防止氯離子侵蝕混凝土中鋼筋的措施

李雯霞（酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 酒泉 735000）

氯離子能加速鋼筋腐蝕已在大量工程實踐中得到證實，氯離子能夠破壞鋼筋表面的鈍化膜，導(dǎo)致局部腐蝕。并非所有氯離子都能引起混凝土鋼筋的腐蝕，水化作用前混凝土中的部分氯鹽與混凝土中的一些組分形成難溶性水化鋁酸鹽，同時混凝土還物理吸附部分氯鹽，因此這部分氯化物不能引起鋼筋的腐蝕，所以引起鋼筋腐蝕的是游離氯離子。游離氯離子主要來源于外部環(huán)境，主要通過擴散進人混凝土到達鋼筋表面，擴散過程與周圍環(huán)境介質(zhì)中氯離子的濃度和混凝土的滲透性有關(guān)[1，2]。氯離子到達鋼筋表面未必造成腐蝕，只有氯離子濃度超過臨界濃度值時才發(fā)生腐蝕。因此氯離子對混凝土中鋼筋腐蝕的防護分為兩類:混凝土的防護和鋼筋的防護?；炷恋姆雷o著眼于提高混凝土的性能；鋼筋的防護主要是在鋼筋表面進行防腐蝕處理以及對鋼筋實施電化學(xué)陰極保護等。

1 混凝土的防護

1.1 保證混凝土較高的密實度

只有混凝土自身破壞，堿度降低（低于臨界值）或有害離子入侵時，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物才會發(fā)生腐蝕破壞。因此最大限度地保證混凝土的自身密實完好，保持高堿度和防止有害離子入侵是鋼筋混凝土防腐蝕措施的出發(fā)點。基本措施就是致力于提高混凝土自身的防護能力。1)選用高密實度混凝土結(jié)構(gòu)的配方設(shè)計，提高混凝土的抗?jié)B標(biāo)號。配方設(shè)計必須滿足下列條件：混凝土的抗?jié)B等級不能低于P8；水泥的強度等級不能低于42.5MPa；水泥的品種選用密實性最好的普通硅酸鹽水泥；水泥用量不少于300kg/m3；嚴(yán)格控制水灰比不能大于0.55。2)選用水性水泥密封劑M1500來封閉新、老混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的氣孔與孔隙、毛細管及通道進而提高混凝土的密實性。經(jīng)研究部門測試混凝土經(jīng)噴涂M1500后24小時，封閉劑可滲入混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)40mm,并繼續(xù)進一步滲透至150mm～200mm深，與水泥石的堿性物質(zhì)反應(yīng)形成密實不透性的封閉層以阻止一切浸蝕介質(zhì)進一步浸蝕混凝土。3)選用高密實性水泥砂漿多層抹面技術(shù)來封閉混凝結(jié)構(gòu)免遭水及化學(xué)介質(zhì)浸蝕。多層抹面技術(shù)經(jīng)實踐證明也是一種非常有效防止水滲透及介質(zhì)浸入的重要方法,它的密實性很高,可達到20kg/cm2(2MPa)抗?jié)B標(biāo)號。4)在混凝土配方中引入外加劑來提高混凝土的密實性。如減水劑—NNO (亞甲基二萘酸鈉)；引氣劑—松香酸鈉；催化劑—三乙醇銨等均可將砂漿混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部密實性提高，且不同外加劑改善混凝土，內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實性特點也有不同之處。

1.2 慎重采用速凝劑

速凝劑是使水泥混凝土迅速凝結(jié)硬化的外加劑。與水泥在加水拌和時立即反應(yīng)，使水泥中的石膏喪失其緩凝作用，促成鋁酸三鈣迅速水化，并在溶液中析出其水化物，導(dǎo)致水泥漿迅速凝固。最早的一種速凝劑西卡(Sika)是由瑞士和奧地利制造商研制生產(chǎn)的至今已有七、八十年的歷史了。奧地利、日本生產(chǎn)的速凝劑西古尼特(Sigunite)和伊卓克萊特(Isocret)在國際上負有盛名。速凝劑主要應(yīng)用于噴射混凝土和噴射砂漿工程中。隨著經(jīng)濟發(fā)展和技術(shù)進步,速凝劑的使用范圍越來越廣,在地下工程、隧道工程、堤壩邊坡加固、堵漏水工程、滑模工藝施工、道路搶修、噴錨支護等大量采用了速凝快硬技術(shù)。在混凝土中摻入鹽類（如CaCl2），使混凝土具有速凝、快硬作用。但易引起鋼筋的銹蝕，對于蒸養(yǎng)混凝土尤甚。當(dāng)混凝土中摻有18%的NaCl時,無定電流對鋼筋混凝土中鋼筋的破壞作用會增加到100倍。當(dāng)混凝土密實性不良，保護層甚薄，由于外界空氣和水分的侵入，其銹蝕會劇烈加快。因此在工程中要盡量選擇無腐蝕、無毒、無污染的新型無氯液態(tài)速凝劑，這種速凝劑是一種無堿液體速凝劑，其性能指標(biāo)除滿足國家標(biāo)準(zhǔn)JC477-92規(guī)定的指標(biāo)要求外，速凝劑的堿含量少于0.01%，后期強度損失小，且與水泥種類適應(yīng)性好、料漿和易性好。解決了施工中普遍存在的粉狀速凝劑添加不均勻、回彈、粉塵大、嚴(yán)重危害施工人員健康、混凝土后期強度損失明顯、易引起鋼筋銹蝕等傳統(tǒng)問題。

