城市鋼筋混凝土結構腐蝕與防護的必要性探討

李曉雪+劉麗蕓

摘 要：鋼筋混凝土結構在城市建設中使用廣泛，腐蝕損壞是比較常見的嚴重破壞形式。文章分析了國內部分典型城市中的鋼筋混凝土結構的腐蝕機理，對城市大氣環境中的鋼筋混凝土結構提出了建設性防護措施。

關鍵詞：鋼筋混凝土；腐蝕機理；腐蝕防護

中圖分類號：TU375 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）26-0180-02

1 概述

目前，鋼筋混凝土結構仍是現代建筑中的主體結構之一，橋梁、樓房、道路、碼頭等建筑都離不開鋼筋混凝土結構。但鋼筋混凝土結構往往在使用較短時期后就開始出現裂縫、鋼筋腐蝕等劣化現象，需要花費大量費用進行經常性維修維護。發達國家的腐蝕維護費用中，約50%是用來修復鋼筋腐蝕造成的混凝土結構損壞[1]。因此如何對鋼筋混凝土結構進行有效防護、提高其耐久性是國內外共同研究和關注的重大問題。

本文就國內部分典型城市的大氣腐蝕環境和鋼筋混凝土的腐蝕機理進行了分析，并對城市鋼筋混凝土結構的保護措施進行了探討。

2 城市大氣腐蝕環境分析

國際標準化組織頒布的涂料與涂裝技術指導性國際標準ISO12944-1～8：1998《色漆和清漆——保護漆體系對鋼結構的防腐保護》中，將大氣腐蝕環境大致分為鄉村大氣、城市大氣、工業大氣和海洋大氣四種類型。腐蝕共分為5個級別，其中城市大氣腐蝕環境為C3級，主要受工業氣體污染，或有低鹽分的海濱地區，腐蝕等級為中等。

2.1 居住城市

居住城市人口眾多，腐蝕性氣體來源主要是冬季供暖燃煤排放的氣體及車輛排放的尾氣，這些排氣中含有大量的酸性氣體，如CO2、NO2及SO2。以北京為例，根據北京市2004、2005年大氣污染檢測情況（圖1）可以看出，北京市大氣中主要腐蝕性氣體，除CO2外，還含有大量NO2及SO2。NO2含量變化不明顯而SO2在每年冬季時含量增多，主要是由于冬季供暖燃煤所致。

2.2 工業城市

工業城市的主要腐蝕性氣體來源是冶金、化工、機動車排氣等。以遼寧各市為例，遼寧省沈陽、鞍山、本溪等城市是典型的重工業城市，大氣污染屬于煤煙、汽車尾氣和自然揚塵混合型污染，其中以煤煙型污染為主，大氣中主要污染物為TSP和SO2，同時含有大量的NOX（圖2）。除SO2、NOX、CO2酸性氣體本身對混凝土的侵蝕外，大量懸浮顆粒吸附水分、腐蝕性氣體附著在混凝土表面，加重了對混凝土的腐蝕。

圖2 遼寧省中部5個城市2002年SO2的季節變化[3]

（1、2、3、4分別代表春夏秋冬，5 代表平均）

2.3 沿海城市

沿海城市混凝土結構主要受水分、Cl-與酸雨的三重侵害。以青島市為例，青島是典型的沿海城市，受海洋大氣環境與內陸大氣環境綜合影響。由于沿海，空氣濕潤且含有大量的Cl-離子，另外由于城市內汽車保有量大，尾氣排放量大，以及北方城市冬季供暖燃煤，都排放大量的酸性氣體SO2與NOx。

另外，北方城市與南方城市的大氣腐蝕環境也有區別。北方城市主要CO2、SO2與NOx含量高，而南方城市主要由于氣候潮濕多雨，水分對混凝土的腐蝕更為嚴重。

3 城市大氣環境鋼筋混凝土腐蝕機理

鋼筋混凝土結構由于常常處于室外環境中，容易受溫度、天氣及大氣環境影響而腐蝕，嚴重的影響了混凝土結構的耐久性和安全性。城市大氣環境中的鋼筋混凝土結構主要腐蝕機理為中性化、凍害和氯離子侵害。

3.1 中性化[4]

由于混凝土是強堿性的，容易被空氣中的酸性氣體腐蝕。以北京市為例，由于人口、機動車輛、工廠較多，每天排放大量的CO2、SO2等酸性氣體[5]。當大氣中的CO2、SO2遇水后變成酸性液體，不斷地滲透侵蝕混凝土，使其pH值逐漸降低，水泥水化產物發生分解，使其強度大大降低。中性化反應過程為：

CO2+H2O+Ca（OH）2→CaCO3+2H2O

3.2 凍害[6]

