化學試劑對橋梁鋼筋銹蝕的影響

王國海

（內蒙古路橋有限責任公司，內蒙古呼和浩特010010）

化學試劑對橋梁鋼筋銹蝕的影響

王國海

（內蒙古路橋有限責任公司，內蒙古呼和浩特010010）

首先對橋梁鋼筋銹蝕的基本原理和類型進行了簡要概述，然后通過試驗研究了化學試劑對橋梁鋼筋銹蝕的影響。結果表明：橋梁鋼筋銹蝕實質上是電化學反應過程，主要包括了均勻銹蝕、點蝕和縫隙銹蝕三種類型?；瘜W試劑在鋼筋的表面通過競爭吸附形成了一層保護膜，降低了Cl-在混凝土中的滲透速率，起到提高鋼筋耐腐蝕性的作用。

化學試劑；橋梁；鋼筋銹蝕；影響

前言

現階段隨著我國現代化建設進程的不斷深入，城市立交橋的建設數量逐年增多，隨之而來的是逐步顯露的鋼筋銹蝕的問題。防止鋼筋銹蝕的技術措施有多種，在保證混凝土密實性的基礎上，摻用鋼筋阻銹劑是最為經濟合理的一種方法。為了進一步探究化學試劑對橋梁鋼筋銹蝕的影響，本文通過化學試驗對其進行了深入的探究。

1 橋梁鋼筋銹蝕基本原理和類型

1.1 橋梁鋼筋銹蝕機理

橋梁鋼筋銹蝕的實質上屬于電化學反應的過程，由于鋼筋混凝土長時間暴露在外部環(huán)境當中，在水的氧化作用之下，其會產生較為嚴重的化學反應，也就是兩極電化學反應，使得基本電子極易在陽性較強的極鐵中得到釋放，Fe→Fe+++2e；在基本化學反應過程為（OH）2+H2O+O2→2Fe（OH）3[1]。

1.2 橋梁鋼筋銹蝕類型

橋梁鋼筋銹蝕在不同的環(huán)境當中會呈現出不同的表現形式，主要包括了均勻銹蝕、點蝕和縫隙銹蝕這三種類型。其中均勻銹蝕中具有腐蝕性的鐵銹會較為均勻的分布在各個鋼筋的表面之上，并以相對穩(wěn)定的速度來削弱整個金屬的厚度，最終造成金屬損失。均勻銹蝕是一種較為常見的銹蝕狀態(tài)，因其較易預測和防護，因此不會產生突然性事故。點蝕指的是在適宜的環(huán)境介質中投入使用的橋梁，其大部分的表面沒有發(fā)生銹蝕，而是在小區(qū)域的鋼電子整體釋放的過程當中，電子會向陰極出現大量的流動，在水中也會溶解不同程度的氧化離子OH-，O2+2H2O+4e→4OH-；這些氧化離子會對電子等產生大量的吸收，繼而產生了腐蝕性電流，同時在基本鋼筋的表面還會形成氫氧化亞鐵的薄膜，其在水和氧氣的雙重影響之下會進一步形成鐵銹（Fe（OH）3），其筋上選擇性的出現了蝕孔或麻點，經過不斷的發(fā)展而造成了大面積的破損。點蝕問題的出現主要是因Cl－吸附在鋼筋表面膜中，使得部分區(qū)域存在缺陷。縫隙腐蝕通常發(fā)生在鋼筋結構的連接位置處，因其存在銹蝕介質而引發(fā)了局部銹蝕，繼而造成局部斷裂，例如金屬鉚接、螺釘接頭、螺栓連接等位置[2]。

2 化學試劑對橋梁鋼筋銹蝕的影響

2.1 試驗部分

2.1.1 模擬孔溶液試驗

將Q235A建筑鋼筋加工成規(guī)格為φ10mm× 10mm的圓柱體，將橫截面作為工作面，在背面通過焊接引出導線，使用環(huán)氧樹脂對除工作面之外的表面進行密封，制備成待測的電極；使用金相砂紙將電極表面打磨至800目，并用丙酮去脂，再使用蒸餾水對其進行清洗。模擬孔溶液采用的是飽和Ca（OH）2溶液，pH值為12.6；所用的試劑均為化學純，溶劑為蒸餾水；且亞硝酸鈣和有機復合型阻銹劑的摻量分別控制在溶液質量的2%和4%[3]。在試驗中，將電極在飽和的Ca（OH）2溶液中持續(xù)浸泡7d，確保在鋼筋的表面形成鈍化膜，之后向溶液中加入定量的阻銹劑，在7d后每間隔72h添加0.2%/0.5%的氯化鈉，當腐蝕電流出現明顯突變的時候認為該濃度為阻銹劑的臨界濃度。

