1、路桥工程中钢筋混凝土的腐蚀及其预防措施摘要：钢筋混凝土因为具有耐久性高、整体性好、抗压强度高等优点，被广泛用于土建、桥梁、港口以及特种结构等工程领域。但是同时，钢筋混凝土又具有自重大、抗裂性差、钢筋锈蚀等缺点，往往造成建筑结构安全等危害，经济损失也非常严重。因此，钢筋混凝土结构耐久性和现有结构安全性评估对维修和加固现有建筑物异常重要，具有很强的现实意义和非常高的社会经济效益。 关键词：混凝土；腐蚀；预防措施 中图分类号：TU37 文献标识码： A 1 引言 在建筑工程中，钢筋混凝土因具有成本低廉、坚固耐用且材料来源广泛等优点而被土木工程的各个领域普遍采用。钢筋混凝土既保持了混凝土抗压强度高的特
2、性、又保持了钢筋很好的抗拉强度，同时钢筋与混凝土之间有着很好的黏结力和相近的热膨胀系数，混凝土又能对钢筋起到很好的保护作用，从而使混凝土结构物更好的工作，提高了混凝土的耐久性。所以钢筋混凝土已成为现代建筑中材料的重要组成部分。 钢筋混凝土结构的腐蚀类型 2.1 混凝土碳化混凝土碳化是由于混凝土中的氢氧化钙与空气中的二氧化碳和水发生反应降低了混凝土孔隙水溶液的 ph 值，由于混凝土中的水泥石水化物只能存在于高碱性溶液(ph 值12.5)中，当碳化反应发生后，水泥石水化物稳定存在的条件遭到破坏，水解形成的氢氧化硅、氢氧化铁和氢氧化钙等碱性氧化物都变成碳酸盐，使混凝土的孔隙率和渗透性发生改变，减少了
3、水气的吸附。同时，ph 值的降低导致钢筋发生钝化的碱性条件遭到破坏，钢筋处于活化状态，在水和氧的作用易发生锈蚀。混凝土碳化是大气环境混凝土腐蚀的一种最常见形式。由于碳化作用离不开水的作用，因此干燥环境下碳化作用较为缓慢，此外合理设置保护层厚度是避免混凝土碳化作用引起钢筋锈蚀的有效方法。 2.2 氯离子侵蚀氯离子是极强的去钝化剂。当钢筋混凝土结构处于氯盐环境下，氯离子会通过液相扩散或毛细管结构深入混凝土中，游离的 cl-与水形成盐酸，并与混凝土中的氢氧化钙发生反应，使水泥石水化产物发生分解，降低混凝土的密实性。当氯离子渗透至钢筋表面时，会对钢筋表面的钝化膜产生完全或部分的破坏，造成预埋钢筋的严重
4、腐蚀和开裂。钢筋锈蚀的氧化物体积会膨胀 4 倍，会在混凝土内部产生内应力，导致混凝土进一步开裂，使钢筋与混凝土的握裹力降低，而影响混凝土结构的承载力和使用寿命。海洋环境与除冰盐环境下的钢筋混凝土结构腐蚀多为这种情况。在有氯离子的情况下，混凝土的碳化作用远小于氯离子对钢筋的腐蚀速度，在多种腐蚀情况同时存在的情况下，氯离子对结构的危害最大。 2.3 冻融循环区别于以上两种腐蚀类型，混凝土的冻融循环属于物理现象，混凝土冻融循环的发生主要原因是混凝土中存在孔隙和外界环境温度的循环变化。位于北方地区的海洋浪溅区和水位变动区的桥梁墩台表面的混凝土经常会发生这种腐蚀。在北方海洋环境下的秋冬季节，昼夜温差可达
5、到 1020 度左右。白天海水中的水汽通过毛细孔和微裂缝渗入混凝土并留在孔隙里，晚上留在混凝土孔隙中的水汽遇冷结冰，在毛细孔壁周围形成拉应力，此外由孔隙冰与过冷水的饱和蒸汽压差和盐分浓度差会引起的过冷水在混凝土毛细孔中的迁移而形成的渗透压力，膨胀压力和渗透压力都会损伤混凝土的内部微观结构，在冻融循环的反复作用下，混凝土内部的损伤逐步累积扩大，最终在疲劳作用下，造成了结构的破坏。 2.4 碱-集料反应碱-集料反应是指混凝土原材料中的水泥、外加剂和水中的碱性物与集料中的活性成分发生反应，在混凝土浇筑成型后若干年逐渐反应，反应生成物吸水膨胀使混凝土产生内部应力，膨胀开裂，导致混凝土失去使用功能。为了
6、避免碱-集料反应的发生，降低混凝土拌合物水泥中的碱性成分是解决碱-集料反应最直接有效的措施。 由于钢筋混凝土组成材料之间的特性差异，导致混凝土产生腐蚀的原因较多，通常在某种环境下的混凝土腐蚀影响因素并不是单一的。例如在北方海洋性环境下，钢筋混凝土结构同时面临着冻融循环、碳化、碱-集料反应和氯离子侵蚀等危害，它们之间相互作用、相互影响加剧了钢筋混凝土的破坏。因此深刻理解混凝土各种类型的腐蚀机理，针对环境作出准确判断是做好腐蚀防护措施的第一步。 3.钢筋锈蚀的影响因素 3.1 氯化物的影响 氯化物是钢筋锈蚀的最重要原因，氯离子能加速钢筋锈蚀。但并非混凝土孔隙中氯离子都会引起钢筋锈蚀破坏，只有自由氯
