鋼筋砼耐久性下降原因及提升方法?

周峰1，王銀輝1，2，李應根1

（1.重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074；2.浙江大學寧波理工學院土木建筑學院，浙江寧波 315000）

鋼筋砼耐久性下降原因及提升方法?

周峰1，王銀輝1，2，李應根1

（1.重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074；2.浙江大學寧波理工學院土木建筑學院，浙江寧波 315000）

從沿海地區砼耐久性現狀入手，分析了氯離子在砼中的擴散機理、氯離子引起鋼筋銹蝕的原因及影響氯離子在砼中擴散的因素，從“防”和“治”兩個角度討論了提升沿海地區砼耐久性的措施，并從耐久性下降的影響因素出發，將現有的耐久性加固方法分為物理切斷型、鋼筋保護膜型、陰極保護型和除氯并恢復鈍化膜型4種，綜述了上述方法的修復機理及注意事項，最后對氯離子引起耐久性下降的原因及耐久性提升方法進行了總結。

橋梁；鋼筋砼；氯離子；鋼筋銹蝕；耐久性提升

原交通部有關單位曾對中國華南地區7個港口18座碼頭進行調研，結果表明由于鋼筋銹蝕造成碼頭嚴重損壞的占80%，出現銹蝕的時間只有5～10年。華東沿海、北方沿海地區也存在類似問題。浙江大學土木工程所對位于甬江下游河口段的寧波某發電站進行調研，發現由于該地區屬海洋性氣候，常年遭受氯離子侵蝕，在升壓站的主要受力構件中，70%砼柱和25%砼梁存在嚴重縱向裂縫和鋼筋銹蝕，幾乎所有桁架都存在砼剝落、鋼筋外露等現象。2005年召開的第十六屆世界腐蝕大會指出，中國重大工程項目、城市基礎設施建設等因金屬腐蝕造成的損失每年已達到5000億元。提高砼耐久性，延長砼結構壽命已成為一個不容回避的問題。

1　氯離子引起砼耐久性下降的機理

砼結構耐久性是指在結構規定的使用年限內，在自然環境和使用環境下，不需要額外資金去加固處理而保證其安全性、正常使用和可接受外觀的能力。根據文獻［4］，鋼筋銹蝕是當今世界砼耐久性下降的首要原因。文獻［5］指出，當侵入砼內部的氯鹽質量達到砼質量的0.1%～0.2%時就可能引起鋼筋銹蝕。而沿海地區砼結構處于典型的海洋腐蝕環境，其耐久性問題尤為突出。下面從氯離子在砼中的侵蝕和氯離子引起鋼筋銹蝕機理方面闡述沿海地區砼耐久性下降的原因。

1.1氯離子在砼中的傳輸機理

氯離子在砼中的傳輸一般分為擴散、滲透和毛細作用等。在水下區，砼結構處于飽水狀態，海水中的氯離子主要在濃度梯度作用下向砼內部擴散。浪濺區的砼不斷經歷海水的浸濕和風干作用，氯離子侵蝕主要依靠砼表層的毛細作用和內部擴散作用。當海水浸濕砼時，砼表面靠毛細吸附作用吸收海水直至飽和，當外界干燥時，砼毛細孔道內的純水向外蒸發，孔道內的氯離子濃度增加，氯離子在濃度梯度作用下向砼內部擴散。

1.2氯離子引起鋼筋銹蝕的機理

水泥、砂、石子、外加劑等經水攪拌后硬化形成砼。水泥在水化過程中會產生大量Ca（OH）2，并以結晶的形式沉積于砼中，使砼保持高堿性，此時鋼筋表面形成鈍化膜，保證鋼筋長期不銹蝕。當水汽和氯離子等有害物質通過擴散、滲透和毛細作用進入砼孔道時，會使pH值降低，當pH值＜9時，鋼筋表面的鈍化膜被破壞，鋼筋遭受銹蝕，進而加劇保護層的破壞，形成銹蝕的惡性循環。氯離子加速鋼筋銹蝕的機理如圖1所示。

圖1　氯離子加速鋼筋銹蝕示意圖

鋼筋銹蝕的反應機理，陽極為：

陰極為：

氯離子催化中間銹蝕產物：

在氧氣和水的共同作用下，鋼筋表面失去電子形成Fe2+，在陽極周圍，Cl-優先于OH-與陽極產物Fe2+結合形成FeCl4·4H2O（綠銹），并向陽極周圍含氧量高的砼孔隙遷移。在此過程中，FeCl4· 4H2O形成Fe（OH）2（褐銹）并釋放出Cl-與H+，H+造成陽極周圍局部酸化，破壞鋼筋表面的鈍化膜，Cl-源源不斷地回到陽極帶出更多的Fe2+，使鋼筋加速銹蝕。其中Cl-參與反應，但并不被消耗，所以沿海地區高含量Cl-的環境為鋼筋銹蝕提供了加速條件，極大地影響了鋼筋砼的耐久性。

