利用钢筋阻锈剂来提高桥梁钢筋混凝土结构的耐久性

　　摘要：钢筋锈蚀在混凝土结构中大量存在，是混凝土结构耐久性破坏的主要形式之一。引起钢筋锈蚀的原因有很多，其中以氯腐蚀与碳化(中性化)的影响作用最为明显。使用钢筋阻锈剂是一种比较经济有效的保护措施，能够明显提高结构的抗锈蚀能力和耐久性。本文对钢筋阻锈剂的应用背景、阻锈性能等进行了简要介绍，并与传统方法进行了对比分析，结果表明：使用阻锈剂技术具有更经济及应用方便的特点。随着我国对混凝土耐久性认识水平的不断深入与重视，钢筋阻锈剂应该能得到更大的发展。

　　1．应用背景

　　但随着服役时间的延长，钢筋混凝土桥梁结构中会出现各种各样的病害。如果混凝土材料的施工质量不好，或结构物设计有缺陷等、都会加速病害的发生和发展速度。采用高质量的材料、优良的施工和设计质量、可以提高新建桥梁的耐久性，但仍然有许多理由需要对这些新桥进行保护以便使其能达到或超过设计服役寿命。对已经服役一定时间的桥梁，则更要进行经常性的保护和维修，以便使其经常处于良好的条件下，延长服役寿命[1]。

　　在影响桥梁钢筋混凝土结构耐久性的诸多因素中，钢筋锈蚀问题举足轻重。在1991年召开的第二届混凝土耐久性国际学术会议上，Metha教授指出：“当今世界混凝土破坏原因按重要性递减顺序排列是：钢筋锈蚀、寒冷气候下的冻害、侵蚀环境下的物理化学作用”[2]。他明确将“钢筋锈蚀”排在影响混凝土耐久性因素的首位，而来自海洋环境和使用除冰盐引来的氯腐蚀与来自CO2和SO2等的混凝土中性化又是造成钢筋锈蚀的主要原因。 

　　1998年美国运输部门给国会的关于美国公路与桥梁状况的报告中指出：“现在积压着有待修补的混凝土桥梁的维修费是1550亿美元”[3]。美国公路研究战略计划披露，到20世纪末，为更换或修复冬天撒除冰盐引起的破损公路混凝土桥面板，估计要耗资4000亿美元，其中大部分是由钢筋锈蚀引起的。在英国，根据运输部门1989年的报告：英格兰和威尔士有75％的钢筋混凝土桥梁受到氯离子侵蚀，维护维修费用是造价的两倍[4]，为解决海洋环境下钢筋混凝土结构锈蚀与防护问题，每年花费近20亿英镑[5]。在日本、苏联、瑞士、法国、加拿大及海湾国家等，都有大量以氯盐为主的钢筋腐蚀破坏问题[6]。

　　近年来，国内铁路混凝土梁由于环境恶化等一系列原因导致病害的数量急剧增长，已成为桥梁维护工作者的一大难题。据1998年秋检统计资料，全路桥梁不合格率为19.39％，其中较为严重的病害包括严重裂损、严重漏水和承载能力不足等。国内公路及市政部门，也有类似的情况。像北京、天津的钢筋混凝土立交桥，很多虽然使用时间还不长，却已广泛显示钢筋锈蚀和混凝土顺筋胀裂的破坏迹象，从而过早地失去了使用功能[7,8]。

　　考虑和制定桥梁钢筋混凝土结构的锈蚀对策具有重要意义。

　　2．提高钢筋混凝土结构抗锈性能的常用方法

　　2.1 机械除锈法

　　机械除锈法属于传统方法。这种方法首先通过人工或高压水喷射，去除因钢筋锈胀开裂产生的混凝土表面松散层，然后进行修补或替换已锈蚀的钢筋，在钢筋表面涂刷阻锈层，再用密实水泥砂浆或细石混凝土覆盖抹平。即使修补质量较好，但修补处的砂浆或混凝土与周围混凝土含盐量不同，密实性差，有可能构成新的宏观腐蚀电池，使邻近这个界面的混凝土中的钢筋形成新的阳极区，加速钢筋锈蚀。另外，这种方法施工比较麻烦，工期较长，施工质量不易控制。

　　2.2 环氧涂层钢筋法

　　这种方法是在钢筋表面静电喷涂一层环氧树脂粉末，形成具有一定厚度的一层坚韧不渗透连续的绝缘层，可以隔离钢筋与腐蚀介质的接触。使用这种钢筋会使钢筋与混凝土之间的粘合力降低35%，并且需要严格注意不得破坏涂层。因为一旦涂层破损后，钢筋的锈蚀速率反而会加快，因为在涂层的静电喷涂过程中会清除原有的钢筋表面氧化膜。

　　2.3 阴极保护法

　　阴极保护法有牺牲阳极和外加电流两种方式：

　　牺牲阳极的阴极保护法是采用电化学上比钢更活泼，即电位更负的金属作为阳极，与被保护的钢筋相联接，以其本身的锈蚀提供自由电子来对钢筋实施保护。该方法不需外部直接电流，施工简便不必经常护理。但由于提供的电流有限，此法不适用于暴露于大气中的混凝土结构中的保护。

　　外加电流阴极保护法是采用外加电流使被保护钢筋上所有阳极区均变成阴极区来对钢筋进行保护的方法。一般做法是再混凝土表面涂一层导电涂料或埋设导电材料与直流电流正极相连，形成新的电位差，使原钢筋骨架转化为阴极。

　　阴极保护法可以在再不清理钢筋周围混凝土层或稍加整理的情况下对混凝土结构实施无损修复。该法专业性较强，费用较大，因此在工程中普遍采用受到限制，除非有些重大工程确有必要时可以考虑采用这种方法。

