海工混凝土鋼筋腐蝕及防護措施綜述

■徐國強，于慶坤，楊小杰，劉曉偉

■1.華北理工大學建筑工程學院，河北 唐山 063009;2.河北省地震工程研究中心，河北 唐山 063009

海洋是人類活動的重要空間，特別是我國沿海地區(qū)地少人多，因此海洋空間的利用是一個重要出路，海工建筑也因此而得到了突飛猛進的發(fā)展。一般說來，海水中約含有3.5%的可溶性鹽類，這些鹽類都可能給混凝土結(jié)構(gòu)造成腐蝕，其中主要是硫酸鹽和氯鹽。鑒于海工混凝土特殊的工作環(huán)境條件，除其強度和拌合物的和易性應滿足設計、施工要求外，尚應具有所需的抗?jié)B性、抗凍性、抗蝕性等性能。特別是其中鋼筋的銹蝕與防護尤為重要，世界各國每年因腐蝕造成的直接經(jīng)濟損失約占其國民生產(chǎn)總值的2%～4%。因此，對海洋環(huán)境下鋼筋的防腐蝕研究與設計顯得尤為重要。

1 海工混凝土鋼筋的破壞機理

研究海洋環(huán)境下混凝土中鋼筋的腐蝕問題，首先需要清楚其破壞原因和機理，才能有針對性的對鋼筋耐腐蝕性能進行相關的試驗研究，找準研究方向，得出有用的研究成果，對后續(xù)的試驗研究提供理論依據(jù)。

海水成分復雜，含有多種游離態(tài)的離子，雖然其含量不高，但混凝土結(jié)構(gòu)長時間暴露在這種環(huán)境下，其影響不容忽視。其中最主要的破壞離子就是SO2-4和Cl-。首先對于混凝土結(jié)構(gòu)，抗?jié)B性能遠不及天然石材，雖然宏觀上與天然石材區(qū)別不大，但在微觀上，混凝土表面有很多的微觀孔隙［1］。因此，在海洋環(huán)境下，各種游離態(tài)的離子通過孔隙滲透到混凝土內(nèi)部，與其中的Ca2-、Al3+等成分發(fā)生化學反應，從而使其耐久性和耐腐蝕性降低，最終導致結(jié)構(gòu)破壞。其次對于鋼筋的腐蝕破壞，主要是氯離子引起的，其通過毛細管、擴散、對流、滲透等方式侵入混凝土結(jié)構(gòu)，擴散是最主要的侵入方式［2］。當其濃度到達一定的臨界值后，從而引起鋼筋的銹蝕。

混凝土耐久性的研究是一個十分重要而又迫切需要解決的問題，特別是位于沿海及近海地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)，由于海洋環(huán)境對混凝土的腐蝕，尤其是鋼筋的銹蝕造成的結(jié)構(gòu)早期損壞，已成為工程中的主要問題［3］。目前，對于提高海洋環(huán)境下混凝土中鋼筋的耐腐蝕性能，防止鋼筋腐蝕的技術措施有許多種，可歸納為兩大類。其一是提高混凝土自身的防護能力，增加混凝土的抗腐蝕能力，如高密實、抗裂混凝土;其二被稱作“附加措施”，主要包括:鋼筋阻銹劑、混凝土外涂層、特種鋼筋(如環(huán)氧涂層鋼筋、不銹鋼筋等)、陰極保護等。

2 鋼筋防腐蝕措施研究

2.1 鋼筋阻銹劑

鋼筋阻銹劑是指一種加入到混凝土中或涂刷在其表面，能有效延緩或阻止腐蝕發(fā)生的化學物質(zhì)。其主要是由酯胺混合液和醇胺混合物等高分子的陽極型阻銹材料組成，作用機理是通過氯化鐵原子可以使鋼筋表面形成致密的氧化鐵鈍化膜，或吸附在其表面形成阻礙層，阻止陽極反應的發(fā)生，使鋼筋長期處于鈍態(tài)，其保護層得到最大限度地提高和保持，同時防止氯鹽、鎂鹽的侵蝕，使腐蝕速度大幅度降低［4］。

鋼筋阻銹劑主要優(yōu)點如下:使用壽命長，能滿足50年以上混凝土結(jié)構(gòu)設計壽命要求;與涂層鋼筋、特種鋼筋、陰極保護等措施相比，花費最少，經(jīng)濟實用，且施工簡單，方便，節(jié)省勞動力，壽命期內(nèi)不需維護，經(jīng)濟效果最優(yōu);適用范圍廣［5］。

