鋼筋混凝土橋梁中鋼筋銹蝕與其陰極保護(hù)

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(jìn)交通事業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)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(dá)到90%以上。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋處于強(qiáng)堿環(huán)境中，在其表面形成了一層致密的鈍化膜，保護(hù)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(jī)理進(jìn)行分析，并給出其防護(hù)措施。

1 鋼筋銹蝕的機(jī)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(dá)到12－13，呈強(qiáng)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(hù)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(qiáng)穿透離子如氯離子可以破壞鈍化膜。這時，鋼筋就不受保護(hù)，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(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(jìn)了鋼筋的進(jìn)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(dá)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(hù)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(hù)法：陰極保護(hù)法與陽極保護(hù)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(hù)法。

3 陰極保護(hù)法

陰極保護(hù)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(hù)技術(shù)。鋼筋混凝土陰極保護(hù)可分為強(qiáng)制電流陰極保護(hù)和犧牲陽極陰極保護(hù)兩種方法。

在國外，陰極保護(hù)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(dá)山著名的洲際80號大橋應(yīng)用了陰極保護(hù)。這在世界上是第一次正式應(yīng)用陰極保護(hù)法，隨后便在歐美發(fā)達(dá)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(hù)，被保護(hù)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(hù)。2006年，中國大陸第一次將陰極保護(hù)應(yīng)用在新建的杭州灣大橋，隨后，應(yīng)用了陰極保護(hù)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(qiáng)制電流陰極保護(hù)

強(qiáng)制電流陰極保護(hù)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(hù)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(hù)。從上面可以看出，強(qiáng)制電流陰極保護(hù)是一種主動防護(hù)。強(qiáng)制電流陰極保護(hù)是目前為止鋼筋混凝土中鋼筋防銹最經(jīng)濟(jì)、有效的方法，特別適用于受氯化物污染的橋梁。

強(qiáng)制電流陰極保護(hù)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(hù)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(hù)系統(tǒng)起著極為重要的作用，也是保護(hù)系統(tǒng)中價格最高的部件。在保護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)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(qiáng)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(hù)

犧牲陽極陰極保護(hù)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(hù)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(hù)。從上面可以認(rèn)為，犧牲陽極陰極保護(hù)是一種被動防護(hù)。

犧牲陽極保護(hù)法與陰極保護(hù)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(diǎn)，因此在艦船﹑海上設(shè)備﹑碼頭﹑地下管道等設(shè)施的保護(hù)上，得到了廣泛的應(yīng)用，但在我國的橋梁保護(hù)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(dá)12年；噴涂金屬陽極系統(tǒng)，其預(yù)期使用壽命可達(dá)10－15年；鋅網(wǎng)陽極系統(tǒng)，其使用壽命可達(dá)15－20年；埋入式犧牲陽極系統(tǒng)，其使用壽命可達(dá)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(jī)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(hù)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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