钢筋混凝土结构的腐蚀及防护措施
一.钢筋混凝土结构防腐蚀的意义
钢筋混凝土结构结合了钢筋和混凝土的优点，造价较低，在土建工程中应用范围非常广泛。在钢筋混凝土结构中，钢筋锈蚀是钢筋混凝土结构过早被破坏的主要原因之一。新鲜混凝土是呈碱性的，其PH值一般大于12.5，在此碱性环境中钢筋容易发生钝化作用，使钢筋表面产生一层钝化膜，能阻止混凝土中钢筋的锈蚀。但当有二氧化碳、水汽和氯离子等有害物质从混凝土表面通过孔隙进入混凝土内部时和混凝土材料中的碱性物质中和，从而导致混凝土的PH值降低，就出现PH值小于9这种情况，钢筋表面的钝化膜就会被逐渐破坏，钢筋就会发生锈蚀，并且随着锈蚀的加剧，会导致混凝土保护层开裂，钢筋与混凝土之间的黏结力破坏，钢筋受力截面减少，结构强度降低等，从而导致结构耐久性的降低。
据调查，我国20世纪90年代前兴建的海港工程，一般10～20年就会出现钢筋严重腐蚀破坏，结构使用寿命基本上都达不到设计基准期要求。我国50年代至70年代建的海港工程，高桩码头不到20年，甚至7～8年就出现严重钢筋锈蚀破坏，海工混凝土结构破坏已成为我国港口建设中不得不重视并迫切需要解决的问题。
国外学者曾用“5倍定律”形象地描述了混凝土结构耐久性设计的重要性，即设计阶段对钢筋防护方面节省1美元;在发现钢筋锈蚀时采取措施需要追加维修费5美元;混凝土表面顺筋开裂时采取措施将追加维修费25美元;严重破坏时将追加维修费125美元。我国海洋工程中广泛使用的钢筋混凝土结构因腐蚀引起破坏的情况同样严重。除海洋环境本身属于强腐蚀环境因素外，环境的日益恶化、相关的混凝土结构耐久性规定标准偏低、施工质量不能保证等因素，致使我国混凝土结构大部分在使用10年左右即出现较严重的腐蚀破坏，给国家建设和经济发展造成了巨大的损失。因此，如何采取有效的防腐蚀技术措施，防止钢筋混凝土结构过早出现钢筋锈蚀破坏，确保建筑物达到预期的使用寿命是国内外学术界、工程界极为关切的热点。
二.钢筋的锈蚀原理及分类
1．钢筋的锈蚀条件：
钢筋混凝土构件内钢筋的锈蚀需要三个条件：
（1）钢筋表面碱性钝化膜破坏。正常情况下钢筋是包裹在砼之内的，砼则由于水泥的水化反应造成其初始碱性（含有一定Ca（OH）2）较强，正常情况：下钢筋在这种碱性环境下不会发生氧化腐蚀。当PH值大于1O时，钢筋腐蚀的速度很慢，当PH值小于5时，其锈蚀的速度就快。由此可见，只有当钢筋混凝土构件内的钢筋周围碱性钝化膜因砼碳化或其它原因导致破坏后，才可能出现腐蚀。
（2）必须产生电位差，使钢筋产生微电池腐蚀式大电池腐蚀。钢筋腐蚀，是由于钢筋表面不同部分之间产生电位差引起的，其作用和电池一样，在钢筋表面有微弱的电流流动。当在钢筋表面构成了许多微小电池，其电化学反应，按下式进行：
阳极反应（活化区）：FeFe2 2e
阴极反应区：2H20 O2 4e4（OH）-
综合反应式就是：Fe2 2（OH）一Fe（OH）2
这就是铁变成铁锈的过程。当构筑物（或构件）处在离子条件差别很大的两种环境中，或遭受杂散直流电影响时，一部分钢筋（或一部分构筑物）作为阳极，而另一部分作为阴极，这样便构成大电池腐蚀。
（3）必须具备水和氧。水和氧是钢筋腐蚀的必要条件（尤其是水），它们均参加钢筋电化腐蚀的阳极反应过程。水分子能穿透任何肉眼可辩的裂缝。水还能起着电解质的作用，并溶饵氧和其它如氯等的有害离子，从而加速了腐蚀速度。另外在一定条件下氧还可以造成浓度电池腐蚀。最常见的实例就是水线腐蚀。如浸在海水中的钢筋混凝土结构，在水线附近钢筋腐蚀最为严重，这是由于水线以上空气中的含氧量较高，而水线以下（水中）含氧量突然降低，造成浓度电池腐蚀，使水线以下的部位钢筋成为阳极而腐蚀。