2.2 特種鋼筋

阻止氯離子對鋼筋的腐蝕的有效措施之一，就是在鋼筋表面進行涂層處理。目前環(huán)氧樹脂涂層鋼筋在國內(nèi)外應用廣泛。環(huán)氧樹脂涂層鋼筋有很好的耐蝕性，但與混凝土的粘結(jié)強度明顯降低，適用于處在潮濕環(huán)境或侵蝕性介質(zhì)中的工業(yè)與民用房屋、一般構(gòu)筑物及道路、橋梁、港口，碼頭等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中。經(jīng)國內(nèi)外的大量研究和多年的工程應用表明，采用這種鋼筋能有效地防止處于惡劣環(huán)境下的鋼筋腐蝕，從而大大提高工程結(jié)構(gòu)的耐久性。環(huán)氧樹脂涂層被譽為鋼筋防腐衛(wèi)士，其具有化學穩(wěn)定性高，不與酸、堿等反應，延性大、干縮小等特點，與金屬表面的粘著性好，在鋼筋表面起到了阻隔鋼筋與外界電流接觸的功能［6］。

試驗表明，另一種有效方法是提高鋼筋自身耐腐蝕性能。耐腐蝕鋼筋在混凝土結(jié)構(gòu)中的使用還是一個相對較新的課題，目前主要有不銹鋼筋和纖維塑料筋兩種。各種鋼筋中，不銹鋼筋的耐腐蝕性能最好的，還具有強度高、耐久性好、使用方便，施工簡單等特點，大大延長了結(jié)構(gòu)的使用壽命，但是價格昂貴，成本略有增加。目前奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼因其高強度被廣泛應用于混凝土結(jié)構(gòu)中，當作為預應力筋使用時，其強度可達835MPa，作為普通鋼筋使用時，其強度亦可達700MPa［7］。

纖維塑料筋是指由玻璃纖維、碳纖維及阿拉米德纖維等多股連續(xù)纖維，采用聚酰胺樹脂、聚乙烯樹脂、環(huán)氧樹脂等基底材料，通過膠合，后經(jīng)過擠壓、拉拔成型的特殊材料［8］。纖維塑料筋的主要優(yōu)點有:抗拉強度高、抗腐蝕性能良好、密度小。但其也存在彈性模量小、脆性大、抗剪強度低和與混凝土之間粘結(jié)力小等缺點。

2.3 陰極保護

電化學保護是使金屬極化至腐蝕免疫區(qū)或鈍化區(qū)而得到保護［9］。鋼筋腐蝕時將會同時發(fā)生失電子的陽極反應和得電子的陰極反應。發(fā)生反應時，陽極鐵失去兩個電子成為鐵離子(Fe2+)，鐵離子進入溶液，進一步反應生成腐蝕產(chǎn)物。陰極得到陽極鐵失去的電子，并與水中的氧氣發(fā)生陰極反應生成的OH-，之后與溶液中的鐵離子反應生成鐵銹［6］。

犧牲陽極和外加電流是陰極保護的兩種方式。犧牲陽極的原理是兩種金屬的腐蝕電位不同，常用的犧牲陽極金屬是鋅或鋁塊，以及熱噴鋅或鋅鋁銦合金。外加電流法則是連接被保護金屬與外加直流電源的負極，使金屬電位負移，自腐蝕電流下降，從而使金屬得到保護［9］。

3 混凝土抗腐蝕措施研究

防止鋼筋腐蝕的有效措施是保證混凝土的良好質(zhì)量。在滿足其強度要求的前提下把耐久性放在首位，采用海工高性能混凝土，提高結(jié)構(gòu)的密實度，從而提高其抗?jié)B、抗凍性能，具有良好的膠凝孔結(jié)構(gòu)，減緩腐蝕速度，根本上提高混凝土本身護筋性能［10］。

3.1 混凝土配合比優(yōu)化設計

馬志鳴等［11］做了七組不同配合比的混凝土試件，經(jīng)過標準養(yǎng)護28 天后，取兩個相對側(cè)面為試驗用面，其余四面用環(huán)氧樹脂密封，保證硫酸鹽侵蝕為一維擴散。將試件置于海洋暴露試驗區(qū)規(guī)定區(qū)域，用分光光度計法測量不同深度硫酸根離子含量。研究表明，混凝土結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境干濕循環(huán)作用下，離子侵入速率加快，硫酸根離子的侵蝕程度隨暴露齡期的增加而增加，隨水膠比的增加而減少，當水膠比相同時，以一定量的礦物摻合料代替水泥，可以有效提高混凝土試件的抗硫酸鹽侵蝕性能。