7、离子才能对钢筋起到破坏作用。氯离子主要是通过扩散进入混凝土达钢筋表面，其扩散过程与周围介质中氯离子浓度，混凝土的渗透性也有关系，同时受到混凝土的毛细孔结构及孔膜被水饱和程度等因素的影响。研究表明，产生混凝土中钢筋锈蚀的氯离子临界值与 pH 值间存在一定的关系，Hausmann 发现当Cl-/OH-0.6 时，钢筋开始发生腐蚀破坏。Couda认为 Cl-临界浓度与 OH-临界浓度之间的关系为 pH=0.83logCl-+KC(K 为常数)，关于混凝土结构被破坏时的临界 Cl-浓度问题，已被很多学者研究。 3.2 混凝土碳化 正常状态下，混凝土空隙液呈强碱性，钢筋表面的混凝土形成钝化膜，对钢筋有保
8、护作用。当大气中二氧化碳向混凝土内部渗透，并与混凝土中 Ca(OH)2 反应，生成 CaCO3，使得混凝土碱性减低。当碳化层发展到钢筋表面，使钢筋表面的高碱环境(pH 为 12.513.5)的 pH 值下降。当pH 值下降到 11.5 以下时，钝化膜开始不稳定。当 pH 降到 9 左右时，钢筋钝化膜就遭到破坏。 3.3 硫酸盐的影响 硫酸盐能与混凝土发生中和作用，生成微溶的钙盐，此钙盐结晶时结合大量的水，使固相体积大大增大，导致混凝土发生结晶性腐蚀。另外，硫酸根离子是否对混凝土中钢筋直接产生破坏存在着不同的见解。Cornet 和 Schikor 以及孙成的实验均表明，由于 SO42-的去钝化作
9、用只是混凝土中的钢筋发生强烈腐蚀。而刘晓敏等的实验发现，在 Cl-存在时，硫酸根具有缓释作用，提高了钢筋表面钝化膜的抗腐蚀性能。 3.4 水和氧气的影响 混凝土孔隙液中水和氧气的存在是钢筋锈蚀的必要条件，即使钝化膜受到破坏，如果氧气没有扩散到钢筋表面也不会发生钢筋锈蚀。 3.5 环氧温度的影响 Mamdouh M Nassar 的研究认为，随着温度的增加钢筋锈蚀增强。沈德健等的研究认为，在 40以下时，随着温度增加，钢筋锈蚀率增加，在 40以上时，钢筋锈蚀反而会延缓。 4 常见腐蚀控制措施 4.1 耐腐蚀材料的使用混凝土目前最常用的防腐蚀材料是高性能混凝土。从上述分析来看，混凝土腐蚀因素大部分
10、都与混凝土的渗透有关。高性能混凝土中掺加的矿物质组分微硅粉能有效减小混凝土中的孔隙尺寸和阻断毛细孔，使氯离子在混凝土中的渗透率显著降低，并且显著减少冻融循环对混凝土的危害。 4.2 防腐涂料的使用 防腐涂料的作用是形成屏蔽阻隔层，隔绝离子通路，阻止腐蚀反应的发生，可分为混凝土外表面涂层和钢筋表面涂层。混凝土外表面涂层主要包括聚合物改性砂浆、渗透型涂层和表面涂料等。聚合物改性砂浆有着良好的密实、抗渗性，并兼有耐磨、粘结力强等优点。渗透型涂层在混凝土表面涂覆后，可以深入混凝土内部一定范围，与混凝土组分起化学反应并堵塞孔隙，或自行聚合形成连续性憎水膜，形成一个特殊的防护层。表面涂料通常具有抗氧化、防
11、紫外线和红外线的能力，有时对抗磨、防冲击及耐适度化学物质侵蚀也有一定要求。钢筋表面涂层主要包括镀锌钢筋、包铜钢筋、合金钢钢筋、不锈钢钢筋及环氧树脂涂层钢筋等。环氧树脂涂层钢筋是最常用的钢筋防腐涂层。 4.3 阴极保护阴极保护法分为外加电流法和牺牲阳极法。外加电流法把要保护的钢铁设备作为阴极，另外用不溶性电极作为辅助阳极，两者都放在电解质溶液里，接上外加直流电源。通电后，大量电子被强制流向被保护的钢铁设备，使钢铁表面产生负电荷（电子）的积累，只要外加足够强的电压，金属腐蚀而产生的原电池电流就不能被输送，因而防止了钢铁的腐蚀。杭州湾跨海大桥是我国首个应用阴极防护技术的桥梁结构工程。 牺牲阳极法是将
12、还原性较强的金属作为保护极，与被保护金属相连构成原电池，还原性较强的金属将作为负极发生氧化反应而消耗，被保护的金属作为正极就可以避免腐蚀。牺牲阳极法一般不适用于新建混凝土结构且阳极提供的电流有限，只能用于保护阳极附件较小范围的钢筋。4.4 电化学除氯电化学除氯是指在无需破坏原混凝土结构保护层的条件下,通过外加电场使侵入混凝土保护层的氯盐有害组分直接排出,并且使已经活化开始锈蚀的钢筋表面重新钝化的一种新技术,可以对钢筋混凝土进行高效、快速、低成本且非破损型修复。电化学除氯技术在欧美应用比较广泛，我国在此方面研究起步较晚。 5 结论 虽然钢筋锈蚀会给混凝土建筑物带来严重的危害，但在实际施工中，只要加强领导，严格管理，精心施工，并根据环境的特点和材料的性质，采取相应的措施，是完全能够防止和推迟混凝土中钢筋的锈蚀，从而提高混凝土的使用性和耐久性。 参考文献 1洪定海混凝土中钢筋的腐蚀与保护北京: 中国铁道出版社，1998.2屈文俊既有混凝土桥梁的耐久性评估及寿命预测(博士学位论文)成都: 西南交通大学.