2　影響氯離子在砼中擴散的因素

氯離子是加速鋼筋銹蝕的首要原因。而氯離子在砼內部的擴散是一個復雜的過程，砼的材料因素、結構構造因素、環境因素及外界荷載等都對砼內部氯離子的擴散造成影響。

2.1影響氯離子擴散的內因

影響砼中氯離子擴散的內因包括材料因素、砼結構和構造兩方面。

（1）材料因素。材料因素對氯離子侵蝕的影響是指在拌制砼的過程中選用不同的礦物摻合料、膠凝材料品種、骨料品種和粒徑及不同水灰比對氯離子侵蝕的影響。邵偉才等通過試驗對比分析了粉煤灰和磨細礦渣對沿海地區砼耐久性的提升效果，結果表明在砼中摻加礦物摻合料能明顯提升砼的抗氯離子和硫酸根離子侵蝕的能力，相對于粉煤灰，磨細礦渣的抗氯離子侵蝕能力更強。N.FloresMedina等發現在火山灰硅酸鹽砼中單摻硅灰會使砼抗壓強度變大，但早期收縮開裂也變大，抗滲性變差；而按一定比例添加硅灰和聚丙烯短纖維，能減少早期開裂，且能降低砼透水性和碳化深度。選擇適當的水灰比，減小砼的孔隙率，對砼抗氯離子侵蝕能力具有重要作用。一般認為水灰比與氯離子擴散系數之間成線性關系，當水灰比＞0.5時，砼結構抵抗氯離子侵蝕的能力明顯降低。

（2）結構與構造。砼結構在外部荷載作用下會產生結構裂縫，增加氯離子侵蝕通道，選擇合適的結構、構造及合理的保護層厚度，能增加抗氯離子侵蝕的能力。

2.2影響氯離子擴散的外因

影響砼中氯離子擴散的外因為砼結構所受的環境因素，包括大氣環境和荷載環境。

（1）大氣環境。大氣環境為溫度、濕度及環境中氯離子濃度等外在因素的綜合。溫度的升高對砼耐久性有雙重作用，一方面，溫度升高會加速砼的水化反應，使結構變得更加密實；另一方面，溫度上升會加速水分的蒸發，使砼孔隙率變大，而且隨著溫度上升，砼內的結合態氯鹽會得到釋放，增加砼內自由態Cl-的含量，使砼內氯離子擴散能力增強。總的來說，溫度會加速氯離子在砼內部的擴散。文獻［12］指出，砼構件的腐蝕程度與海岸線的距離有關，以距離海岸線1000m為重腐蝕區和輕腐蝕區的界限。在垂直方向上，浪濺區氯離子濃度大于大氣區，且在一定濕度范圍內，氯離子的侵蝕速度與濕度具有耦合作用。在沿海地區，距離海平面和海岸線越近，氯離子濃度、環境濕度越大，砼構件的銹蝕現象越明顯。

（2）荷載環境。沿海地區砼構件在服役期間不僅受到大氣環境的影響，也遭受荷載的作用，應注意環境和荷載的耦合作用。文獻［14］在不同環境下對砼梁進行靜動力試驗，結果表明腐蝕環境和荷載環境對砼梁都有明顯影響，且兩者具有耦合作用，腐蝕環境下的疲勞荷載影響更甚。砼橋墩主要承受上部結構傳遞的豎向應力，也承受汽車的橫向制動力。文獻［15］指出，汽車制動對橋墩產生的拉應力及加卸載會降低橋墩對氯離子的抗侵蝕能力，但當壓應力不超過0.3倍抗壓強度時，其抗氯離子侵蝕能力有所提高。

綜上，影響氯離子在砼中擴散的因素分為內因和外因，選用合適的砼摻合料、合理的砼級配及適宜的水灰比等能對砼抗氯離子侵蝕起積極作用；砼構件的大氣環境和荷載環境對氯離子的擴散具有耦合作用，該作用對砼不同部位的構件影響不同，尤其應注意腐蝕環境下砼梁所受的疲勞荷載。