2．钢筋混凝土构件中钢筋的锈蚀的几种情况。
（1）由于混凝土不密实或有裂缝存在造成钢筋的腐蚀。混凝土密实度不良和构件上产生的裂缝，往往是造成钢筋腐蚀的很重要原因。混凝土浇筑中产生露筋、蜂窝、麻面等情况，都会加速钢筋的锈蚀。因为孔隙和裂缝（一般在0．2ram以上时）给水（汽）、氧和其他侵蚀性介质的渗透创造了有利条件。因此，钢筋的电化学腐蚀和混凝土密实度、裂缝的宽度、保护层的厚度、空气的湿度以及空气中侵蚀性介质的含量，都有直接的关系。当混凝士密实度差和钢筋保护层不足时，各种介质就容易到达钢筋表面造成腐蚀。
（2）由于混凝土碳化和侵蚀性气体、介质的侵入，造成钢筋的腐蚀。空气中的二氧化碳气体，在混凝土表层中逐渐为氢氧化钙的碱性溶液所吸收，相互反应生成碳酸钙，这种现象称为混凝土的碳化，亦称“中性化”。砼碳化生成的碳酸钙很难溶解，其饱和溶液的PH值为9，因此混凝土碳化的结果，就使PH值不断下降，并不断向内部深化。混凝土碳化对混凝土强度一般无直接影响。其危害主要在于为钢筋腐蚀提供条件，而钢筋锈蚀体积将发生膨胀（体积比原来提高2.2倍），混凝土保护层将因此遭到剥落和损坏，从而降低钢筋和混凝土的工作性能；尤其对于薄壳钢筋混凝土结构和预应力高强度钢丝构件等，会造成严重的结构损坏而且这种破坏往往是脆性的，具有隐藏、突然性等特点，必须引起高度重视。
（3）由于混凝土内掺入氯盐造成钢筋的腐蚀。为提高混凝土早期强度或抗冻性能，过去人们往往在混凝土内掺入一定量的氯盐，如氯化钙、氯化钠等。氯化钙与水泥中的氢氧化钙、硅酸三钙、铝酸三钙结合，生成高水分子复合化合物，如氯硅酸盐等，并提高了氢氧化钙的溶解度。混凝土中，氯盐对钢筋的腐蚀多呈溃疡状，容易造成钢筋的应力集中：因此它的危害性是比较大的。混凝土中氯离子主要来源于原材料、外加剂加海砂、海水或氯盐高的水，以及掺加的用氯化钙作为促凝剂，用氯化钠作为防冻剂等，国内外已出现多起加氯盐过量而引起的严重腐蚀事件。
（4）由于高强钢筋中的应力腐蚀随着预应力钢筋混凝土结构的采用，出现了高
强钢筋中的一种特殊腐蚀形式，即“应力腐蚀”。一般在表面只有轻微损害或根本看不见损害，这种腐蚀尤为危险，因为它没有任何预兆而可以发生突然破坏。一般认为：高强钢筋在应力（拉应力）的作用下，导致钝化膜的破坏，裂缝比较活化，并作为阳极而腐蚀。在电化学腐蚀过程中继续扩大，同时由于钢筋中具有很高的拉应力，和高强钢筋的低变形性能。因此，腐蚀和应力共同作用，使裂缝迅速向深度发展，以致钢筋在看不到明显的腐蚀现象的情况下会突然断裂
（5）电流腐蚀工业用电中的直流电，当它泄漏到地下钢筋混凝土结构中时，会造成钢筋的腐蚀。在这种情况下，电流流入处相当于阴极区，电流流出处相当于阳极区。目前我国一些直流电解工厂、电气化铁路、直流电的载流设备等的电流泄漏现象比较多，有时比较严重。这些杂散电流对钢筋混凝土结构（如基础、梁、柱等）钢筋的腐蚀破坏时有所见。
三.钢筋混凝土结构防护措施
混凝土结构防腐蚀是系统工程，必须在勘察、规划、设计、施工、使用等各个阶段对所涉及的防腐问题进行细致的了解、分析和处理，各个阶段都应充分重视和充分合作，共同完成。混凝土结构防护措施可分为基本防护措施、混凝土表面涂覆防护措施和钢筋防护措施。
3.1混凝土的基本防护措施
混凝土的基本防护措施即是从设计、施工、制作等方面提高混凝土自身的防护性能。由于混凝土本身具有高碱性，正确设计、施工的优质混凝土保护层本身具有长期防止环境介质渗透的功能，因此，尽可能提高混凝土本身对钢筋的防护功能是预防钢筋腐蚀的许多措施中最经济合理、最有效的基本措施。这一类措施主要有以下几方面：
