摘要：钢筋混凝土是世界上应用范围最广的建筑材料之一。目前有大量的钢筋混凝土结构遭到由钢筋锈蚀导致的破坏，使其服务寿命低于设计值或预期值。近年国外(主要是英国)用于修补和修复由钢筋锈蚀破坏的建筑结构的技术方法包括常规的打补丁修补和涂层修补方法、阴极保护、电化学氯化物萃取(电化学除盐)、再碱化和使用阻锈剂等。
关键词：钢筋混凝土；锈蚀破坏；混凝土修补；阻锈剂
钢筋锈蚀会引起钢筋混凝土结构的过早破坏。早在1991年，美国Metha教授就将钢筋锈蚀列为比寒冻和侵蚀破坏更为严重的第一位的混凝土破坏原因。混凝土中钢筋锈蚀问题已经成为北美和欧洲国家土木工程研究领域的关注重点，因为这些地区的建筑物已经老化，建筑物、桥梁、码头和其他使用钢筋混凝土的结构出现了大量问题，并带来了巨大的经济损失。
目前已经有多种研究混凝土中钢筋锈蚀机理的试验和评估方法。本文总结国外常用的钢筋锈蚀破坏混凝土的最新修复方法、作用原理和应用技术。这些修补和保护技术包括补丁修补，涂层、密封和薄膜保护，阴极保护，电化学氯化物萃取，再碱化和使用阻锈剂等。
在实际应用中，很少单一使用一种修补或保护技术。大多数情况下，对钢筋锈蚀破坏混凝土结构的修复是由补丁修补开始的，再接着对补丁混凝土进行涂层保护处理，然后可能再采取其他进一步的保护措施。
1 补丁修补方法(patch repairs)
1.1 原理
补丁修补即在发生钢筋锈蚀破坏的混凝土部位凿除胀裂或剥落的混凝土，再用新的混凝土或砂浆修补抹平的方法。现在使用的补丁材料可使修补区域的混凝土获得良好的耐久性。但打补丁常会引起相邻区域混凝土中的钢筋发生锈蚀，这种现象称为“初发阳极”效应。该现象一般发生在由氯离子引发的钢筋锈蚀破坏的结构中，这时阳极区域较大且范围明显。
1.2 应用
补丁修补方法可用于大多数的钢筋混凝土结构，但应当使用适当的修补材料，并按正确的方法操作。
国外有公司专门生产销售补丁修补用材料。这些材料包括可用于原基体混凝土表面的胶结涂层材料和用于钢筋表面的防锈漆。施工时可用手工方法将已拌合的流动性灌注料浇筑在模板中或喷覆在钢筋表面。
无论使用何种修补材料，均要求将锈蚀破坏部位的混凝土剥离直至露出未损坏的混凝土和钢筋，并处理钢筋表面。修补材料的收缩率应较小，对已打的补丁应进行良好的养护，以尽量减少修补区域开裂的危险。
英国Aston大学近来开发了一种在补丁修补材料中加入牺牲阳极组分而制得的复合修补材料，目前已经由一家生产混凝土修补材料的英国公司正式生产。
2 涂层、密封和薄膜覆盖保护(coating, sealed and membranes)
2.1 原理
这些材料的作用原理是阻止外部氯离子、二氧化碳或水分侵入混凝土内部，从而延缓钢筋的去钝化和锈蚀过程。若氯离子的浓度高于引发钢筋锈蚀的临界值，或钢筋周围的混凝土已完全碳化，则锈蚀会继续进行；若钢筋去钝化的范围很小并且能够修补，则涂层可以延缓甚至终止锈蚀的扩展。
2.2 应用
在欧洲，通常在氯离子侵入新建的混凝土结构前，就使用硅烷和防水材料对混凝土进行保护性的预处理。当发现有锈蚀发生时，通常在修复过程中会使用抗碳化涂层。涂层通常在进行电化学氯化物萃取、再碱化或阻锈剂处理后再施用，以延缓侵蚀性介质的进一步侵入。使用气相阻锈剂时，这些材料还可以防止气相阻锈剂的挥发。
3 阴极保护(cathodic protection)
