混凝土中鋼筋的腐蝕防護(hù)技術(shù)研究

侯 靜

（大慶油田工程項(xiàng)目管理有限公司天宇設(shè)計(jì)院，黑龍江 大慶 163111）

0 引言

鋼筋混凝土因其經(jīng)濟(jì)性、多功能性和耐用性成為建筑行業(yè)最常用的材料。但大氣腐蝕、電腐蝕和應(yīng)力腐蝕會(huì)影響混凝土結(jié)構(gòu)的性能和外觀，縮短基礎(chǔ)設(shè)施使用壽命。腐蝕是一種電化學(xué)過(guò)程，當(dāng)混凝土中的鋼筋表面存在電位差時(shí)，混凝土具備了形成電化學(xué)電池所須的全部條件：鋼筋上的陽(yáng)極和陰極區(qū)域組成兩極，水泥中的孔隙水充當(dāng)電解質(zhì)。

隨著水泥開始水化，鋼筋表面開始形成一層由γ-Fe2O3組成的保護(hù)性鈍化層，厚度范圍為5～10nm，這層保護(hù)膜阻止了鋼材與周圍混凝土之間的離子交換，從而降低了腐蝕速率。但當(dāng)氯化物進(jìn)入混凝土中或混凝土自身的pH值發(fā)生變化時(shí)，這層保護(hù)膜就容易被破壞從而引起腐蝕[1]。此外，氧化鐵等腐蝕產(chǎn)物的體積是鐵的2～4倍，這會(huì)對(duì)混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，最終導(dǎo)致混凝土剝落和開裂，從而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞[2]。

為了解決鋼筋的腐蝕問(wèn)題，從業(yè)人員開展了陰極保護(hù)、電化學(xué)除氯和鋼筋表面處理等防腐措施研究[3]，但這些方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

1 混凝土中鋼筋的防腐技術(shù)

鋼筋水泥復(fù)合材料的腐蝕控制方法主要有陰極保護(hù)、電化學(xué)除氯、鋼材表面處理、混凝土表面處理、礦物外加劑和化學(xué)緩蝕劑的利用。下面予以分別介紹。

1.1 陰極保護(hù)技術(shù)

Stratfull于1957年首次報(bào)道了陰極保護(hù)技術(shù)對(duì)橋梁中的鋼筋具有良好的腐蝕保護(hù)效果，1972年該技術(shù)開始被正式應(yīng)用于被除雪劑污染的公園橋表面。隨后被逐步應(yīng)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕防護(hù)中[4]。

陰極保護(hù)主要有兩種方式：犧牲陽(yáng)極保護(hù)法和外加電流保護(hù)法。其中犧牲陽(yáng)極法是采用活性金屬作為輔助陽(yáng)極，將其與被保護(hù)的鋼材相連，活性金屬和被保護(hù)金屬之間的電勢(shì)差使被保護(hù)鋼材的整個(gè)表面都帶負(fù)電并成為陰極。通常作為犧牲陽(yáng)極的金屬是鋁、鋅和鎂，該方法無(wú)需外部電源，維護(hù)成本低。

相比之下，外加電流保護(hù)法需要外接電源（通常＞50V）和嵌入混凝土中的惰性陽(yáng)極材料。正極連接正極材料，負(fù)極連接待保護(hù)的鋼材，正極和負(fù)極之間用電解質(zhì)（混凝土）隔開，該系統(tǒng)需要消耗大量電能，還需要專門的維護(hù)管理系統(tǒng)，成本相對(duì) 較高。

1.2 電化學(xué)除氯技術(shù)

電化學(xué)氯化物技術(shù)（ECE）的目的是從鋼筋和混凝土結(jié)構(gòu)中去除腐蝕性較強(qiáng)氯離子。這種方法類似于陰極保護(hù)，但有兩個(gè)主要區(qū)別：首先，用于外加電流陰極保護(hù)的電流密度遠(yuǎn)低于ECE；其次，ECE的外部陽(yáng)極是臨時(shí)的（通常不超過(guò)10周）。相對(duì)而言，ECE技術(shù)更具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗恍枰ㄆ诰S護(hù)。其工作原理是在鋼筋和固定在混凝土表面的外部陽(yáng)極金屬之間施加電場(chǎng)，電源正極接正極，負(fù)極接混凝土鋼筋，當(dāng)施加外加電流時(shí)，陰離子（如Cl-）被吸引到放置在混凝土表面的外部陽(yáng)極處，而陽(yáng)離子（如Na+、K+）則向鋼筋遷移，從而在鋼筋表面上產(chǎn)生氫氧根離子（OH-）。通常情況下，8周內(nèi)氯化物含量可降低70%左右。

