公路橋梁鋼筋銹蝕原因及防治方法

吳 順

(山西運(yùn)城路橋有限責(zé)任公司，山西運(yùn)城 044000)

1 我國公路橋梁鋼筋銹蝕現(xiàn)狀分析

一般來說，公路橋梁的鋼筋結(jié)構(gòu)跨徑大、承載能力很強(qiáng)，具有著一定的耐久性。但由于其施工工期較短而服役年限相對較長，加之以常年的日曬雨淋，在介質(zhì)作用下很容易銹蝕，如果沒有長治久效的防治銹蝕的方法對鋼筋進(jìn)行防護(hù)，會(huì)大大降低公路橋梁的工作年限，更有甚者會(huì)提前報(bào)廢。

縱觀國內(nèi)外較為著名的公路橋梁，尤其是歐洲及北美等發(fā)達(dá)國家，多由于20世紀(jì)各國防銹蝕技術(shù)發(fā)展的阻滯，使得鋼筋結(jié)構(gòu)得不到長久的保護(hù)，使得其投入運(yùn)營后產(chǎn)生嚴(yán)重的銹蝕現(xiàn)象，以致于消耗大量的人力與物資進(jìn)行定期維護(hù)，有些甚至只能降級使用或報(bào)廢。在20世紀(jì)我國大量建設(shè)大跨徑公路橋梁，使得鋼橋梁建設(shè)取得長足進(jìn)步，但基于經(jīng)濟(jì)限制和防銹蝕工作的怠慢，因而接連發(fā)生了各式各樣的橋梁銹斷以及橋面墜落事故，而且這些橋梁的工作年限也很短。由此可見我國公路橋梁的處境不容樂觀，在一定程度上主要因?yàn)镾O2的嚴(yán)重污染以及氯離子的彌漫，所以探求公路橋梁鋼筋防銹蝕的方法是目前我國橋梁建設(shè)中的一項(xiàng)不可忽視的重任。

2 公路橋梁鋼筋銹蝕的危害以及防治銹蝕的必要性

隨著我國高速公路和城市立交橋的大量建設(shè)，由于鹽害、凍害和碳化等多種因素引起的橋梁鋼筋銹蝕問題逐步顯露，部分公路橋梁投入運(yùn)營后，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)開裂、剝落等現(xiàn)象，這也源于國內(nèi)一直沿用重強(qiáng)度輕耐久的設(shè)計(jì)概念的影響，而鋼筋銹蝕是公路橋梁耐久性失效而老化的最重要的因素和表現(xiàn)形式。鋼筋的大幅度銹蝕主要是通過對受力的截面面積的削弱來達(dá)到的，這樣做的主要目的是可以達(dá)到使得構(gòu)建的承載能力大幅度降低，不僅如此，鋼筋與混凝土之間的相互融合能力也會(huì)因?yàn)檫@點(diǎn)而大幅度降低，這樣做可以使得混凝土鋼筋在其真正受力的地方出現(xiàn)一些裂縫，這些裂縫很可能因?yàn)樽陨淼呐蛎浂鴮?dǎo)致混凝土整體結(jié)構(gòu)路面的受力性與耐久性能大大降低，繼而直接造成巨大的橋梁破壞和經(jīng)濟(jì)損失。

與世界各國一樣，我國常年應(yīng)用油漆防銹維護(hù)，雖耗資巨大，卻未見成效。鑒于此，我們需要一種具有持久性能的長效防腐涂層，實(shí)現(xiàn)一次性耐久防銹蝕。近年來隨著我國電弧噴涂工藝的逐步完善，使得涂層質(zhì)量，生產(chǎn)效率大大提高，也很大程度地降低了經(jīng)濟(jì)成本和維護(hù)費(fèi)用，可以做到一次防銹到與橋梁設(shè)計(jì)同步壽命，大大地減少了環(huán)境污染，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

3 公路橋梁鋼筋銹蝕基本原理和類型

3.1 銹蝕機(jī)理

公路橋梁鋼筋的銹蝕過程是一個(gè)電化學(xué)反應(yīng)過程，鋼筋混凝土在長期的日曬雨淋作用下，受到水的氧化作用而產(chǎn)生比較嚴(yán)重的化學(xué)反應(yīng)，這種化學(xué)反應(yīng)我們又將其稱之為兩級電的化學(xué)反應(yīng)，這些基本的電子很容易在陽性比較強(qiáng)的極鐵中得到釋放。Fe→Fe+++2e;在這種整體的釋放過程中，電子會(huì)向陰極大量流動(dòng)，水中也會(huì)溶解不同程度的氧化離子OH－:O2+2H2O+4e→4OH－;這些氧化的離子會(huì)將電子等進(jìn)行大量的吸收，從而導(dǎo)致腐蝕性電流的產(chǎn)生，并且在基本鋼筋的表面產(chǎn)生氫氧化亞鐵的薄膜，這種帶有明顯化學(xué)性質(zhì)的薄膜也會(huì)受到水以及氧氣的雙重影響而滋生出鐵銹(即Fe(OH)3):其化學(xué)反應(yīng)過程如下所示:2Fe+2H2O+O2→2Fe(OH)2，2Fe(OH)2+H2O+O2→2Fe(OH)3。