北方城市，冬季時天氣寒冷，溫度低，混凝土中本身含有的水分和降水侵入，當溫度達到0℃以下時，混凝土中的水分就會結冰，這就使得混凝土表面和內部由于冰的體積增大而出現脹裂。當氣溫升高時冰融化，反復的凍融使混凝土淺表面產生裂紋而變得疏松，從而導致脫落。凍融不僅使混凝土本身遭到破壞，同時也使其中的鋼筋失去保護層而加速腐蝕。

3.3 氯離子侵害

氯離子是一種滲透力極強的腐蝕介質，當它接觸到鋼筋表面時便會迅速破壞鋼筋表面的鈍化層，即便在強堿環境中依然會引起腐蝕。鋼筋混凝土結構施工時，往往引入大量Cl-，例如使用海砂、施工用水中含Cl-、加入含Cl-的防凍劑等。另外，鋼筋構件長期服役于含氯的環境中，例如城市立交橋冬季使用的“融雪劑”及沿海城市建筑等會長期受高氯環境的影響。氯離子透過混凝土覆蓋層內的孔隙或裂縫，擴散到達鋼筋表面，使鋼筋去鈍化，破壞了鈍化膜，在水和氧的共同參與下形成腐蝕電池，鋼筋便發生腐蝕。

4 城市大氣環境鋼筋混凝土的防護

城市大氣環境中的鋼筋混凝土結構，無論新建結構還是已建結構，均有必要進行防腐保護，可從提高混凝土自身抗腐蝕能力及增加抗腐蝕涂層等方面加以考慮。

4.1 提高鋼筋混凝土自身抗腐蝕性能[7]

提高鋼筋混凝土的密實性，提高鋼筋混凝土的自身強度即提高自身對鋼筋的保護能力是最重要、最根本的措施。可以通過摻入外加劑，包括粉煤灰、礦渣、海水耐蝕劑、減水劑等來提高混凝土的密實性；可以在混凝土中摻入一定數量纖維增強材料，形成一種均質的纖維增強水泥基復合材料，增強混凝土的韌性、抗沖擊性和抗裂性，減緩混凝土裂紋的產生；在新建鋼筋混凝土構件時，可以在鋼筋表面加防護處理，例如表面涂刷防腐涂料及緩蝕劑等，對鋼筋進行防腐預處理。endprint

4.2 鋼筋混凝土陰極保護

陰極保護主要包括犧牲陽極保護及外加電流保護兩種。犧牲陽極保護具有無需提供輔助電源，施工簡便，不必經常維護管理的優點，由于陽極材料在實施陰極保護過程中可溶，金屬可以被消耗，所以常用于受鹽污染的混凝土結構。外加電流陰極保護是以直流電源的負極與被保護的鋼筋相接，正極與溶性輔助陽極相接提供保護電流。電流通過連續的混凝土介質，到達混凝土表面使鋼筋發生陰極極化而受到保護，優點是電源的電流可以調控，鋼筋可以處于一定的電流之下。

4.3 外加涂層防護[8]

表面涂層技術是提高鋼筋混凝土工程防腐蝕性能最簡便、經濟有效的方法。涂層技術不僅可以運用到新的混凝土建筑，還可以運用到在役混凝土建筑的修復中。使用防腐涂料對鋼筋混凝土結構表面進行涂裝，可以起到防腐蝕、防水、防潮及裝飾作用。涂料可以在混凝土表面形成一層屏蔽阻隔層，阻止腐蝕介質侵入混凝土內部造成腐蝕，同時阻止水侵入混凝土內部，使混凝土構件一直處于干燥的環境中，有利于減緩鋼筋混凝土銹蝕。

5 結束語

鋼筋混凝土結構的腐蝕是無法徹底避免的，但可以通過各種措施進行保護，以提高其結構耐久性。城市中的工業建筑、民用建筑、道路、橋梁等混凝土結構，均有必要采取防腐措施進行保護。混凝土表面進行防腐涂層涂裝保護是最經濟有效的保護方法。

參考文獻：

[1]胡士信，廖宇平，王冰懷.管道防腐層設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2007：22.

[2]楊書申，邵龍義，楊園園.北京、上海兩地2004和2005年大氣污染特征對比分析[J].長江流域資源與環境，2008，17（2）：323-327.

[3]馬雁軍，劉寧微，王揚鋒.遼寧中部城市群大氣污染分布及典型重污染的成因[J].城市環境與城市生態，2006，19（6）：32-35.

[4]Hans Bohni. Corrosion in Reinforced Concrete Structures[M]. England： Woodhead Publishing Llimited， 2000：15-24.

[5]于淑秋，林學椿，徐祥德.北京市區大氣污染的時空特征[J].應用氣象學報，2002，13：92-99.

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[7]賀全紅.碼頭鋼筋混凝土防腐蝕方法[J].浙江水利科技，2004（3）：69-71.

[8]侯保榮，等.海洋鋼筋混凝土腐蝕與修復補強技術[M].科學出版社，2012：118-119.endprint