鋼筋混凝土橋梁中鋼筋銹蝕與其陰極保護

魏新來 王藝杰

（鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院 河南 鄭州 450001）

0 引言

橋梁是道路中斷時跨越障礙物的建筑物。長久以來,橋梁對于促進交通事業(yè)和國民經(jīng)濟的發(fā)展起著極為重要的作用。目前，中國已成為橋梁大國，每年新建的橋梁約占世界新建橋梁總數(shù)的一半。2011年的數(shù)據(jù)顯示，我國擁有橋梁65.8萬余座，總計30483094延米，已超越美國（約62萬座），成為橋梁第一大國。根據(jù)規(guī)劃，到2020年左右，我國公路橋梁將建至80萬座。

長期以來，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性得到了工程實際的考驗，被人們所認(rèn)可，鋼筋混凝土橋梁也因此成為目前世界上應(yīng)用最為廣泛的橋梁。以我國為例，在已建公路橋梁中，鋼筋混凝土橋梁所占比例達到90%以上。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋處于強堿環(huán)境中，在其表面形成了一層致密的鈍化膜，保護鋼筋不與腐蝕環(huán)境接觸，使鋼筋不發(fā)生銹蝕。但在橋梁的使用期間，結(jié)構(gòu)處于惡劣的環(huán)境條件下，內(nèi)部將發(fā)生一系列變化，導(dǎo)致鋼筋混凝土的腐蝕。鋼筋銹蝕對于鋼梁混凝土橋梁的使用極為不利。本文對鋼筋銹蝕的機理進行分析，并給出其防護措施。

1 鋼筋銹蝕的機理

普通硅酸鹽的主要成分是鋁酸鈣 （3CaO·Al2O3，4CaO·Al2O3）和硅酸鈣（3CaO·Si2O3,2CaO·Si2O3）,在水泥水化反應(yīng) 中生成 Ca（OH）2，當(dāng) Ca（OH）2溶解于水時和其它成分結(jié)合在一起pH值達到12－13，呈強堿性。在此環(huán)境下，鋼筋表面會形成一層致密的鈍化膜，保護鋼筋不與腐蝕環(huán)境接觸,不發(fā)生銹蝕。但在周圍不利環(huán)境的作用下，CO2、SO2等酸性氣體會逐漸滲入混凝土中，和Ca（OH）2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成鈣鹽，導(dǎo)致pH值下降，無法形成鈍化膜。另外，一些強穿透離子如氯離子可以破壞鈍化膜。這時，鋼筋就不受保護，容易發(fā)生銹蝕。

當(dāng)處于腐蝕環(huán)境中的鋼筋表面有水分存在時，其表面不同部位會形成較大的電位差，形成陽極和陰極，鋼筋開始銹蝕。反應(yīng)式如下：

陽極反應(yīng) Fe-2e-→Fe2+

陰極反應(yīng) 1/2O2+H2O+2e-→2OH-

當(dāng)Cl-濃度超過臨界濃度時，與Fe2+發(fā)生反應(yīng)，生成FeCl2·4H2O，向含氧量較高的混凝土孔隙轉(zhuǎn)移，集中在鋼筋表面，進一步反應(yīng),分解成Fe（OH）2。從以上反應(yīng)過程可以看出，Cl-參加反應(yīng)，卻不構(gòu)成腐蝕產(chǎn)物，在反應(yīng)中也不被消耗，起到的是催化作用。Fe（OH）2體積是鐵的4倍，它進一步反應(yīng)的產(chǎn)物Fe3O4體積是鐵的8倍，會在混凝土中產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強度時，混凝土就會開裂，使得環(huán)境中的腐蝕物更易接觸到鋼筋，這又促進了鋼筋的進一步銹蝕。鋼筋銹蝕對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性不利，以受彎構(gòu)件為例，鋼筋銹蝕引起鋼筋截面積減小、和粘結(jié)力的降低，將導(dǎo)致其抗彎承載力的下降，有試驗表明，鋼筋銹蝕率達到10%時，承載力將下降50%以上。

2 防止鋼筋銹蝕的措施

目前，已開發(fā)的用于防止鋼筋銹蝕的措施有很多，可以分為三大類：

2.1 提高混凝土的質(zhì)量：使用低滲混凝土、增加保護層厚度、添加劑、涂層、防治水膜等。

2.2 提高鋼筋的耐腐蝕性能：使用環(huán)氧涂層鋼筋、不銹鋼鋼筋、不銹鋼包覆鋼筋、熱浸鋅涂層鋼筋、MMXF鋼筋和復(fù)合涂層鋼筋等。

2.3 電化學(xué)防護法：陰極保護法與陽極保護法等。

以上防腐措施均可在一定程度上阻止腐蝕的發(fā)生，但防腐效果有所不同。下面介紹在國內(nèi)應(yīng)用比較少的技術(shù)——陰極保護法。

3 陰極保護法

陰極保護法是通過向混凝土中鋼筋表面持續(xù)通入足夠的電流，使其陰極極化，使其免于腐蝕的一種電化學(xué)保護技術(shù)。鋼筋混凝土陰極保護可分為強制電流陰極保護和犧牲陽極陰極保護兩種方法。