3.1 外加电流阴极保护(impressed current cathodic protection)
这种保护方法由一个阳极系统、一个直流电源和探测器以及导线组成。阴极保护技术中最重要的是阳极的选择。目前，国外常用的阳极材料系统包括覆盖于混凝土表面的导电涂层，放于混凝土覆盖层中的用混合金属氧化物涂覆的网片、导电砂浆覆盖层，以及放在长缝中带涂层的钛金属带或放在混凝土孔洞中的各种导电材料。
可使用的涂层材料包括多种组成的碳漆、热喷金属(如锌)以及近年出现的带有电解质涂层的钛。覆盖层系统为湿喷的导电砂浆或是固定于混凝土表面并用水泥砂浆覆盖的钛金属格栅或网片。探测器为放在水泥砂浆中的带涂层的钛金属带或片、导电陶瓷管或是放在含碳的回填料中的带涂层钛棒。
3.1.1 原理
阴极保护的原理很直观。钢筋表面形成阴、阳极而导致锈蚀的发生，锈蚀发生在阳极区域，在阴极处发生无害的还原反应。通过外加电流和外加阳极，钢筋将全部被迫变成阴极，而此时的阳极是一种腐蚀速度很小或可以通过阳极反应来控制的材料。
31.2 应用
外加电流阴极保护已应用于所有条件下的大部分钢筋混凝土结构中，包括住宅、办公楼、医院和学校建筑，桥梁，隧道，码头和防波堤，水塔，工业厂房，停车场等。
这种方法主要用于由氯离子侵蚀导致钢筋锈蚀的结构中，氯离子来自于混凝土本身、海水或除冰盐。近年来这种方法也在钢筋框架砌体结构中得到应用，以防钢筋框架的锈蚀膨胀使砌体结构开裂。
在国外一些可能遭受氯离子侵蚀的新建重要建筑中，也采用了阴极保护作为钢筋锈蚀的预防措施。处在地下水、涌浪区和浪溅区之间的界面区对阳极的选用、安装和控制带来了很多问题，这是阴极保护应用领域的一个研究热点。
3.2 伽伐尼阴极保护(galvanic cathodic protection)
伽伐尼系统或称牺牲阳极保护系统不可控制，因此比外加电流阴极保护系统更简便，更有吸引力。该系统通常由置于混凝土表面并且与钢筋直接相连的锌片组成。有一些研究使用铝锌合金或其他金属（如铝）进行过试验。
3.2.1 原理
伽伐尼阴极保护系统的原理与外加电流阴极保护相同，但所用阳极是比钢筋更有活性的金属，因此被优先消耗，产生阴极保护电源。阳极和阴极之间的电势差与环境以及阴阳极材料的相对电势差有关。电流取决于电势差和电阻。因为电流和电势差不可控制，因此不能保证系统发挥有效的保护作用，而且需要低电阻的使用环境。
3.2.2 应用
在一些结构中使用了伽伐尼阴极保护技术。在美国佛罗里达州keys的桥梁下部结构浪溅区，采用该技术进行防锈保护。这些桥梁的下部结构中使用了带环氧涂层的钢筋和预应力混凝土桩，所用阳极材料为热喷锌或用夹具固定于结构表面的锌片，这是伽伐尼阴极保护最为有效的使用。有些工程中使用了表面带有粘胶的锌片作为阳极材料。
最新的一个发展是使用化学物质提高阳极周围的湿度，用以提高系统的效能，该技术的发明者在英国进行了初期试验，使用某些化学物质作为湿润剂，可使系统保持较好的电流水平。
4 电化学氯化物萃取(electrochemical chloride extraction)
4.1 原理
该技术使用一个临时阳极(一般为活化钛板网或镀铂钛阳极)，而且传导很高的电流(大约每平方米的钢筋或混凝土表面为1A)，电压为10~40V，这样可以把氯离子从钢筋表面拉下来，电解质采用饱和石灰水或自来水。很大一部分(50~90%)的氯离子可从混凝土中除掉，使钢筋周围的氯离子被迅速清除，钢筋在很大程度上重新钝化。除了阳极和电源为临时性之外，其装置与外加电流阴极保护系统相同。