3　砼耐久性提升方法

3.1 設計階段砼耐久性提升方法

《混凝土結構耐久性修復與防護技術規程》中指出，砼耐久性提升可從“防”和“治”兩個角度出發。“防”就是在特定環境下，在砼結構設計初期從結構設計、構造和材料選擇方面預防砼耐久性下降。

3.1.1砼的結構設計

在設計砼結構時，砼截面幾何形狀應平整順滑，砼表面形狀應便于排水，整體結構應透氣通風，局部構件的設計應便于施工，關鍵部位的構件設計應考慮到后期的檢測和維修。

3.1.2砼構造

在砼構造設計方面，應處理好各構件的連接問題，使結構變形協調；合理布置鋼筋間距，使振搗充分；宜將受力鋼筋和構造鋼筋封閉成鋼筋籠，提高結構整體性；對海洋環境中不同部位的砼設置不同的保護層厚度，其中浪濺區的厚度不低于90mm，大氣區不低于75mm。

3.1.3砼材料的選擇

主要從水泥品種、骨料級配、外加劑和砼摻合料等方面選擇砼原材料。沿海地區的砼結構宜選用質量符合國家標準要求的硅酸鹽水泥；骨料應堅實耐久，各級骨料之間級配良好；砼外加劑應對砼質量無影響，氯離子含量滿足要求；宜選用能顯著提高氯離子擴散性能的砼摻合料，如粉煤灰、硅灰、高爐礦渣等。

3.2既有砼耐久性提升方法

既有砼耐久性的提升即《混凝土結構耐久性修復與防護技術規程》中的“治理”，是指既有砼結構出現病害后，人為地選擇合適的材料和工藝進行修復，達到延長使用壽命的目的。如前所述，氯離子加速鋼筋銹蝕的原因是氯離子“擊穿”鋼筋表面鈍化膜，使鋼筋與周圍氧氣和水接觸發生電化學反應。在銹蝕過程中，氯離子、鋼筋表面鈍化膜、陽極脫鈍后的鋼筋、通過孔隙進入砼內部的水與氧氣是影響鋼筋銹蝕的四大因素。因此，從鋼筋銹蝕機理出發，將既有砼耐久性加固方式分為物理切斷型、鋼筋保護膜型、陰極保護型和除氯并恢復鈍化膜型4種。

3.2.1物理切斷有害物質通道型

物理切斷型修補法是通過切斷氯離子、水和氧氣等有害物質進入砼內部的通道來提升砼耐久性。該方法主要用于在使用過程中受到自然損壞和外力損壞的砼結構，如蜂窩、麻面、裂縫和鋼筋銹蝕等，對于耐久性下降嚴重的砼構件一般需先采取結構補強。結構加固包括加大截面加固法、外包鋼加固法、粘貼鋼板加固法和預應力加固法等，在加固這類結構時，需鑿除已劣化的砼保護層，對內部已銹蝕的鋼筋作除銹處理。物理切斷有害物質通道型包括表面處理法、灌漿法和填充法等。

（1）表面處理法。對于表面出現裂縫但對結構強度影響不大的砼構件，常采用表面處理法，采用彈性涂膜防水材料、聚合物水泥膏及滲透性防水劑等恢復結構防水性和耐久性。

（2）灌漿法和填充法。灌漿法和填充法的修補原理相似，都是將修補材料填充于砼縫隙內部達到恢復砼構件防水性、耐久性及部分整體性的目的。填充法適用于裂縫寬度較大的砼結構，其填充料多為環氧樹脂、環氧砂漿、聚合物水泥砂漿等。

物理切斷型修補法通過填充料等修補材料修復砼構件的裂縫，減小砼孔隙率，達到減小外部有害物質進入砼內部的目的，從而保證砼耐久性。該類方法加固原理較簡單，施工方便，但需注意填充料和修補材料的選擇，保證能切實切斷有害物質通道，使砼內部鋼筋不再銹蝕。

3.2.2鋼筋保護膜型修補法

氯離子“擊穿”鋼筋鈍化膜，激活鋼筋發生陽極反應，造成鋼筋銹蝕。鋼筋保護膜型修補法的阻銹原理是在“激活鋼筋”表面重新生成保護膜，隔絕鋼筋與氯離子、氧氣和水等有害物質，達到抗銹的目的。鋼筋保護膜型修補法的代表是遷移性阻銹劑和電遷移性阻銹劑。