2.1.2 硬化砂漿試驗

試驗使用水泥為海螺P·II42.5級水泥，砂為標準砂，鋼筋為建筑用Q235A低碳鋼；砂漿的配合比為w（水）∶w（水泥）∶w（砂）=0.5∶1∶3，成型試件的尺寸規(guī)格為40mm×40mm×130mm。對處理好的砂漿試件進行浸烘循環(huán)試驗，將其放置在3.5%的氯化鈉溶液中持續(xù)浸泡6h，然后在50℃的溫度條件下進行烘干，7d為一循環(huán)周期；當每個循環(huán)結束的時候，對試件的自腐蝕電位和腐蝕速率進行測量，同時對鋼筋發(fā)生銹蝕的時間進行監(jiān)測。

2.1.3 混凝土抗氯離子滲透性能試驗

將混凝土抗氯離子擴散系數快速測定的NT build492法作為參照，對混凝土中的Cl-非穩(wěn)態(tài)快速遷移擴散系數進行了測定。在試驗中所采用的是海螺P·II42.5級水泥，巴河中砂；粗骨料的粒徑在5~25mm的范圍當中；減水劑所使用的是LN-SP聚羧酸高效減水劑，配合比設置為w（水）∶w（膠凝材料）∶w（砂）∶w（碎石）∶w（LN-SP）=162∶405∶783∶1123∶4.4[4]。

2.2 結果與討論

2.2.1 模擬孔溶液試驗

在飽和Ca（OH）2溶液中分別加入不同的阻銹劑，其電極腐蝕速率隨氯離子濃度的變化如圖1所示，從中可以發(fā)現，在不摻加任何阻銹劑的時候，其腐蝕速率在氯化鈉濃度為1.2%左右的時候出現了突變；對于亞硝酸鈣阻銹劑而言，當氯化鈉的濃度增加到7%的時候，其腐蝕速率才出現突變；對于有機復合型阻銹劑而言，其突變發(fā)生的時刻為氯化鈉濃度達到2.4%左右，與亞硝酸鈣阻銹劑的濃度相比較低。對于絕大部分的有機阻銹劑而言，其阻銹劑中的有機成分都是揮發(fā)性的物質，在進行試驗的過程當中，由于電解池沒有實現完全的封閉，因揮發(fā)而導致阻銹劑中的有效成分降低，進而使得其臨界濃度的提高較為不明顯。

圖1 摻加不同阻銹劑的電極腐蝕速率隨氯化鈉濃度的變化示意圖Fig.1 The variation of corrosion rate of electrode with different corrosion inhibitors along with the concentration of NaCl

2.2.2 硬化砂漿浸烘循環(huán)試驗

在循環(huán)過程當中，對試件的自腐蝕電位和腐蝕速率分別進行了實時的監(jiān)測，得出了各試件的自腐蝕電位和腐蝕速率隨循環(huán)周期的變化圖，對示意圖進行分析，發(fā)現試件的初始電位都在-100~-200mV的范圍當中，腐蝕速率也都接近于0.04μA/cm2，這種情況代表鋼筋在此時正處于鈍化狀態(tài)。當試件的腐蝕電位發(fā)生突變的時候，也就是小于-300mV的情況下，且腐蝕電流超過0.5μA/cm2的時候，認為鋼筋在此時已經發(fā)生了銹蝕，因此停止循環(huán)，對試件進行破開，對鋼筋表面的Cl-濃度（臨界氯離子濃度）進行檢測，各試件的臨界氯離子濃度和銹蝕時間如表1所示，從中可以發(fā)現在加入阻銹劑之后，鋼筋的銹蝕時間出現了明顯的延長。與空白相比較而言，加入阻銹劑試件的臨界氯離子濃度顯著增大，且有機復合型阻銹劑的臨界濃度的提高程度要明顯高于亞硝酸鈣。

表1 各試件的鋼筋銹蝕時間和臨界氯離子濃度Table1 The corrosion time and Cl-critical concentration of reinforcement samples

2.2.3 抗氯離子滲透性

在配合比保持不變的情況下，分別針對亞硝酸鈣和有機復合型阻銹劑對混凝土抗氯離子滲透性能的影響進行了分析，結果發(fā)現，在加入了有機復合型阻銹劑之后，混凝土的氯離子擴散系數出現了顯著的減小，其抗?jié)B透性顯著增強；此外，與不加入阻銹劑的情況相比較而言，加入亞硝酸鈣的抗氯離子滲透性并沒有出現明顯的變化。

