锈蚀; 根据外界温度，采取适当的保温或降温、保水养护控制措施，避免出现温度裂缝。
4) 加强工程检查和维修养护。对于已发现混凝土结构构件出现的钢筋锈蚀破坏问题，应积极查找原因并加以防治，避免扩大; 对于因周围环境变化可能对水工钢筋混凝土结构形成的有害因素，要及早发现及时采取对策，及早消除影响，有条件的地区，建议逐步建立起水利水电工程钢筋混凝土不良影响预警预报系统。
3· 结语
钢筋锈蚀现象在水利水电工程实践中很常见，水工钢筋混凝土结构往往因钢筋锈蚀破坏开始而引起工程和建筑物的安全问题，随之带来工程维修养护或除险加固的资金大量投入，对人民生命财产安全构成威胁、给生产管理带来不利影响。本文结合工程建设实践，系统深入分析水工钢筋混凝土结构钢筋锈蚀破坏的机理、原因，意在引起重视，并总结提出防控措施，为类似问题提供参考。