1.3 鋼材表面處理

為了降低使用成本，施工現(xiàn)場(chǎng)通常使用低碳鋼制作的鋼筋，但由于低碳鋼的防腐蝕性能相對(duì)較差，會(huì)影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。為了在不大幅度增加使用成本的同時(shí)還能提高建筑物的預(yù)期使用壽命，科研人員開發(fā)了鍍鋅法、環(huán)氧樹脂覆膜法和水浸法等鋼材表面處理技術(shù)。鍍鋅法是通過(guò)犧牲陽(yáng)極來(lái)提高鋼材的耐腐蝕性；環(huán)氧樹脂覆膜法是在鋼筋表面包覆一層環(huán)氧樹脂膜，從而減少化學(xué)腐蝕；水浸法是將鋼筋在水中浸泡2天，在鋼材表面形成黑色的氧化層，使鋼材表面的成分更加均勻，從而提高耐腐蝕性。此外，該氧化層還可以改善混凝土和鋼筋之間的結(jié)合強(qiáng)度，相對(duì)而言，水浸法最為簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)。

1.4 混凝土表面處理

氯化物、CO2等可以進(jìn)入混凝土內(nèi)部使混凝土產(chǎn)生耐久性問(wèn)題（如碳化、氯化物侵蝕和硫酸鹽侵蝕等），因此，混凝土表面的滲透性能被認(rèn)為是影響整個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要因素之一?；炷帘砻嫣幚韯┛煞譃橛袡C(jī)處理劑和無(wú)機(jī)處理劑。有機(jī)處理劑的優(yōu)點(diǎn)是阻隔性能較好，缺點(diǎn)是耐火性差、易開裂脫落和使用壽命短。有機(jī)處理劑的主要種類有：丙烯酸、氯化橡膠、丁二烯共聚物、聚乙烯共聚物、環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂、聚氨酯、煤焦油和聚合物改性水泥涂料。根據(jù)表面處理性質(zhì)分為表面涂層、疏水浸漬、孔隙阻塞處理和多功能表面處理四種類型。

相對(duì)而言，無(wú)機(jī)表面處理劑具有更好的耐久性能。最常用的無(wú)機(jī)表面處理劑有硅酸鈉、硅酸鋰、硅酸鉀和氟硅酸鹽，它們能夠部分或完全堵塞混凝土表面的微孔隙，從而增加表面層的抗?jié)B性。

1.5 混凝土外加劑

外加劑是添加到混凝土混合物中的固體或液體物質(zhì)，可以增強(qiáng)或改善混凝土的各項(xiàng)性能。目前最常用的外加劑有粉煤灰、硅粉、高爐礦渣和偏高 嶺土。

粉煤灰是煤燃燒的副產(chǎn)品，是制造高性能混凝土的重要原料。研究表明，粉煤灰在早期不會(huì)降低混凝土的擴(kuò)散系數(shù)，但在后期，其擴(kuò)散系數(shù)顯著降低。研究表明，使用15%～35%的粉煤灰代替水泥材料，可以降低混凝土的孔隙率，并通過(guò)增加水泥復(fù)合材料的電阻率使混凝土具有良好的耐久性和防腐蝕能力。

硅粉是制造工業(yè)硅和硅合金時(shí)的副產(chǎn)品。其中SiO2含量達(dá)到99%以上，其粒徑比水泥顆粒細(xì)約100倍。添加到水泥基復(fù)合材料中時(shí)，由于其粒徑小，比表面積大，可迅速進(jìn)行水化反應(yīng)，從而改善水泥基復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，并降低了水泥基復(fù)合材料在各個(gè)階段的擴(kuò)散系數(shù)。在混凝土中摻入3～5%的硅粉即可顯著增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的機(jī)械強(qiáng)度和耐久性。在混凝土中加入10%的硅粉，可將氯離子的表觀擴(kuò)散系數(shù)降低70%以上，將使用壽命提高270%以上。