2.3 阻銹劑延遲銹蝕時間原理分析

鋼筋阻銹劑能夠起到延長銹蝕時間作用的途徑主要體現在以下兩個方面當中：其一是降低氯離子在混凝土中的滲透速率，其二是提高氯離子的臨界濃度。對于亞硝酸鈣阻銹劑而言，其實際上是一種陽極型阻銹劑，其中所含有的亞硝酸根（NO2-）會使得亞鐵離子（Fe2+）經反應生成具有一定保護作用的鈍化膜（FeOOH）；當存在氯鹽的時候，氯離子（Cl-）所具有的破壞作用會和亞硝酸根所具有的成膜修補作用進行競爭，當“修補”作用大于“破壞”作用的時候，鋼筋銹蝕便會停止[5]。

有機物在金屬表面的成膜機理體現為有機物分子通過極性或微極性的基團而在鋼筋表面實現吸附，而非極性基團則在垂直于鋼筋表面的方向上形成了定向排列。烴基之間通過相互交織而形成了一層具有憎水性的致密膜，一方面使得鋼筋所能承受的氯離子濃度的臨界值得到提高，另一方面還有效地阻止了氯離子、水分和氧氣的進入，為鋼筋受化學和電化學作用提供了一道屏障。另外，有機阻銹劑中所含有的酸根負離子能夠和Ca2+發(fā)生反應，并在水泥石的微孔內側發(fā)生沉積而成膜，進一步阻止了外部水分進入到混凝土的內部當中。

3 結論

研究表明，鋼筋銹蝕是影響橋梁使用壽命的重要因素，圍繞化學試劑對橋梁鋼筋銹蝕的影響進行了研究，共得出以下幾點結論：

（1）橋梁鋼筋銹蝕在不同的環(huán)境條件下具有不同的表現形式，主要包括了均勻銹蝕、孔蝕和縫隙銹蝕三種類型；且橋梁鋼筋銹蝕實質上是電化學反應過程。

（2）化學試劑所具有的緩蝕作用機理是在鋼筋的表面通過競爭吸附而形成了一層保護膜，從而降低了Cl-在混凝土中的滲透速率，最終起到提高鋼筋耐腐蝕性的作用。

（3）化學試劑對橋梁鋼筋銹蝕的影響主要體現在延長鋼筋的銹蝕時間、提高臨界氯離子濃度的方面，且亞硝酸鈣等化學試劑的使用不會對混凝土的力學性能產生不利影響。

［1］商武,余朝陽,鄭曉斌,等.橋梁混凝土破損銹蝕露筋修復涂層乳液的制備與研究［J］.公路交通技術，2014，4：101～104,109.

［2］甘海龍,謝肖禮.基于可靠度理論的在役鋼筋混凝土橋梁碳化壽命預測［J］.混凝土，2013，3：48～51.

［3］麻福斌.醇胺類遷移型阻銹劑對海洋鋼筋混凝土的防腐蝕機理［D］.中國科學院研究生院（海洋研究所），2015.

［4］李益進,孫鑫鵬,尹健.超細粉煤灰對高性能混凝土耐久性影響研究［J］.西安建筑科技大學學報:自然科學版，2010，4：521～525.

［5］鄧曉,李林澤,趙歡,等.現場檢測高鈦型高爐渣混凝土碳化深度及影響因素分析［J］.四川建筑，2015，5：183～184.

The Influence of Chemical Reagents on the Corrosion of Bridge Reinforcement

WANG Guo-hai
（Inner Mongolia Road&Bridge Co.,Ltd.,Hohhot 010010,China）

Firstly,the basic principle and type of the corrosion of bridge reinforcement are summarized briefly,then,the effects of chemical reagents on the corrosion of bridge reinforcement are studied by experiments.The results show that the corrosion of bridge reinforcement is an essentially electrochemical reaction process,including the uniform corrosion,pitting corrosion and crevice corrosion.The chemical reagent forms a layer of protective film on the surface of reinforcement by competitive adsorption,which reduces the penetration rate of Cl-in the concrete and improves the corrosion resistance of reinforcement.

Chemical reagent;bridge;corrosion of reinforcement;effect

TQ421.57

B

1001-0017（2016）05-0391-03

2016-06-17

王國海（1961-），男，山西陽高縣人，本科，高級工程師，主要從事路橋工程研究。