3.2 銹蝕類型

公路橋梁的鋼筋銹蝕在不同的環(huán)境下，其呈現(xiàn)形式亦有所不同，一般來說主要有均勻銹蝕、孔蝕和縫隙銹蝕三種。這些比較均勻的腐蝕性鐵銹會(huì)比較平均的分布在各個(gè)鋼筋的表面，同時(shí)會(huì)以相對比較穩(wěn)定的速度將整個(gè)金屬的厚度削弱，從而造成金屬損失，這是一種較為常見的銹蝕狀態(tài)，較容易預(yù)測防護(hù)，不易產(chǎn)生突然性事故。點(diǎn)蝕是指公路橋梁在適宜的環(huán)境介質(zhì)中投入使用，大部分表面未受銹蝕，而小區(qū)域鋼筋選擇性銹蝕出現(xiàn)蝕孔或麻點(diǎn)，經(jīng)久累積縱深化發(fā)展，造成大面積的破損，這類銹蝕一般因Cl－吸附在鋼筋表面膜中部分區(qū)域的缺陷處引起的?？p隙腐蝕是鋼筋結(jié)構(gòu)連接處(如金屬鉚接、螺釘接頭、螺栓連接等)存在銹蝕介質(zhì)而發(fā)生的局部銹蝕，而造成局部斷裂。

4 公路橋梁鋼筋銹蝕的原因

根據(jù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的生成過程，混凝土水化會(huì)產(chǎn)生大量OH－，在高強(qiáng)堿介質(zhì)中鋼筋混凝土表面會(huì)生成一層鈍化膜，從而抑制鋼筋銹蝕，當(dāng)保護(hù)層遭到破壞時(shí)，容易產(chǎn)生銹蝕現(xiàn)象。公路橋梁鋼筋銹蝕的原因主要有以下三種:

1)鋼筋保護(hù)層碳化銹蝕，一般源于混凝土不夠密實(shí)或厚度以及抗?jié)B性能不足時(shí)，保護(hù)層容易受到破壞，表面浸入二氧化碳發(fā)生碳化至鋼筋表面，降低鋼筋表面堿度，從而生成銹蝕物。這里水化的氫氧化鈣保證著混凝土的高堿度，另一方面因其在空氣中具有不穩(wěn)定性易與環(huán)境中的酸性介質(zhì)發(fā)生中和反應(yīng)，使混凝土碳化，進(jìn)而使鋼筋銹蝕。

2)氯離子或氯化物銹蝕，多為孔蝕、點(diǎn)蝕等局部銹蝕，會(huì)改變鋼筋的力學(xué)性能以及減小鋼筋截面積甚至致使鋼筋斷裂。在混凝土中鋼筋周圍的氯離子主要通過兩種途徑引發(fā)銹蝕，一是施工用水含氯鹽，在攪拌、澆筑混凝土?xí)r滲入混凝土中;其二是施工環(huán)境中氯鹽經(jīng)由混凝土縫隙滲入至鋼筋表面，破壞混凝土的包鋼筋表面的兩重屏障，引發(fā)銹蝕，導(dǎo)致保護(hù)層開裂或脫落。具體地說，氯離子主要通過破壞鈍化膜，同時(shí)因其在鈍化膜的破壞與未破壞區(qū)域間存在電位差而形成腐蝕電流，加快腐蝕速度，形成邊緣效應(yīng);其導(dǎo)電作用容易形成離子通路，加快氯離子的擴(kuò)散、滲透，使其穿透保護(hù)層而銹蝕鋼筋;在陽極反應(yīng)的過程中氯離子具有較好的陽極去極化作用從而加快陽極反應(yīng)，起到周而復(fù)始的破壞作用。一般來說，水泥中的鋁酸三鈣還易與氯鹽反應(yīng)生成不溶性“復(fù)鹽”，在堿性環(huán)境下可抑制氯離子作用，堿性降低時(shí)又會(huì)重新釋放氯離子。

3)外部的環(huán)境將直接影響到鋼筋的銹蝕程度，其中影響最大的是濕度。鋼筋混凝土在空氣中遇到水容易產(chǎn)生銹蝕。一般在混凝土的相對濕度達(dá)到100%時(shí)，二氧化碳很難進(jìn)入其中，從而銹蝕也就不會(huì)容易滋生了，在這種情況下最好的辦法就是把濕度盡量控制在80%左右，讓混凝土鋼筋盡量得到碳化處理。

5 對公路橋梁中的鋼筋腐蝕的防治研究

對于鋼筋結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的腐蝕情況，我們常常會(huì)采用兩種主要方式進(jìn)行處理，第一種是采用比較惰性的材料結(jié)構(gòu)在鋼筋結(jié)構(gòu)的表面進(jìn)行機(jī)械化的隔離水處理，從而防止腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生，另外一種方式就是采用電化學(xué)的主要方式來提升鋼結(jié)構(gòu)的整體電位繼而形成保護(hù)?？紤]到鋼筋銹蝕的成因，我們可以從以下三個(gè)方面來著手分析:

首先，從混凝土結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和安全性來考慮，應(yīng)重點(diǎn)防治混凝土碳化，為了達(dá)到這一目的，我們常常使用水灰度低于規(guī)定范圍的方式來對鋼筋混凝土的密實(shí)性進(jìn)行處理及保障。這就涉及混凝土的澆筑施工過程，在澆筑施工前應(yīng)加入適量的粉煤灰、礦渣粉等細(xì)集料，在對其進(jìn)行攪拌的過程中，我們要特別注意對鋼筋比較密集的部位進(jìn)行高強(qiáng)度的振搗試驗(yàn)，從而將模板的空氣排干凈，減少內(nèi)部的空洞現(xiàn)象。

其次，從鋼筋混凝土自身?xiàng)l件來考慮，要有效地降低有害離子的侵入和損壞需要采用特種鋼筋來提高混凝土自身防御能力。我們在對鋼筋混凝土路面進(jìn)行施工的過程中，要結(jié)合具體的實(shí)際，特別是要重點(diǎn)處理滲透到混凝土之中的氯離子，因?yàn)樯婕暗铰入x子的有害物質(zhì)是導(dǎo)致路面腐蝕的最大殺手。在原材料的控制上，不能使用海產(chǎn)的工業(yè)用水，同時(shí)要合理選用水泥品種和其他原材料，我們應(yīng)該首先采用粉煤灰材質(zhì)的水泥或者是礦渣材質(zhì)的水泥等。

第三，我們要將環(huán)境過程中蘊(yùn)含的濕度對于鋼筋的腐蝕程度降到最低，要達(dá)到這個(gè)目的，最主要的方式是在鋼筋的表層涂上一層隔離層，這種方式可以大大提升混凝土的防水性能，繼而提升該鋼筋混凝土表面的耐久性。在這個(gè)執(zhí)行過程中，我們一般都是使用噴砂槍等工具先將有銹的表面進(jìn)行除銹，再將已經(jīng)松動(dòng)的混凝土進(jìn)行清除，并且在已經(jīng)露出來的鋼筋表面涂上一層粘合劑，這樣可以大大增強(qiáng)整個(gè)鋼筋混凝土表面的防銹能力，如果這些鋼筋將被使用在破損比較嚴(yán)重的路面上時(shí)，我們可以考慮將這些除銹的試劑涂抹在鋼筋的表面上，繼而保證其的基本干燥，提升該路面的整體安全性能。

這里我們尤其要注意對鋼筋表面油漆涂層的選擇，綜合考慮到各類因素，常用的涂層方法有以下幾類:第一種方式我們通常采用氧化的乙炔型火焰對鋁絲等進(jìn)行融化處理，繼而使用高壓的主要霧化氣體在工件的基本表層進(jìn)行火焰的噴漆設(shè)置，第二種方式是把這些鍍鋅的地方進(jìn)行熱處理，使用酸性的材質(zhì)物品將銹基本上洗去，第三種方式就是在鋼筋表面涂上防銹的材料，第四種方式主要是使用噴射漆物的設(shè)備讓電源中基本上都可以形成帶正負(fù)兩極電荷的金屬絲，并且讓這些金屬絲在噴槍交匯的地方實(shí)現(xiàn)弧熔化。

6 國內(nèi)外公路橋梁鋼筋防銹蝕技術(shù)的發(fā)展與前景

20世紀(jì)國外熱噴涂長效防腐涂層的腐蝕試驗(yàn)直接推動(dòng)了現(xiàn)代發(fā)達(dá)國家鋼鐵橋梁熱噴涂防腐的應(yīng)用，而由于經(jīng)濟(jì)因素、環(huán)境因素以及熱噴涂使用壽命限制，使得國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)人員開始探索新的防銹蝕技術(shù)，如今電弧噴涂長效防腐較好的克服了這些缺點(diǎn)而在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，并取得很好的防腐效果，我國已完全有能力采用電弧噴涂長效防腐技術(shù)解決國家大型鋼橋梁的腐蝕防護(hù)問題，使得我國公路橋梁的鋼筋防銹蝕技術(shù)有了更大的發(fā)展空間。

7 結(jié)語

在防治公路橋梁中鋼筋的銹蝕現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)從施工設(shè)計(jì)時(shí)做起，包括選材要細(xì)致以保證保護(hù)層密實(shí)而無露筋現(xiàn)象，鋼筋運(yùn)輸時(shí)尤其要注意防銹蝕、防污染，在澆筑施工時(shí)要采取適當(dāng)?shù)胤雷o(hù)措施，避免鋼筋混凝土表面收縮暴裂。

［1］任必年.公路鋼橋腐蝕與防護(hù)［M］.北京：人民交通出版社，2002.

［2］馮福明.公路橋梁鋼筋銹蝕的防治與修復(fù)［J］.內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2005(11)：29-30.

［3］邵雪竹.環(huán)氧厚漿涂料在金屬防腐工程中運(yùn)用［J］.建筑工業(yè)信息，2005(4)：57-58.