混凝土中鋼筋的腐蝕防護技術(shù)研究

侯 靜

（大慶油田工程項目管理有限公司天宇設(shè)計院，黑龍江 大慶 163111）

0 引言

鋼筋混凝土因其經(jīng)濟性、多功能性和耐用性成為建筑行業(yè)最常用的材料。但大氣腐蝕、電腐蝕和應(yīng)力腐蝕會影響混凝土結(jié)構(gòu)的性能和外觀，縮短基礎(chǔ)設(shè)施使用壽命。腐蝕是一種電化學(xué)過程，當(dāng)混凝土中的鋼筋表面存在電位差時，混凝土具備了形成電化學(xué)電池所須的全部條件：鋼筋上的陽極和陰極區(qū)域組成兩極，水泥中的孔隙水充當(dāng)電解質(zhì)。

隨著水泥開始水化，鋼筋表面開始形成一層由γ-Fe2O3組成的保護性鈍化層，厚度范圍為5～10nm，這層保護膜阻止了鋼材與周圍混凝土之間的離子交換，從而降低了腐蝕速率。但當(dāng)氯化物進入混凝土中或混凝土自身的pH值發(fā)生變化時，這層保護膜就容易被破壞從而引起腐蝕[1]。此外，氧化鐵等腐蝕產(chǎn)物的體積是鐵的2～4倍，這會對混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，最終導(dǎo)致混凝土剝落和開裂，從而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)的破壞[2]。

為了解決鋼筋的腐蝕問題，從業(yè)人員開展了陰極保護、電化學(xué)除氯和鋼筋表面處理等防腐措施研究[3]，但這些方法都有各自的優(yōu)點和缺點。

1 混凝土中鋼筋的防腐技術(shù)

鋼筋水泥復(fù)合材料的腐蝕控制方法主要有陰極保護、電化學(xué)除氯、鋼材表面處理、混凝土表面處理、礦物外加劑和化學(xué)緩蝕劑的利用。下面予以分別介紹。

1.1 陰極保護技術(shù)

Stratfull于1957年首次報道了陰極保護技術(shù)對橋梁中的鋼筋具有良好的腐蝕保護效果，1972年該技術(shù)開始被正式應(yīng)用于被除雪劑污染的公園橋表面。隨后被逐步應(yīng)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕防護中[4]。

陰極保護主要有兩種方式：犧牲陽極保護法和外加電流保護法。其中犧牲陽極法是采用活性金屬作為輔助陽極，將其與被保護的鋼材相連，活性金屬和被保護金屬之間的電勢差使被保護鋼材的整個表面都帶負電并成為陰極。通常作為犧牲陽極的金屬是鋁、鋅和鎂，該方法無需外部電源，維護成本低。

相比之下，外加電流保護法需要外接電源（通常＞50V）和嵌入混凝土中的惰性陽極材料。正極連接正極材料，負極連接待保護的鋼材，正極和負極之間用電解質(zhì)（混凝土）隔開，該系統(tǒng)需要消耗大量電能，還需要專門的維護管理系統(tǒng)，成本相對 較高。

1.2 電化學(xué)除氯技術(shù)

電化學(xué)氯化物技術(shù)（ECE）的目的是從鋼筋和混凝土結(jié)構(gòu)中去除腐蝕性較強氯離子。這種方法類似于陰極保護，但有兩個主要區(qū)別：首先，用于外加電流陰極保護的電流密度遠低于ECE；其次，ECE的外部陽極是臨時的（通常不超過10周）。相對而言，ECE技術(shù)更具有優(yōu)勢，因為它不需要定期維護。其工作原理是在鋼筋和固定在混凝土表面的外部陽極金屬之間施加電場，電源正極接正極，負極接混凝土鋼筋，當(dāng)施加外加電流時，陰離子（如Cl-）被吸引到放置在混凝土表面的外部陽極處，而陽離子（如Na+、K+）則向鋼筋遷移，從而在鋼筋表面上產(chǎn)生氫氧根離子（OH-）。通常情況下，8周內(nèi)氯化物含量可降低70%左右。

1.3 鋼材表面處理

為了降低使用成本，施工現(xiàn)場通常使用低碳鋼制作的鋼筋，但由于低碳鋼的防腐蝕性能相對較差，會影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。為了在不大幅度增加使用成本的同時還能提高建筑物的預(yù)期使用壽命，科研人員開發(fā)了鍍鋅法、環(huán)氧樹脂覆膜法和水浸法等鋼材表面處理技術(shù)。鍍鋅法是通過犧牲陽極來提高鋼材的耐腐蝕性；環(huán)氧樹脂覆膜法是在鋼筋表面包覆一層環(huán)氧樹脂膜，從而減少化學(xué)腐蝕；水浸法是將鋼筋在水中浸泡2天，在鋼材表面形成黑色的氧化層，使鋼材表面的成分更加均勻，從而提高耐腐蝕性。此外，該氧化層還可以改善混凝土和鋼筋之間的結(jié)合強度，相對而言，水浸法最為簡單和經(jīng)濟。

1.4 混凝土表面處理

氯化物、CO2等可以進入混凝土內(nèi)部使混凝土產(chǎn)生耐久性問題（如碳化、氯化物侵蝕和硫酸鹽侵蝕等），因此，混凝土表面的滲透性能被認為是影響整個混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要因素之一。混凝土表面處理劑可分為有機處理劑和無機處理劑。有機處理劑的優(yōu)點是阻隔性能較好，缺點是耐火性差、易開裂脫落和使用壽命短。有機處理劑的主要種類有：丙烯酸、氯化橡膠、丁二烯共聚物、聚乙烯共聚物、環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂、聚氨酯、煤焦油和聚合物改性水泥涂料。根據(jù)表面處理性質(zhì)分為表面涂層、疏水浸漬、孔隙阻塞處理和多功能表面處理四種類型。