宋立元等［12］對不同水膠比及摻加粉煤灰、硅灰的高性能混凝土的氯離子擴散系數(shù)進行試驗研究，設置了5 組混凝土試件進行對比試驗。研究表明，適當?shù)乃z比及摻加一定量粉煤灰和硅灰等活性集料能明顯提高海洋混凝土結(jié)構(gòu)抵抗氯離子侵蝕的能力，為混凝土海洋平臺結(jié)構(gòu)耐久性評估與設計提供了重要的參考價值。

馬保國等［13］研究了在混凝土結(jié)構(gòu)中添加不同礦物摻合料對氯離子滲透能力的抵抗作用，研究表明，在一定范圍內(nèi)，摻加粉煤灰和硅灰均能提高混凝土的抗氯離子滲透能力，通過壽命預測，抗氯離子滲透能力依次為10%SF ＞60%SG ＞30%FA ＞純硅酸鹽水泥。

元成方等［14］研究了海洋大氣環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)在鹽霧腐蝕及碳化雙重作用下氯離子侵蝕試驗研究，得出了當粉煤灰摻量適中時，其填充效應改善了混凝土結(jié)構(gòu)的孔結(jié)構(gòu)，提高了其密實性，從而抑制了氯離子的擴散;而碳化反應則粗化了混凝土的孔隙，破壞了原有的過濾機制，使得環(huán)境中的氯離子更容易滲入，因此，在對海洋大氣環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)進行壽命預測時，需要考慮碳化反應對氯離子侵蝕的影響。

3.2 提高保護層厚度

海洋對混凝土的各種破壞腐蝕都直接或間接作用于混凝土保護層。保護層是防止鋼筋銹蝕的第一道屏障，必須保證其有足夠的厚度［10］?！逗８酃こ袒炷两Y(jié)構(gòu)防腐蝕技術規(guī)范》規(guī)定海水環(huán)境鋼筋最小保護層厚度50mm，預應力鋼筋最小保護層厚度75mm，其中浪濺區(qū)最小保護層厚度90mm。加大保護層厚度對提高構(gòu)筑物耐久性具有顯著效果。試驗表明:結(jié)構(gòu)的耐久壽命與保護層厚度的平方成正比。當保護層厚度增加到一定程度之后，隨著厚度的增加，耐久壽命將會大幅度提高，但其增加幅度是有一定限度的。當保護層過厚時，將減小截面受壓區(qū)高度，降低結(jié)構(gòu)的承載能力;保護層處混凝土受內(nèi)部鋼筋約束減小，在受力或凍融時裂縫更易開展，有害離子、氣體易侵入，因而達不到增厚保護層的預期作用［11］。

3.3 混凝土表面涂層保護

表面涂層是指為了減少或阻斷海洋腐蝕離子向混凝土的滲透擴散，提高構(gòu)筑物的使用壽命，在混凝土表面涂上防腐涂料［15］。世界各國的防腐蝕實踐證明:表面涂層防腐蝕是最有效、最經(jīng)濟、應用最普遍的方法［16］?；炷练栏苛戏N類繁多，廣泛應用的主要有聚氨酯、環(huán)氧樹脂、氯化橡膠和丙烯酸樹脂等，它們都有優(yōu)良的防腐性能。但其缺點是適應性不強，沒有滿足高性能要求，且揮發(fā)性有機物較多，對生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴重威脅，今后環(huán)保，高性能，功能化是混凝土防腐涂層發(fā)展的重點方向。

4 結(jié)語

海洋大氣環(huán)境中，空氣中相對濕度較大，且海水、鹽霧對鋼鐵具有很強的腐蝕性，因此如何減輕腐蝕的影響和減低維護費用，成為設計和施工中必須考慮的重要問題。且隨著陸地資源的日漸枯竭，開發(fā)海洋資源引起世界各國的普遍重視。因此對其相關技術領域的研究刻不容緩，尤其是海洋混凝土耐久性、耐腐蝕性、防腐的防治與控制，都是亟需解決的問題。大量試驗研究表明，改變水膠比，摻加礦物摻合料等措施對提高海洋混凝土護筋性能效果顯著;對于鋼筋防腐蝕，采用防腐涂層，耐腐蝕鋼筋，電化學保護等措施效果顯著。

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