橋梁建設(shè)中氯離子對(duì)混凝土構(gòu)件的侵蝕及防治

李慶華

(天津海河金岸投資建設(shè)開發(fā)有限公司，天津 300350)

橋梁，是跨越障礙物的結(jié)構(gòu).它跨越山川，跨越海峽，聯(lián)通世界各地的人們.從20世紀(jì)90年代初開始，我國(guó)的橋梁建設(shè)者就積極開展從內(nèi)陸建橋向跨海建橋的研究和計(jì)劃.2005年建成的東海大橋是我國(guó)第一座真正意義上的跨海大橋，全長(zhǎng) 32.5 km，當(dāng)時(shí)是全球30多座跨海大橋中最長(zhǎng)的一座；而貫通后的杭州灣跨海大橋，全長(zhǎng)約36 km，又改寫了這項(xiàng)世界之最.

橋梁表現(xiàn)了人類對(duì)自然的征服力，然而海洋對(duì)其上的結(jié)構(gòu)物的腐蝕力量也不容忽視.跨海大橋工程因受海洋環(huán)境、氣候條件的影響，其結(jié)構(gòu)物需具備良好的工作性能和耐腐蝕能力.尤其是氯離子對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的侵蝕應(yīng)引起充分重視.

1 氯離子對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件的危害

混凝土中的鋼筋通常能夠很好地抵抗銹蝕，這主要是因?yàn)榛炷林械母邏A性孔溶液使鋼筋發(fā)生了鈍化.假若混凝土存在某些缺陷，如表面不密實(shí)，存在孔隙或裂縫(如圖1所示)，帶有水蒸氣的空氣就會(huì)通過混凝土的縫隙進(jìn)入混凝土內(nèi)部，與鋼筋發(fā)生氧化反應(yīng)，生成氫氧化鐵、氧化亞鐵和三氧化二鐵，這些化學(xué)物質(zhì)俗稱“鐵銹”.

而氯離子(Cl-)侵入混凝土內(nèi)部后，會(huì)降低混凝土的pH值，產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，促使鋼筋銹蝕.即氯離子起到了“蝕媒”的作用，加速了鋼筋的銹蝕.銹蝕的鋼筋體積顯著膨脹(最大可達(dá)原體積的 6倍)[1]，這就使得混凝土裂縫加大，水氣更容易進(jìn)入，銹蝕更加嚴(yán)重.如此惡性循環(huán)在宏觀上就表現(xiàn)為混凝土開裂，鋼筋銹蝕.受力鋼筋銹蝕后截面縮小甚至斷裂.已斷裂或接近斷裂的鋼筋完全喪失了承載力，對(duì)結(jié)構(gòu)造成安全隱患.

圖1 混凝土斷面的孔結(jié)構(gòu)

2 混凝土中的鋼筋銹蝕

混凝土中鋼筋的鈍化膜由于碳化作用或氯離子的存在而被部分或全部破壞時(shí)，鋼筋便開始銹蝕.也就是說，鋼筋的局部部位因電化學(xué)電勢(shì)向電負(fù)性發(fā)展而形成陽極區(qū)，而鋼筋其他惰性電勢(shì)完好的部位作為氧的富集區(qū)而成為陰極區(qū).如果混凝土的電阻率也足夠低，就會(huì)沿著鋼筋形成一系列復(fù)雜的原電池.在這些原電池中會(huì)產(chǎn)生電流，并且電流強(qiáng)度決定了銹蝕的速率.盡管陰極區(qū)和陽極區(qū)的尺寸大小和幾何形狀也是原電池的重要因素，但鋼筋銹蝕的速率主要由混凝土的電阻率和有效氧氣決定.

2.1 氯離子的滲透

如果混凝土保護(hù)層是由密實(shí)、高質(zhì)量的混凝土構(gòu)成的，并且有足夠的厚度，由碳化導(dǎo)致的鋼筋銹蝕可以不用考慮，而在潮濕的環(huán)境下，混凝土的碳化影響更小.但是，如果混凝土結(jié)構(gòu)處于嚴(yán)酷的氯離子環(huán)境中，即使混凝土質(zhì)量好而且混凝土層夠厚，大量氯離子透過混凝土的保護(hù)層到達(dá)鋼筋處也只是時(shí)間的問題.