　　2.4 阻锈剂法

　　钢筋阻锈剂是指加入混凝土中或涂刷在硬化混凝土表面，能阻止或减缓钢筋腐蚀的化学物质。一些能改善混凝土对钢筋防护性能的添加剂或外涂保护剂（如硅灰、硅烷浸渍剂等）不属于钢筋阻锈剂范畴，钢筋阻锈剂必须能直接阻止或延缓钢筋锈蚀的电化学过程。钢筋阻锈剂使用比较方便，无需专门维护，且费用比较低廉，为世界各国广泛推广采用。

　　2.5 几种方法的比较见下表1。

表1 几种常见阻锈方法性能比较

　　3．钢筋阻锈剂的主要性能指标

　　3.1腐蚀电流的降低

　　钢筋阻锈剂的主要功能在于能够阻止或减缓混凝土内部钢筋的锈蚀速度，而腐蚀电流的大小则是描述锈蚀速度的重要参数，该值是可以通过特定的仪器进行量测的。用电测方法测量结构不同部位钢筋的腐蚀电流即可得出结构危险性变化的信息。

　　3.2滤除氯离子的性能

　　混凝土中Cl－含量对钢筋锈蚀的影响极大，当混凝土中含有Cl－时，即使混凝土的碱度还较高，钢筋周围的混凝土尚未碳化，钢筋也会出现锈蚀的现象。这是因为Cl－的半径小，活性大，具有很强的穿透钝化膜的能力，致使钢筋表面的钝化膜局部破坏，从而使钢筋产生所谓的坑蚀现象。氯离子不断地结合Fe2+生成氯化铁后，与OH－发生反应后重新释放，继续去结合新的Fe2+。这种反应过程是恶性的，混凝土中及钢筋表面的氯离子并不会消亡。只要氯离子存在，这种反应就会一直持续下去，直至钢筋完全被锈蚀。资料表明，混凝土中氯化物含量达0.6~1.2kg/m3，钢筋的腐蚀过程就可以发生。由于氯离子对钢筋混凝土的危害，对混凝土中氯化物的含量应严格加以控制。

　　因此，阻锈剂能否有效地降低混凝土中及钢筋表面的氯离子含量，便成为评定其阻锈性能的一项重要因素。国家标准《混凝土结构加固设计规范》中表Q.2.4明确规定，喷涂型阻锈剂对氯离子含量的降低率必须大于90%。

　　3.3高温、高湿环境下的工作性能

　　高温、高湿条件是钢筋混凝土结构加速劣化的重要外部环境。室温环境下有效的阻锈剂未必可以在高温高湿条件下继续保持其有效性。

　　严重的锈蚀现象往往又都是在高温、高湿等恶劣环境下产生的。因此，阻锈剂在高温、高湿环境下的工作性能就变得相当重要。

　　3.4环保性能

　　喷涂型阻锈剂的主要成份是有机化学物质，在其储藏、运输和使用时应避免对环境的污染。应选取无毒、无害的环保型阻锈剂。

　　4．钢筋阻锈剂的比较

　　国家标准《混凝土结构加固设计规范》中对外涂型钢筋阻锈剂分为两大类，一类是烷氧基类阻锈剂，另一类是氨基类阻锈剂。本文拟就这两类阻锈剂结合市场上目前存在的一些硅烷类浸渍剂一起，进行一个功能比较[9,10]。如下表2所示。

表2  烷氧基类阻锈剂与氨基类阻锈剂及硅烷浸渍剂比较表

　　5．结论

　　钢筋锈蚀在混凝土结构中大量存在，是混凝土结构耐久性破坏的主要形式之一。与机械除锈法、环氧涂层法和阴极保护法等传统方法相比，钢筋阻锈剂法经济有效、方便快捷，能够明显提高结构的抗锈蚀能力和耐久性。针对目前铁路、公路桥梁以及沿海建筑物普遍面临日益严重的氯离子腐蚀现象，应该选用能够滤除氯离子、明显减小钢筋中腐蚀电流的阻锈剂。可以预计，随着我国对混凝土耐久性认识水平的不断深入与重视，新型的钢筋阻锈剂应该能得到更大的发展。

　　参考文献

　　[1] 张誉，蒋利学等；《混凝土结构耐久性概论》，上海科学技术出版社，上海，2003年12月
　　[2] 赵国藩；《工程结构可靠性理论与应用》，大连理工大学出版社，大连，1996

　　[3] 金伟良，赵羽习；《混凝土结构耐久性研究的回顾与展望》，浙江大学学报，杭州，Vol.36 No.4 2002年7月

　　[4] R.K.Dhir, M.R. Jones; ‘Rapid estimation of chloride diffusion concrete’，Magazine of concrete Reaearch, Vol.42, No.152, 1990, 177-185

　　[5] 龚洛书，柳春圃；《混凝土的耐久性及其防护修补》，中国建筑工业出版社，北京，1990

　　[6] 吴瑾；《钢筋混凝土结构锈蚀损伤》，科学出版社，北京，2005

　　[7] 洪乃丰；《钢筋阻锈剂（RI）概要》，冶金工业部建筑研究总院，北京

　　[8] 洪定海；《混凝土中钢筋的腐蚀与防腐》，中国铁道出版社，北京，1998

　　[9] ProtectosilCIT产品手册；Degussa特种化学集团

　　[10] WJE Associates,Inc. ‘The Corrosion of Black Reinforcing Steel in
 Concretes Coated with Surface Treatments for Sivento INC. April 22, 1998. 
No.960896