在國外，陰極保護法的應(yīng)用已有幾十年的歷史。1973年，美國加利福尼亞州內(nèi)華達山著名的洲際80號大橋應(yīng)用了陰極保護。這在世界上是第一次正式應(yīng)用陰極保護法，隨后便在歐美發(fā)達國家廣泛應(yīng)用開來。到1997年，北美已有500座以上的橋梁實施了陰極保護，被保護的構(gòu)件包括橋面板、上部結(jié)構(gòu)、樁帽、柱子、樁等。目前，中國大陸對于已建橋梁尚未應(yīng)用過陰極保護。2006年，中國大陸第一次將陰極保護應(yīng)用在新建的杭州灣大橋，隨后，應(yīng)用了陰極保護技術(shù)的橋梁有青島海灣大橋、永定河特大橋、威海長會口大橋和遼河特大橋等。

3.1 強制電流陰極保護

強制電流陰極保護是通過外加電流，將電源的正極與難溶性輔助陽極相接，電源負(fù)極與被保護的鋼筋相接，分別形成陽極區(qū)和陰極區(qū)，直流電流由輔助陽極流向鋼筋，使得鋼筋持續(xù)、均勻的得到自由電子，得到保護。從上面可以看出，強制電流陰極保護是一種主動防護。強制電流陰極保護是目前為止鋼筋混凝土中鋼筋防銹最經(jīng)濟、有效的方法，特別適用于受氯化物污染的橋梁。

強制電流陰極保護系統(tǒng)由穩(wěn)壓直流電源、輔助陽極系統(tǒng)、參比電極、被保護鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、電纜等部分構(gòu)成。輔助陽極的作用是為電流提供回路，同時產(chǎn)生陽極電場，對于保護系統(tǒng)起著極為重要的作用，也是保護系統(tǒng)中價格最高的部件。在保護系統(tǒng)正常運行下，輔助陽極周圍主要發(fā)生析氧或析氯反應(yīng)：

陽極析氧反應(yīng) H2O→1/2O2+2H++2e-

陽極析氯反應(yīng) 2Cl-→Cl2+2e-

Cl2+H2O→HClO+HCl

可以看出上述反應(yīng)會降低電解質(zhì)的強堿性，應(yīng)控制輔助陽極的最大輸出電流以減少酸的生成。目前常用的輔助陽極系統(tǒng)有：焦炭瀝青陽極系統(tǒng)、導(dǎo)電聚合物堆砌陽極系統(tǒng)、無覆蓋層開槽陽極系統(tǒng)、導(dǎo)電聚合物網(wǎng)狀陽極、鈦基混合金屬氧化物陽極、導(dǎo)電涂料陽極系統(tǒng)、可噴涂的導(dǎo)電聚合物涂層陽極、噴鋅涂層、鈦涂層等。

3.2 犧牲陽極陰極保護

犧牲陽極陰極保護是通過比鋼筋電極電位更負(fù)的金屬或合金作為犧牲陽極，與混凝土中的鋼筋相接，二者之間形成一個腐蝕電池，鋼筋作為陰極，犧牲陽極則成為陽極。陽極與陰極間的電位差使得保護電流通過電解質(zhì)從犧牲陽極流向鋼筋，使得鋼筋得到保護。從上面可以認(rèn)為，犧牲陽極陰極保護是一種被動防護。

犧牲陽極保護法與陰極保護法相比無需外加電源（從而不會干擾鄰近設(shè)施），具有投資少，安裝維修方便，易于獲得良好電流分布等優(yōu)點，因此在艦船﹑海上設(shè)備﹑碼頭﹑地下管道等設(shè)施的保護上，得到了廣泛的應(yīng)用，但在我國的橋梁保護上應(yīng)用尚在起步階段。犧牲陽極的使用壽命一般不長，大多在10－15年左右。

目前，可用于鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的犧牲陽極系統(tǒng)主要有：鋅—水凝膠陽極系統(tǒng)，加速試驗表明，該系統(tǒng)的使用壽命可達12年；噴涂金屬陽極系統(tǒng)，其預(yù)期使用壽命可達10－15年；鋅網(wǎng)陽極系統(tǒng)，其使用壽命可達15－20年；埋入式犧牲陽極系統(tǒng)，其使用壽命可達10－20年。

4 結(jié)語

本文介紹了鋼筋混凝土橋梁的鋼筋銹蝕機理以及防腐方法。我國交通事業(yè)發(fā)展迅速，每年新建大量橋梁。陰極保護法對于防止橋梁鋼筋銹蝕極為有效，但這一技術(shù)在我國橋梁的防腐應(yīng)用中尚在起步階段，需要研究和開發(fā)。

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