海水中通常含有3%的鹽，其中主要是氯離子.海水的浸泡、海浪的襲擊、帶鹽的海風(fēng)、海霧頻繁地接觸鋼筋混凝土表面，不同部位的鋼筋混凝土表面的氯離子濃度雖然不同，但都可以達(dá)到相當(dāng)?shù)臐舛?，而海砂中更含有大量的氯離子.混凝土中氯化物的來源有兩種：一種是在混凝土攪拌、澆注時(shí)滲入的；一種是在混凝土凝結(jié)硬化后由外界侵入的.氯離子侵入到混凝土中的方式主要有：毛細(xì)吸收作用、擴(kuò)散作用和滲透作用.對(duì)于水下部分或潮濕區(qū)的泡水部分，氯離子侵入鋼筋混凝土是由于泡水鋼筋混凝土里外氯離子的濃度差引起氯離子擴(kuò)散.而對(duì)于表面能風(fēng)干到某種程度的鋼筋混凝土構(gòu)件，氯離子的侵入是由于接觸到海水的毛細(xì)管吸收作用[2].

2.2 鋼筋鈍化膜的破壞

混凝土中孔溶液的堿性一般pH值可以達(dá)到13以上.有氧氣存在的情況下，這些堿性溶液可在鋼筋表面形成一層氧化薄膜，它可以有效地防止混凝土中的鋼筋銹蝕.但是，氧化膜的完整性和保護(hù)性取決于很多因素，例如有效氧的多少和孔溶液的堿含量.供氧量越少，堿含量越低，膜層就越薄，防護(hù)性就越差.實(shí)踐表明，水泥水化的高堿性(pH≥12.6)，使鋼筋表面產(chǎn)生一層致密的鈍化膜，該鈍化膜中包含有Si—O鍵，對(duì)鋼筋有很強(qiáng)的保護(hù)能力.然而，此鈍化膜只有在高堿環(huán)境中才是穩(wěn)定的，研究與實(shí)踐表明，當(dāng)pH＜11.5時(shí)，鈍化膜就開始不穩(wěn)定；當(dāng)pH＜9.88時(shí)，鈍化膜生成困難或已生成的鈍化膜逐漸遭到破壞.氯離子進(jìn)入鋼筋混凝土中并到達(dá)鋼筋表面，當(dāng)它吸附于局部鈍化膜處時(shí)，可使該處的pH值迅速降到4以下.氯離子對(duì)鋼筋表面的鈍化膜有很強(qiáng)的破壞作用.

氯離子對(duì)鋼筋表面鈍化膜的破壞首先發(fā)生在局部(點(diǎn))，使這些部位(點(diǎn))露出了鐵基體，與尚完好的鈍化膜區(qū)域之間構(gòu)成電位差(作為電解質(zhì)，混凝土內(nèi)一般有水或潮氣存在).鐵基體作為陽極而受腐蝕，大面積的鈍化膜作為陰極，形成“腐蝕電池”，鋼筋表面產(chǎn)生點(diǎn)蝕(坑蝕)，由于大陰極(鈍化膜區(qū))對(duì)應(yīng)于小陽極(鈍化膜破壞點(diǎn))，坑蝕發(fā)展十分迅速.這就是氯離子對(duì)鋼筋表面產(chǎn)生“坑蝕”的原因所在.

氯離子不僅促成了鋼筋表面的腐蝕電池，而且加速電池作用的過程.陽極反應(yīng)式如下式所示

如果生成的 Fe2＋不能及時(shí)移除而累積于陽極表面，那么陽極的反應(yīng)就會(huì)受到阻礙；反之，如果生成的Fe2+能及時(shí)移除，那么陽極過程就會(huì)順利乃至加速進(jìn)行.Cl-與 Fe2+相遇會(huì)生成 FeCl2，Cl-能使 Fe2+消失，從而加速陽極過程.這種加速陽極過程，稱為陽極去極化作用，氯離子發(fā)揮了陽極去極化作用的功能，其反應(yīng)式為

Cl-在整個(gè)過程中起到了搬運(yùn)的作用，并沒有被消耗掉，即凡是進(jìn)入混凝土中的游離狀態(tài)的氯離子，會(huì)周而復(fù)始地起到破壞作用，這也是氯鹽危害的特點(diǎn)之一[3].