（1）合理的结构设计
混凝土结构形式及细部构造应有利于防腐、检测。如构件截面几何形状应简单、平顺，减少棱角、突变和应力集中;混凝土表面应有利于排水，不宜在接缝或止水处排水;特别注意构件应易于施工，尽可能在工场预制;结构形式应便于对关键部位进行检测和设置检测、维护和采取补充保护措施的通道;对处于腐蚀较严重部位和构件，应考虑其易于更换的可能性。由于混凝土保护层厚度与发生腐蚀的时间成平方关系，适当增加混凝土保护层厚度，以延长侵蚀性介质渗透到钢筋周围达到破坏钝化膜临界值的时间。但保护层厚度不宜大于80mm，否则混凝土表面易出现由于混凝土收缩、温度应力等所引起的混凝土表面裂缝。控制主筋的直径不宜过大，一般混凝土保护层厚度宜大于215倍主径直径，原因是较粗的钢筋提供较小的电阻，也就是提供了较大的腐蚀电流。更重要的是较粗的钢筋会生成较多的腐蚀产物，膨胀的体积增大比较多，从而造成较高的拉应力。所以，当混凝土保护层厚度相同时，钢筋越粗，钢筋直径对保护层厚度的比值越大，钢筋开始腐蚀到开始使混凝土胀裂的时间也就越短。
（2）选择优质原材料和优化混凝土配合比设计
选择优质原材料和优化混凝土的配合比，以提高混凝土的抗蚀能力。如尽量减
小水灰比提高混凝土的密实度，混凝土密实度高，孔隙率小，有利于提高混凝土的抗渗性，增强对侵蚀性介质的抗蚀能力;限制粗骨料的最大粒径，减少粗骨料与水泥砂浆界面的不利影响;规定混凝土拌合物最低水泥用量（或最低胶凝材料用量），确保混凝土具有较高的碱度;有抗冻要求时，加入合适量的引气剂以提高混凝土的抗冻性;不得采用可能发生碱-集料反应的活性骨料;严格限制砂、石、外加剂、拌和水等原材料中的氯离子含量，使混凝土拌合物中氯离子含量符合规定要求。
（3）采用高性能混凝土
高性能混凝土是指用常规材料、常规工艺，以较低水胶比、适当掺量的优质掺合料和较严格的质量控制制作的高耐久性，良好工作性及较高强度的混凝土。中交集团广州四航工程技术研究院等单位开发的海工抗盐污染高性能混凝土，其抗氯离子渗透性比普通混凝土提高数倍，可显著提高混凝土本身的护筋性能，从根本上提高混凝土的耐久性，从而延长结构物的安全使用寿命。目前，该项技术已成功应用于盐田港、湛江港、洋山港、东海大桥、杭州湾大桥等多项使用年限要求50年甚至100年的大型海港工程和跨海大桥工程中。
3.2混凝土表面涂覆防护措施
除了采取措施提高混凝土本身的耐久性外，采用混凝土表面涂覆防护措施有效地将混凝土与周围侵蚀性介质隔离开来或阻止有害介质的侵入，也是一种有效的防护措施。
3.2.1混凝土表面涂层
该措施是在混凝土表面涂覆一层涂料，形成一层隔离层制止氯离子、氧、水等介质渗入混凝土，以延缓钢筋腐蚀。从90年代开始，在我国一些海港工程，跨海大桥工程中得到应用，实践证明，混凝土表面实施涂层防腐蚀保护的技术成熟、保护效果显著，是海洋环境混凝土防腐最经济有效的保护措施。我国《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》已将该技术列为海港工程混凝土结构最重要的防腐蚀措施之一。对涂料的要求是能耐碱、耐老化和与混凝土表面应有良好的附着性。对海港工程潮差、浪溅区涂层，要求涂料应具有良好湿表面固化功能。
3.2.2表面涂覆浸入型涂料