高爐礦渣，俗稱礦渣，是鋼廠煉鋼過(guò)程中產(chǎn)生的一種副產(chǎn)物，它主要由氧化鈣、氧化硅、氧化鋁等氧化物組成。當(dāng)?shù)V渣用作混凝土添加劑時(shí)，它會(huì)與水泥和水發(fā)生反應(yīng)，優(yōu)化混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)并增強(qiáng)水泥石強(qiáng)度，從而改善混凝土的機(jī)械強(qiáng)度和耐久性。與普通水泥基復(fù)合材料相比，混合了礦渣的水泥基復(fù)合材料的擴(kuò)散系數(shù)顯著降低，大大減少了腐蝕物質(zhì)的遷移，從而提高了鋼筋的抗腐蝕性能和預(yù)期使用壽命。

將高嶺石在500～800°C的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行煅燒即可獲得偏高嶺土。由于偏高嶺土具有粒徑小、表面積大、反應(yīng)迅速的特性，將其加入到混凝土中可以改善水泥漿體的微觀結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)混凝土的機(jī)械性、耐久性，加入5%～10%的偏高嶺土還可顯著提高鋼筋混凝土的耐腐蝕性能。

1.6 化學(xué)緩蝕劑

將化學(xué)緩蝕劑加入到水泥復(fù)合材料中后，可以有效減緩嵌入鋼筋的腐蝕速率，并且對(duì)水泥復(fù)合材料的其他性能沒有不良影響[5]。與其他腐蝕控制技術(shù)相比，化學(xué)緩蝕劑具有經(jīng)濟(jì)性和通用性等優(yōu)點(diǎn)，具有很大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

陽(yáng)極緩蝕劑。這類緩蝕劑吸附在金屬陽(yáng)極表面形成薄膜，通過(guò)增加金屬的腐蝕電位和降低腐蝕電流密度來(lái)降低腐蝕速率。但實(shí)際使用過(guò)程中，陽(yáng)極緩蝕劑必須覆蓋金屬的整個(gè)表面。如果緩蝕劑濃度不夠，未完全覆蓋，暴露出來(lái)的部分會(huì)引起點(diǎn)蝕。常用的陽(yáng)極緩蝕劑有亞硝酸鹽、硝酸鹽和苯甲酸鹽等。

陰極緩蝕劑。這類緩蝕劑通過(guò)在金屬陰極表面形成不溶性沉淀物屏障，進(jìn)而降低金屬的腐蝕電位和腐蝕電流密度達(dá)到降低腐蝕速率的目的。陰極緩蝕劑的作用效果略差于陽(yáng)極緩蝕劑，但其更為安全有效。常用的陰極緩蝕劑有硅酸鹽、磷酸鹽和多磷酸鹽。鋅、鎳和鎂的離子可與水中的羥基反應(yīng)形成不溶性氫氧化物，它們沉積在金屬表面的陰極部位形成屏蔽層，也是較為常用的陰極緩蝕劑。

混合緩蝕劑。這些緩蝕劑通過(guò)吸附作用同時(shí)作用在金屬的陽(yáng)極和陰極上，主要通過(guò)降低腐蝕電流密度來(lái)降低腐蝕速率。這類緩蝕劑主要包括胺類、氨基醇類、磺酸鹽類、酯類以及帶有疏水基團(tuán)的化合物。

2 結(jié)論和展望

鋼筋混凝土的腐蝕控制方法包括陰極保護(hù)、電化學(xué)除氯、鋼筋表面處理、混凝土表面處理、混凝土外加劑和化學(xué)緩蝕劑。其中化學(xué)緩蝕劑法具有施工簡(jiǎn)單、成本低、防腐效果好的等優(yōu)點(diǎn)，綜合來(lái)看，是最值得推薦的鋼筋保護(hù)方法。但每種方法都有一定的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，在施工過(guò)程中應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行因地制宜的選擇。

有必要對(duì)鋼筋混凝土的防腐技術(shù)開展更多的研究，以期開發(fā)出更為經(jīng)濟(jì)、耐用、環(huán)保且不會(huì)對(duì)混凝土和鋼筋的結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生不利影響的腐蝕防護(hù) 方法。