2.3 鋼筋銹蝕速度

常年泡在海水中的混凝土結(jié)構(gòu)即使經(jīng)過了60多年的服役期，鋼筋的銹蝕速率依然很低.混凝土結(jié)構(gòu)中正在銹蝕的部分對(duì)結(jié)構(gòu)的其他部分可以起到陰極保護(hù)作用.然而，對(duì)于能夠?qū)е陆Y(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞的鋼筋銹蝕來說，混凝土的電阻率是一個(gè)非常重要的因素.

鋼筋表面原電池產(chǎn)生的電流在混凝土中是通過離子的交換而進(jìn)行傳遞的.混凝土的電阻率是由混凝土的滲透性、孔溶液量以及孔溶液中的離子濃度決定的.

腐蝕電池的要素之一是要有離子通路.混凝土中氯離子的存在強(qiáng)化了離子通路，降低了陰陽極之間的歐姆電阻，提高了腐蝕電池的效率，從而加速了電化學(xué)腐蝕過程.有研究表明，水灰比由 0.7降至 0.5，砂漿的電阻率增加了兩倍以上，而混凝土的電阻率變化較小，這個(gè)結(jié)果表明了滲透率對(duì)電阻的影響.而當(dāng)混凝土中水的飽和度從100%下降到不足20%時(shí)，電阻率增加了800多倍.這表明了混凝土濕度條件對(duì)混凝土的電阻率有著重要的影響，而大量孔溶液的存在，有助于帶電離子的傳輸.

如果混凝土的電阻率足夠高，銹蝕速率可能很小甚至可以忽略.即使鋼筋的鈍化膜已經(jīng)破壞且混凝土的電阻率低，然而混凝土中含氧量較少，則鋼筋的銹蝕速率可能很低甚至可以忽略.含氧量受很多因素的影響.大氣中氧的濃度大約為 210 mL/L，而水下混凝土結(jié)構(gòu)中氧的最大濃度僅有 5～10 mL/L.氧在混凝土中擴(kuò)散速率也取決于是氣態(tài)還是溶解于水.雖然氧參與電化學(xué)的陰極反應(yīng)，但是它必須是溶解狀態(tài).因?yàn)樗禄炷两Y(jié)構(gòu)缺少溶解的氧，其中鋼筋的銹蝕可能進(jìn)行的程度不大.而處于干濕交界處，獲得氧的幾率很大，所以腐蝕問題一般都發(fā)生在干濕循環(huán)條件下的部位，如橋面梁的下部和處于浪濺區(qū)的混凝土墩柱處.這也就是俗語說的“干百年，濕百年，不干不濕就半年”.

某海港碼頭建成后發(fā)現(xiàn)部分縱梁底部混凝土脫落，鋼筋全部外露(見圖2)，縱梁底部嚴(yán)重銹裂.這就是因?yàn)槠涮幱诶藶R區(qū)，海水氯鹽入侵混凝土，使鋼筋周圍氯離子含量超過鋼筋致銹的臨界值，引起鋼筋銹蝕.而銹蝕使混凝土膨脹開裂，以致脫落，又進(jìn)一步加劇了鋼筋的銹蝕.