浸入型涂料是一种粘度很低的有机硅化合物液体，将它涂（或喷）于风干的混凝土表面上，靠毛细孔的表面张力作用吸入（深约数毫米的混凝土表层中，它与孔壁的氢氧化钙反应，以非极性基使毛细孔憎水化或者填充部分细孔，使孔细化。浸入型涂料不能在混凝土表面上成膜，不会形成隔离层，也不能充满混凝土毛细孔隙，所以不会影响混凝土透气性，透水蒸汽性，但是，它却能显著降低混凝土的吸水性，使水和只能溶解于水中才能被毛细管吸收作用吸进去的氯化物都难以吸进混凝土中，而混凝土中的水份却可以化为水蒸汽自由蒸发出去，使混凝土保持干燥，从而显著地提高混凝土的护筋性。目前使用的侵入型憎水涂料中，以异丁基三乙氧基硅烷、异辛基三乙氧基硅烷作为浸渍材料效果最好，有液状和膏体状。国内外已有不少海港工程、跨海大桥使用，但材料费用较高，国内能批量生产的较少。
3.3钢筋防护措施
3.3.1镀层钢筋和涂层钢筋
镀层钢筋主要是镀锌钢筋，利用锌的电位比铁低，对钢筋施加阴极保护。涂层钢筋是指在钢筋表面制作涂层，隔离钢筋与腐蚀介质的接触。这种钢筋是在严格控制的工厂流水线上，采用静电喷涂工艺将涂层（目前使用较普遍的是环氧涂层）喷涂于表面处理过的预热的钢筋上，形成具有一层坚韧、不渗透、连续的绝缘层的钢筋。所以，只要这种钢筋在运输、存放、加工、安装和混凝土浇捣过程中能按规范严格保护，它是可以将钢筋与周围混凝土隔开，即使氯离子、氧气等已大量侵入混凝土，它也能长期保护钢筋使它免遭腐蚀。
3.3.2钢筋阻锈剂
混凝土拌合物中掺入适量阻锈剂，可阻止或延缓金属和电解质界面的电化学反应，从而阻止金属腐蚀是预防恶劣环境中钢筋腐蚀的一种有效的补充措施。但是它不能代替优质混凝土，也就是说掺加阻锈剂不能降低对混凝土保护层的基本要求。按照作用机理，钢筋阻锈剂可分为阳极型、阴极型和混合型三种。加入钢筋阻锈剂既推迟了钢筋开始生锈的时间，又减缓了钢筋腐蚀发展的速度。
3.3.3阴极保护
阴极保护技术是应用电化学原理，通过给被保护钢筋加一负向电流，使它的电极电位负移，即使钢筋表面氯离子已达到或超过使钢筋脱钝的临界值，由于电化学腐蚀过程得到有效的抑制而使钢筋不会发生锈蚀。阴极保护的方式有牺牲阳极和外加电流两种：
（1）牺牲阳极方式
采用电化学上比钢更活泼，即电位更负的金属（如铝合金、锌合金等）作为阳极，与被保护的钢电联接，以本身的腐蚀（牺牲）提供自由电子，对被保护的钢实施阴极保护。它施工简便，不需要外部直流电源，不必经常维护管理，但由于提供的保护电流有限，一般不适用于暴露于大气中的钢筋混凝土结构。
（2）外加电流阴极保护
以直流电源的正极接通难溶性阳极，发射保护电流;以其负极接通被保护的钢，而阳极与被保护的钢均处于连续的电介质中，使被保护的钢接触电解质的全部表面都充分而且均匀地接受自由电子，从而受到阴极保护。外加电流阴极防护技术在欧、美等国家已经用于环境恶劣的重要工程上。我国目前尚处于技术开发和引进阶段，中港-圣维可（广州）防腐工程有限公司已将该项技术成功应用于天津港、杭州湾大桥等工程，为该项新技术在国内的推广应用发挥了重要的示范作用。随着技术进步和认识的提高，作为一种长期有效的保护措施，该项技术将会有广阔的应用前景。
四.结语
随着我国经济建设的快速发展，对混凝土结构的质量和使用寿命要求也将越来越高。混凝土的腐蚀是客观存在的，但是只要对混凝土腐蚀问题进行深入的了解，可根据混凝土结构的特定使用环境，针对可能出现的腐蚀情况，在混凝土结构的设计、施工、质量控制等各阶段合理地应用各种防腐蚀保护措施，是可以确保混凝土
结构达到预期寿命的。值得引起重视的是应在设计初期，就根据设计寿命要求，提高预先设防的意识，高度重视预先采取混凝土防护措施，这虽然会增大初期投入，但可以大大减少工程使用期的维修费用，从而降低整个寿命期的总体花费。
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