相對而言，無機表面處理劑具有更好的耐久性能。最常用的無機表面處理劑有硅酸鈉、硅酸鋰、硅酸鉀和氟硅酸鹽，它們能夠部分或完全堵塞混凝土表面的微孔隙，從而增加表面層的抗?jié)B性。

1.5 混凝土外加劑

外加劑是添加到混凝土混合物中的固體或液體物質(zhì)，可以增強或改善混凝土的各項性能。目前最常用的外加劑有粉煤灰、硅粉、高爐礦渣和偏高 嶺土。

粉煤灰是煤燃燒的副產(chǎn)品，是制造高性能混凝土的重要原料。研究表明，粉煤灰在早期不會降低混凝土的擴散系數(shù)，但在后期，其擴散系數(shù)顯著降低。研究表明，使用15%～35%的粉煤灰代替水泥材料，可以降低混凝土的孔隙率，并通過增加水泥復(fù)合材料的電阻率使混凝土具有良好的耐久性和防腐蝕能力。

硅粉是制造工業(yè)硅和硅合金時的副產(chǎn)品。其中SiO2含量達到99%以上，其粒徑比水泥顆粒細約100倍。添加到水泥基復(fù)合材料中時，由于其粒徑小，比表面積大，可迅速進行水化反應(yīng)，從而改善水泥基復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，并降低了水泥基復(fù)合材料在各個階段的擴散系數(shù)。在混凝土中摻入3～5%的硅粉即可顯著增強水泥基復(fù)合材料的機械強度和耐久性。在混凝土中加入10%的硅粉，可將氯離子的表觀擴散系數(shù)降低70%以上，將使用壽命提高270%以上。

高爐礦渣，俗稱礦渣，是鋼廠煉鋼過程中產(chǎn)生的一種副產(chǎn)物，它主要由氧化鈣、氧化硅、氧化鋁等氧化物組成。當(dāng)?shù)V渣用作混凝土添加劑時，它會與水泥和水發(fā)生反應(yīng)，優(yōu)化混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)并增強水泥石強度，從而改善混凝土的機械強度和耐久性。與普通水泥基復(fù)合材料相比，混合了礦渣的水泥基復(fù)合材料的擴散系數(shù)顯著降低，大大減少了腐蝕物質(zhì)的遷移，從而提高了鋼筋的抗腐蝕性能和預(yù)期使用壽命。

將高嶺石在500～800°C的溫度范圍內(nèi)進行煅燒即可獲得偏高嶺土。由于偏高嶺土具有粒徑小、表面積大、反應(yīng)迅速的特性，將其加入到混凝土中可以改善水泥漿體的微觀結(jié)構(gòu)，從而增強混凝土的機械性、耐久性，加入5%～10%的偏高嶺土還可顯著提高鋼筋混凝土的耐腐蝕性能。

1.6 化學(xué)緩蝕劑

將化學(xué)緩蝕劑加入到水泥復(fù)合材料中后，可以有效減緩嵌入鋼筋的腐蝕速率，并且對水泥復(fù)合材料的其他性能沒有不良影響[5]。與其他腐蝕控制技術(shù)相比，化學(xué)緩蝕劑具有經(jīng)濟性和通用性等優(yōu)點，具有很大的應(yīng)用優(yōu)勢。

陽極緩蝕劑。這類緩蝕劑吸附在金屬陽極表面形成薄膜，通過增加金屬的腐蝕電位和降低腐蝕電流密度來降低腐蝕速率。但實際使用過程中，陽極緩蝕劑必須覆蓋金屬的整個表面。如果緩蝕劑濃度不夠，未完全覆蓋，暴露出來的部分會引起點蝕。常用的陽極緩蝕劑有亞硝酸鹽、硝酸鹽和苯甲酸鹽等。

陰極緩蝕劑。這類緩蝕劑通過在金屬陰極表面形成不溶性沉淀物屏障，進而降低金屬的腐蝕電位和腐蝕電流密度達到降低腐蝕速率的目的。陰極緩蝕劑的作用效果略差于陽極緩蝕劑，但其更為安全有效。常用的陰極緩蝕劑有硅酸鹽、磷酸鹽和多磷酸鹽。鋅、鎳和鎂的離子可與水中的羥基反應(yīng)形成不溶性氫氧化物，它們沉積在金屬表面的陰極部位形成屏蔽層，也是較為常用的陰極緩蝕劑。

混合緩蝕劑。這些緩蝕劑通過吸附作用同時作用在金屬的陽極和陰極上，主要通過降低腐蝕電流密度來降低腐蝕速率。這類緩蝕劑主要包括胺類、氨基醇類、磺酸鹽類、酯類以及帶有疏水基團的化合物。

2 結(jié)論和展望

鋼筋混凝土的腐蝕控制方法包括陰極保護、電化學(xué)除氯、鋼筋表面處理、混凝土表面處理、混凝土外加劑和化學(xué)緩蝕劑。其中化學(xué)緩蝕劑法具有施工簡單、成本低、防腐效果好的等優(yōu)點，綜合來看，是最值得推薦的鋼筋保護方法。但每種方法都有一定的優(yōu)點和缺點，在施工過程中應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行因地制宜的選擇。

有必要對鋼筋混凝土的防腐技術(shù)開展更多的研究，以期開發(fā)出更為經(jīng)濟、耐用、環(huán)保且不會對混凝土和鋼筋的結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生不利影響的腐蝕防護 方法。