圖2 浪濺區(qū)縱梁底部嚴(yán)重銹裂

3 防腐措施

3.1 基本措施

(1)結(jié)構(gòu)形式及細(xì)部構(gòu)造應(yīng)有利于防腐和維護(hù)、檢查.鋼筋混凝土構(gòu)件截面幾何形狀應(yīng)簡(jiǎn)單、平順、減少棱角和突變，避免應(yīng)力集中；鋼筋混凝土應(yīng)有利于通風(fēng)，避免過高的局部潮濕和水汽聚積；結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)便于施工、易于成型；結(jié)構(gòu)形式應(yīng)便于對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行檢測(cè)和維修，適當(dāng)設(shè)置檢測(cè)、維護(hù)和采取補(bǔ)充保護(hù)措施的通道；對(duì)處于腐蝕嚴(yán)重部位(浪濺區(qū))的構(gòu)件，應(yīng)考慮其易于更換的可能.

(2)限制鋼筋混凝土拌合物中的氯離子含量.一般不超過鋼筋混凝土中水泥重量的0.1%～0.3%.

(3)限制鋼筋混凝土拌合物的水灰比最大允許值.一般限制水灰比低于0.35～0.45.

(4)摻入適量?jī)?yōu)質(zhì)摻合料.粉煤灰、磨細(xì)礦渣、硅灰等摻合料均能有效地增加混凝土的致密性，增加鋼筋混凝土抵抗侵蝕的能力.

(5)適當(dāng)增加鋼筋混凝土保護(hù)層厚度可以延長(zhǎng)氯離子滲透到鋼筋周圍達(dá)到破壞鋼筋鈍化膜臨界值的時(shí)間.

3.2 特殊措施

3.2.1 陰極防護(hù)

陰極防護(hù)是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)最常用、最有效的電化學(xué)保護(hù)方法，根據(jù)鋼筋腐蝕的電化學(xué)原理，陽極反應(yīng)(鋼筋腐蝕)必須同時(shí)放出自由電子，陰極防護(hù)是采取措施使電位不高于平衡電位，不讓鋼筋表面任何地方再放出自由電子，就可使鋼筋不能再進(jìn)行陽極反應(yīng).

外加電流陰極防護(hù)的原理，是通過外加電流，把電源正極連接在難溶性輔助陽極上強(qiáng)制形成一個(gè)陽極區(qū)；把電源的負(fù)極連接在受保護(hù)的鋼筋上，強(qiáng)制形成陰極區(qū)[4].如圖3所示，外接電源陰極連接橋墩內(nèi)部鋼筋，陽極連接在橋墩外部的輔助區(qū)，陽極與被保護(hù)的鋼筋均處于連續(xù)的電介質(zhì)中，使被保護(hù)的鋼筋接觸電解質(zhì)的全部表面都充分而且均勻地接受自由電子，沒有電位差，不進(jìn)行陽極反應(yīng)，從而受到陰極保護(hù).

圖3 外加電流陰極防護(hù)原理

輔助陽極區(qū)發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)方程式為

橋墩內(nèi)部鋼筋陰極區(qū)發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)方程式為

3.2.2 環(huán)氧涂層鋼筋

這種鋼筋是在嚴(yán)格控制的工廠流水線上，采用靜電噴涂工藝噴涂于表面處理過和預(yù)熱的鋼筋上，形成具有一層堅(jiān)韌、不滲透、連續(xù)的絕緣層.它可以將鋼筋與周圍混凝土隔開，即使氯離子、氧等已大量侵入鋼筋混凝土，也能長(zhǎng)期保護(hù)鋼筋并使其免遭腐蝕.

3.2.3 鋼筋混凝土表面涂層

(1)隔離型涂料.在鋼筋混凝土表面涂一層涂料，形成一層隔離層制止氯離子、氧、水等介質(zhì)滲入鋼筋混凝土，以延緩鋼筋腐蝕，如圖4所示.對(duì)涂料的要求是能耐堿、耐老化、與鋼筋混凝土表面應(yīng)有良好的附著性.

圖4 橋墩浪濺區(qū)防腐涂層施工

(2)侵入型涂料.不能在鋼筋混凝土表面上成膜，不會(huì)形成隔離層，也不能充滿鋼筋混凝土毛細(xì)孔隙，所以不會(huì)影響鋼筋混凝土透氣性.但是，它卻能顯著降低鋼筋混凝土的吸水性，使水和只能溶解于水中才能被毛細(xì)管吸收作用吸進(jìn)去的氯化物都難以吸進(jìn)鋼筋混凝土中，而鋼筋混凝土中的水分卻可以分化為水蒸氣自由蒸發(fā)出去，使鋼筋混凝土保持干燥，從而顯著提高鋼筋混凝土的護(hù)筋性[5].

