水工混凝土結構中鋼筋銹蝕的原因及防護

摘要:水工建筑物中鋼筋銹蝕的原因主要是:氯離子穿破鋼筋保護膜使鋼筋發生電化學反應;大氣中二氧化碳使鋼筋表面氧化膜失去存在條件。可采用以下幾種措施防止鋼筋銹蝕:在混凝土中摻用鋼筋阻銹劑;在混凝土表面涂防護涂料;在鋼筋表面涂環氧樹脂等防腐涂層。其中最后一種措施在我國還剛剛開始，具有很好的推廣應用價值。

關鍵詞:氯鹽侵蝕;碳化;侵蝕機理;阻銹劑;防護涂料;環氧防腐涂層

中圖分類號:TU

文獻標識碼:A

文章編號:1672-3198(2010)21-0327-01

由于鋼筋銹蝕而導致破壞的情況在水工混凝土中日益增多。據水利水電科學研究院對全國78座水工建筑物進行的一項調查，僅由碳化引起鋼筋銹蝕而導致破壞的工程就有13座。由于其它原因引起鋼筋銹蝕從而危及建筑物安全的現象則更為普遍。因此，防止新建建筑物鋼筋的銹蝕和對因鋼筋銹蝕而破壞的老建筑物中已銹蝕鋼筋進行處理，已成為確保水工建筑物耐久性和安全的急需解決的問題。

1 銹蝕原因分析

鋼筋處于混凝土中與處于大氣中有兩點不同，一是混凝土減緩了氧和水分向鋼筋的滲透;二是混凝土的堿性(PH=11.5-12.5)使鋼筋表面生成一層致密的氧化膜(鈍化膜)阻止陽極鐵的溶解，保護鋼筋不被銹蝕。氧化膜是一種水化氧化物(γ-Fe2O3·nH20)，其厚度在20-60A之間，若氧化膜被破壞并且有氧和水分的存在，鋼筋就會銹蝕。能導致保護膜破壞使鋼筋銹蝕的因素很多，其中危害最大的是氯離子和二氧化碳。

氯離子對鋼筋的侵蝕機理較為復雜，可總結為:

(1)氯離子穿破鋼筋表面的氧化膜使局部活化形成陰極區，使二價鐵離子容易脫離鋼筋表面形成陰極區，在含有溶解氧的水分存在時，發生下列反應:

陽極反應Fe→Fe2+2e-

陰極反應皂12O2+H2O+2e-→2OH-

總反應2Fe+12O2+2H2O→2Fe(OH)2

Fe(OH)2進一步被氧化

2Fe(OH)2+12O2+H2O→2Fe(OH)3

若氫氧化鐵繼續失水就形成水化氧化物FeOOH即紅銹，一部分氧化不完全的變成Fe203即黑銹，在鋼筋表面形成銹層。

(2)使銹蝕坑穴形成酸性環境，這一環境在銹蝕產物保護下繼續存在，加速了腐蝕過程。

(3)腐蝕產物FeCI水解性強，使氯離子能長期反復地起破壞作用。

(4)氯鹽混凝土的導電性也加速電化學腐蝕過程。

氯離子廣泛存在于自然界中，在沿海和鹽堿地地區尤為普遍，混凝土材料如海岸的集料、拌和水、某些外加劑甚至水泥中也都含有氯離子，我省在五、六十年代就曾大量使用NaCI外加劑。

C02的侵蝕機理是:大氣中的二氧化碳使混凝土碳化，由于碳化降低了混凝土中的堿性，當其PH值低于10時，鋼筋表面的氧化膜便失去了存在的條件，從而被削弱或破壞，最終引起鋼筋銹蝕，由于碳化過程進展較慢，碳化引起的鋼筋銹蝕遠不如氯離子引起的普遍。

鋼筋銹蝕的破壞形式為銹層膨脹(其體積約為原體積的2-6倍)、混凝土保護層開裂和剝落、鋼筋與混凝土的粘結破壞、鋼筋斷面減小等，以至造成結構破壞。

2 防止鋼筋銹蝕的措施

防止鋼筋銹蝕的關鍵是保護鋼筋表面生成的鈍化膜不被破壞，隔絕有害介質向鋼筋的滲透，防蝕的措施主要有以下幾個方面。

2.1 在混凝土中摻用鋼筋阻銹劑

鋼筋阻銹劑系混凝土外加劑的一種，摻入混凝土中能提高混凝土自身的保護能力，使鋼筋表面的氧化膜更為完整、致密，一旦由于C1-、S042-等的侵蝕使氧化膜受到局部破壞，阻銹劑可使氧化膜及時自動修復，從而擴大有害離子的容許限量，如果鋼筋表面已經形成了腐蝕微電池，阻銹劑也能降低陰陽極效率，提高極間阻抗，使銹蝕速度大幅度降低。即使在中性化條件下，也能起到一定的保護作用。

根據作用機理不同，混凝土阻銹劑又可分為以下幾種:

(1)陽極型阻銹劑(鈍化劑)主要是阻止腐蝕電池的陽極過程，能形成或修復鋼筋表面的氧化膜，常用的有亞硝酸鹽、鉻酸鹽、硅酸鹽及苯甲酸鹽等，陽極型阻銹能力強，用量省，使用較為普遍，但單獨或過量使用時，可能會刺激鋼筋局部腐蝕或對混凝土性能產生不利影響，故常與陰極型等類阻銹劑復合使用。

(2)陰極型阻銹劑(抑制劑)。此類阻銹劑通過沉積在陰極表面或抑制氧在陰極的去極化作用，達到阻銹效果，碳酸鹽、磷酸鹽等就能起到這樣的作用。

(3)吸附型阻銹劑(隔離劑)，這一類阻銹劑能夠吸附在鋼筋表面，阻止腐蝕介質與鋼筋接觸。主要是含有N、S、OH-等極性基團的有機高分子化合物。

(4)復合型阻銹劑。為防止上述各種阻銹劑單獨使用的不足，發揮每一種類的長處，可將兩種或兩種以上的阻銹劑混合使用。如我國冶金工業部建筑研究總院研制的RI-1系列阻銹劑，就是由亞硝酸鹽等多種化學組分組成，分三個品種分別用于沿海建筑、工業建筑和建筑物修復工程。

阻銹劑的摻量視環境及混凝土中氯鹽含量而定。一般為水泥用量的1%-2%，在混凝土拌和時直接加入。摻阻銹劑法成本低，施工簡單，不增加額外設備，不受施工條件限制，在國內外使用較為普遍。但當環境有害離子較多，混凝土密實性差，有裂縫存在以及PH值較低時，阻銹效果則明顯降低。

2.2 在混凝土表面涂防護涂料

氧和水是鋼筋銹蝕的必要條件，在絕對干燥和缺氧的情況下，即使有CI-等有害離子的存在，鋼筋也不會銹蝕，因此，對混凝土表面用涂層進行封閉，防止腐蝕介質的侵入，也是當前采用較多的有效措施之一。

對防護涂料有以下要求:與混凝土有一定的粘結強度，保證涂層能牢固地粘附于混凝土表面;有一定的變形能力，在溫度變化時不發生開裂和脫開;具有較好的氣密性，能有效地阻止環境介質的滲透;便于施工;價廉易得。近年來經試驗和實際應用較為成功的防護涂料有呋喃環氧樹脂涂料(FAEP)、585#不飽和裹脂涂料、ES丙烯酸脂共聚乳液等。

2.3 在鋼筋表面涂環氧樹脂等防腐涂層

通過在鋼筋表面涂環氧樹脂等涂層直接保護鋼筋，防止鋼筋銹蝕是國外近來發展起來的一項新技術。其工藝簡單、性能優良，既可用于新建建筑物鋼筋的防腐，也可用于對因鋼筋銹蝕而損壞的老建筑物中鋼筋的處理。目前，用環氧樹脂涂覆的鋼筋已占北美國家鋼筋總用量的6.5%，日本、英國、中東地區的使用量也在不斷增加。

環氧樹脂是一種合成高分子材料，具有很高的化學穩定性，不與酸堿等發生反應，能有效地防止鋼筋與外界介質的接觸，由于環氧樹脂分子兩端有極活潑的環氧基能與其它材料表面的游離鍵起反應而形成環氧鍵，因此，它與鋼筋的表面及混凝土都具有極佳的粘著性。同時，環氧樹脂還有延性大、干縮小等性能，所以采用環氧涂覆鋼筋也基本不影響鋼筋與混凝土的粘結力。

環氧涂覆材料分干粉和液體兩種。通常由環氧樹脂、固化劑、增塑劑和耐堿顏料等組成。涂膜厚度一般在13C-300yM之間，可同時滿足柔性和耐蝕性的要求。

液態環氧樹脂涂覆就是用刷子、噴槍等把樹脂涂覆在鋼筋表面。涂覆方法有涂刷法、噴涂法和浸涂法三種，液態環氧涂覆工藝簡單，易于現場操作，使用較多。但液態涂料含有一定的溶劑，蒸發后涂膜中留下許多針孔，降低了防蝕性。若增加涂膜厚度又會影響它的柔韌性。

粉末環氧樹脂涂覆方法之一是靜電法，其原理是將帶電環氧樹脂粉末噴涂在已經加熱的鋼筋表面上，粉末溶化便形成連續的薄膜。由于粉末涂料不含溶劑和其它揮發性物質，不會形成針孔或使薄膜因揮發而減薄，故其許多性能優于液態環氧涂膜。這種方法工藝復雜，技術要求高，不易于現場操作，使用受到一定的限制。

還有一些其它的防蝕措施.如增加保護層厚度，提高混凝土的密實性，采用耐腐蝕鋼筋等，但只能起到一些輔助性防蝕效果，可與上述方法配合使用。

3 結語

混凝土結構中鋼筋的銹蝕嚴重地影響了工程的耐久性。解決這一問題的方法較多，但都有其局限性。應根據使用環境，工程的重要性和實際條件選用。在鋼筋表面進行涂膜防護在我國還剛剛開始，經過進一步研究，以提高涂覆效果、降低材料成本，這一方法將具有很好的應用前景。

參考文獻

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