4.2 应用
电化学氯化物萃取可在许多应用阴极保护的场合使用。在混凝土中钢筋分布较密、氯离子穿过第一层钢筋但未渗透很深且以后不会再次被氯离子污染的情况下，使用电化学氯化物萃取会取得最好的效果。在欧洲和北美洲地区，该技术已经应用于公路、停车场和其他一些结构的保护中。
5 再碱化(realkalization)
5.1 原理
就原理而言，再碱化可看成是电化学氯化物萃取技术的碳化型，即带有一个临时阳极和电源，而且阳极系统与电化学氯化物萃取技术所用的相同，但是比电化学氯化物萃取技术处理的时间短(一般只需几天到二十几天时间)。使用碳酸钠作为助剂在混凝土和钢筋周围重新生成碱性环境，通常碳酸钠溶液的浓度为0.5~1mol/l。
5.2 应用
该方法主要用于对由碳化引发钢筋锈蚀的建筑结构的保护，如住宅楼、办公楼和水塔、拱桥等，并且结构至少具有适当的钢筋保护层厚度(大于10mm)。据Norcure的统计，从1987~1995年中，该方法已在英国、德国、北欧、北美及日本和中东约20个国家和地区得到推广使用，处理的建筑面积有18.2万m2。挪威已在1995年将该技术列为混凝土修补的国家标准，欧洲还于1994年制定了推荐标准。
6 钢筋阻锈剂(steel bar corrosion inhibitors)
6.1 原理
混凝土中钢筋锈蚀为电化学反应，包括阳极和阴极两种反应。阻锈剂的作用机理在于能优先参与并阻止这两种或其中一种反应，且能长期保持稳定状态，从而有效地阻止钢筋的锈蚀。
按照作用类型，现有的阻锈剂主要有如下几种：
(1) 亚硝酸盐，是一种掺入混凝土拌合物中的阳极型阻锈剂；
(2) 单氟磷酸盐，在混凝土中水解可产生较高碱性的环境，有助于保护钢筋表面的钝化态；
(3) 有机型阻锈剂，包括掺入型和迁移型有机阻锈剂，可在钢筋表面形成分子层作为保护膜，阻止钢筋锈蚀，既可阻止阳极反应，又可以阻止阴极反应。
6.2 应用
从理论上讲，阻锈剂可应用于任何情况下的混凝土结构。
目前使用的亚硝酸盐阻锈剂以亚硝酸钙为主。在美国和日本，亚硝酸钙阻锈剂从1978年开始大量应用。截至1998年，美国、加拿大、日本、英国和中东国家，应用该型阻锈剂的混凝土结构超过600座， 混凝土量超过2000万m3。
单氟磷酸盐是较新的阻锈剂，于20世纪80年代末在加拿大首次应用。使用时，在混凝土表面涂抹单氟磷酸盐水溶液，使之渗透至混凝土中钢筋的表面，使钢筋锈蚀得到抑制。
迁移型有机阻锈剂是一种更为新颖的阻锈材料，主要成分为胺与链烯胺有机酸或无机酸的盐类，其特点是蒸气压很低，可以以气相在混凝土中扩散很深，可掺在修补砂浆中或单独使用，涂覆混凝土表面，依靠气相扩散作用到达钢筋表面阻止锈蚀，而不需将尚未被胀裂的混凝土凿除。目前，美国和瑞士等几个国家已经生产这类阻锈剂，并且取得了较好的使用效果。
7 结语
对于发生钢筋锈蚀破坏的钢筋混凝土结构，目前有多种可供选择的处理方法，包括打补丁修补、使用涂覆材料、薄膜或密封剂进行修补和保护、采用阴极保护措施、使用电化学除盐或对混凝土进行再碱化处理以及使用阻锈剂。这些方法各有其技术上的优缺点，必须正确使用。
处理方法是单独使用某一种还是多种方法组合使用，取决于处理方法的技术优越性、对结构的适应性以及综合经济成本分析。