3.2.4 鋼筋阻銹劑

阻銹劑能阻止或延緩氯離子對(duì)鋼筋鈍化薄膜的破壞.因?yàn)樽桎P劑的作用可以自發(fā)在鋼筋表面上形成，只要有致鈍環(huán)境，即使鈍化膜破壞也可以自行再生，自動(dòng)維持，這不僅優(yōu)于任何人為涂層，而且經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便.在鋼筋混凝土中加入亞硝酸鈣等阻劑可使鋼筋發(fā)生銹蝕的氯離子臨界濃度提高數(shù)倍.在氯鹽嚴(yán)重侵蝕環(huán)境下或使用海砂含有一定數(shù)量的氯鹽等場(chǎng)合，宜采用阻銹劑.易遭銹蝕的橋梁伸縮縫部位鋼筋混凝土、后張預(yù)應(yīng)力孔道的注漿和錨固端的封堵砂漿也宜加入阻銹劑.

3.2.5 不銹鋼鋼筋

采用不銹鋼鋼筋是防止鋼筋銹蝕的根本方法，它從根本上解決了鋼筋容易銹蝕的問題，它的防腐期可超過100年，在結(jié)構(gòu)的使用期內(nèi)只需做簡(jiǎn)單的維護(hù)即可，防腐效果相當(dāng)理想[6].但是，目前中國(guó)內(nèi)地還沒有在橋梁上使用不銹鋼鋼筋混凝土的記錄.

4 結(jié) 語

對(duì)于氯鹽侵蝕環(huán)境下的結(jié)構(gòu)物，影響其鋼筋混凝土耐久性最主要的問題是氯離子侵入引發(fā)鋼筋腐蝕破壞.長(zhǎng)久以來，嚴(yán)酷環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)和重建耗費(fèi)了大量的資金和自然資源，如今在建的重要混凝土結(jié)構(gòu)的數(shù)量與日遞增，延長(zhǎng)和控制混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性不僅僅是一個(gè)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)問題，更是一個(gè)非常重要的環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的問題.

與其不斷增加后期對(duì)結(jié)構(gòu)的維護(hù)和修復(fù)的費(fèi)用來實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的提高和控制，不如主動(dòng)采取預(yù)防措施.一般而言，提高混凝土自身的密實(shí)度、陰極防護(hù)、刷涂防腐涂層等都能起到一定的防腐效果，但這些現(xiàn)有的防腐技術(shù)存在著防腐時(shí)效短、費(fèi)用高昂等缺點(diǎn).未來還應(yīng)該在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮耐久性設(shè)計(jì)，對(duì)處于浪濺區(qū)或其他部位腐蝕嚴(yán)重的構(gòu)件，應(yīng)繼續(xù)研發(fā)出易更換、防腐性能更好的防腐裝置，以保證結(jié)構(gòu)的整體耐久性.

［1］喬伊夫.嚴(yán)酷環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)[M]. 趙鐵軍，譯.北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2010.

［2］范 宏，王鵬剛，趙鐵軍. 長(zhǎng)期暴露混凝土結(jié)構(gòu)中的氯離子侵入研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2011，32(1)：88-94.

［3］許紅男，傅淑娟. 氯離子對(duì)混凝土構(gòu)件的侵蝕及防治[J]. 深圳土木與建筑，2009，6(1)：58-60.

［4］陳 濤. 混凝土結(jié)構(gòu)外加電流陰極防護(hù)技術(shù)及其在工程中的應(yīng)用[J]. 橋梁建設(shè)，2006(3)：12-15.

［5］趙鐵軍. 滲透性涂料表面處理與混凝土耐久性[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

［6］耿會(huì)濤，趙西文，李清富. 某大橋橋墩防腐工程方案優(yōu)選[J]. 河南建材，2012(1)：29-31.