（1）遷移性阻銹劑。遷移性阻銹劑（MCI）為以胺、醇胺及其鹽或酯為主的混合型水溶液或水乳液，將其涂于受氯鹽侵蝕的砼表面，MCI以水為介質，通過擴散和毛細作用進入砼內部，如改變金屬局部組成的阻銹劑，當阻銹劑進入砼到達鋼筋表面時，會在鋼筋表面形成穩定的單分子或多分子膜，將水分和氯離子與鋼筋隔離，達到阻銹目的。

（2）電遷移性阻銹劑。由于MCI通過水的毛細作用和擴散作用達到鋼筋表面的歷時較長，對于保護層較厚的砼其阻銹效果不明顯，因而電遷移性阻銹劑得到發展。洪定海等所研制的BE型阻銹劑在電場作用下能迅速電遷移厚達10cm砼內，并取得良好的阻銹效果。

鋼筋保護膜型修補法多用于受氯鹽侵蝕但尚未影響結構承載力的砼構件。在選用阻銹劑時需考慮阻銹劑對環境的影響、阻銹劑的滲透速度和阻銹劑的穩定性等。

3.2.3陰極保護型

陰極保護法的耐久性機理是防止在鋼筋表面形成腐蝕電池，它分為犧牲陽極法和外加電流輔助陽極法。犧牲陽極法是在鋼筋上連接一塊更為活躍即電位更負的金屬或合金，使該金屬或合金充當陽極，替代鋼筋失去電子，而鋼筋充當受保護的陰極；外加電流輔助陽極法是將直流電的負極與鋼筋相連，正極與難溶性陽極相連，從而提供保護電流。外加電流輔助陽極法在俄勒岡州沿海地區橋梁上得到了應用，使超過40000m2的橋面得到修復。

陰極保護型耐久性加固能對鋼筋進行長期有效的保護，但陰極保護法是一種動態的保護方法，在建設初期往往需對砼結構預設保護系統，平時需專人看護，運行維護成本較高。

3.2.4除氯并恢復鋼筋鈍化膜型

除氯并恢復鈍化膜型修補法通過移除砼內部游離態氯離子并恢復鋼筋表面鈍化膜達到恢復砼耐久性的目的，其適用于沿海地區氯離子侵蝕較為嚴重的砼結構，代表方法為電化學脫鹽法和雙向電滲法。

（1）電化學脫鹽法。電化學脫鹽法是一種無損的電化學修復法，適用于沿海地區同時受氯離子侵蝕和碳化的地區。電化學脫鹽法以鋼筋作為陰極，外部電極作為陽極，在鋼筋和外部電極之間通直流電，在電場的作用下，鋼筋附近的水得電子生成OH-并與Cl-共同向砼表面移動，不僅減小砼內部氯鹽的含量，也使砼表面pH值得到恢復。

（2）雙向電滲法。文獻［19］在電化學脫鹽的基礎上提出了雙向電滲的方法，即在外部電解液中加入陽離子阻銹劑，不僅遷出砼內部的氯離子、達到砼再堿化，也使鋼筋表面形成一層阻銹劑，防止鋼筋銹蝕。雙向電滲法的原理如圖2所示。

圖2　雙向電滲法原理示意圖

除氯并恢復鈍化膜型加固法能從根源上消除氯離子，并恢復砼堿性環境，但存在設備復雜、施工要求較高、除氯后會影響鋼筋與砼之間握裹力等問題。

4　結論

（1）由于沿海環境砼構件長期遭受氯離子侵蝕，鋼筋銹蝕現象嚴重，耐久性問題突出，對國民經濟的增長造成很大影響。

（2）氯離子以水為介質，通過毛細作用和濃度擴散等途徑進入砼內部，造成鋼筋附近的局部酸化，破壞鋼筋鈍化膜，加速鋼筋銹蝕的進程。

（3）砼的材料、結構與構造、外部環境等因素都會對氯離子在砼中的擴散產生影響，在砼結構設計時應加以考慮。同時由于建筑物上不同部位砼所處的環境條件和建筑物的重要性等級不同，應采取不同的防腐要求和措施。

（4）氯離子、鋼筋表面鈍化膜、脫鈍后的鋼筋及氧氣和水是影響鋼筋銹蝕最重要的四大因素，從控制上述4個銹蝕機理出發，可將耐久性提升方式分為四類，每類耐久性加固方式都有其優勢和局限性，應根據建筑物實際損傷情況及重要性等級等合理選用加固方法。

（5）砼結構耐久性的提升不僅要從設計階段進行“預防”，損傷后進行“治理”，在平時的運營過程中也需進行定期檢測，發現問題及時修復，實現砼構件的“長治久安”。

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1671-2668（2016）04-0176-04

?寧波市科技創新團隊項目（2011B81005）

2016-03-20