1.3 外表面涂防腐蝕涂料

在混凝土表面涂一層耐腐、抗?jié)B、無毒、持久的涂料是一種簡單可行的方法。涂料涂刷于混凝土表面要求涂料具有耐酸、堿、鹽腐蝕；同時要與混凝土有牢固的結(jié)合力；涂膜要致密抗?jié)B性能良好。PF-01涂料是具有上述性能的最優(yōu)秀的涂料品種,它的成膜物質(zhì)為聚氯乙烯樹脂，具有耐酸、耐堿、耐鹽腐蝕性能。涂料中含有增粘劑多異氰酸酯(101樹脂)，故涂層與混凝土結(jié)構(gòu)互相粘合牢固。防銹顏料氟磷鐵改善了涂膜綜合性能,丙烯酸酯改了涂膜的光潔性能與致密性能。使用新型涂料，根據(jù)混凝土的高堿性、含水性和多孔性的特點，涂料應(yīng)具備耐堿性、耐水性和浸漬性的性能并具備良好的耐久性。新型涂料必須是安全、無毒、環(huán)保型的“綠色涂料”或環(huán)境友善涂料，并朝著施工簡便、組合配套多樣、價格低廉的方向發(fā)展。1）氯醚涂料是由氯醚樹脂、配套樹脂及各種助劑復(fù)合而成的單組分防腐蝕涂料，其涂層粘附強度高、結(jié)構(gòu)致密、理化性能優(yōu)越，綜合防腐蝕性能均高于氯磺化聚乙烯或氯化橡膠涂料。2）氰凝由聚氨基酸脂、助劑和填料組成，其特點是遇水后立即發(fā)生反應(yīng)，最后生成不溶于水的固體，適用于混凝土表面涂覆。涂層質(zhì)量好、耐蝕、防滲、防霉。

1.4 使用高性能混凝土

高性能混凝土是基于結(jié)構(gòu)高強度、高耐久性、高工作性而設(shè)計的全新混凝土，與傳統(tǒng)混凝土相比，它具有許多特點和優(yōu)點：不用振搗就可以自動填充模板；具備良好的自密性；不會由于水化熱的產(chǎn)生、水化硬化或干燥收縮等原因引發(fā)初始裂縫；具有高抗?jié)B性，可以阻止?jié)B入，從而預(yù)防了鋼筋的銹蝕，延長了鋼筋混凝土的使用壽命。通過摻加火山灰質(zhì)材料微硅粉、磨細礦渣或粉煤灰,使氯離子在混凝土中的滲透速率降低,混凝土電阻率增加,從而延遲腐蝕的開始和降低腐蝕開始后的速率。其中超細材料微硅粉在混凝土中能夠有效降低孔隙尺寸和阻斷毛細孔,因此能夠大幅提高混凝土的抗摻性,大大降低氯離子滲透對鋼筋的危害。

應(yīng)用高性能混凝土日益成為工程建設(shè)的優(yōu)選技術(shù)方案,因為高性能混凝土不僅具有良好的護筋性能,同時具有良好的綜合耐久性。

1.5 用高分子聚合物改性砂漿及混凝土

提高砂漿混凝土的密實性、抗?jié)B性和耐腐蝕性能高分子聚合物砂漿混凝土是將水溶性的聚合物或者用聚合物的水分散體加入水泥砂漿混凝土中以提高普通砂漿混凝土的粘結(jié)力、抗?jié)B性、抗裂性、耐腐蝕性、耐磨性和抗凍融性能。在國內(nèi)已經(jīng)使用或研究過的聚合物有:聚丙烯酸酯、氯丁橡膠乳液、丁腈橡膠乳液、偏氯乙烯乳液,聚醋酸乙烯乳液。聚合物改性砂漿與金屬和水泥基層均有較高的粘合力,一般高于普通砂漿一倍以上,可以直接敷設(shè)于濕潤的水泥基層或金屬面。

1.6 混凝土表面處理

硬化后的混凝土總是存在著空隙,為環(huán)境中水、二氧化碳和氯離子等介質(zhì)的侵蝕提供了通道。因此,通過混凝土表面處理,提高混凝土層的抗?jié)B性也是保護鋼筋的一項補充措施[3]?；炷帘砻嫣幚碇饕獮榛炷恋拿撍幚怼㈣偯姘搴捅砻嫱扛?。脫水處理是在混凝土剛澆搗成型后,用真空脫水模板對混凝土表層進行真空脫水,排走混凝土中多余的水分和空氣,使混凝土表層更為密實,提高抗氯化物等介質(zhì)的滲透。在混凝土表面涂覆涂料作為抵制侵蝕性介質(zhì)滲入混凝土的第一道防線是一種經(jīng)濟、簡便和有效的方法。表面涂覆一般可分為浸入型和隔離型,前者通過將涂料吸入到混凝土表層,降低混凝土的吸水性;后者則在混凝土表面成膜,形成隔離層。由于涂料的耐久性不佳,因此其對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)往往只能提供暫時性的保護。

2 鋼筋的防護

2.1 限制鋼筋中有害元素硫的含量

硫是很有害元素,硫與鐵和錳生成硫化物，它在合金中呈現(xiàn)單獨的陰極的相而存在，因此使合金產(chǎn)生更多的微電池。此外，含硫的金屬區(qū)域上生成膜，其保護性能低于其它表面上的膜。當(dāng)鋼筋與具有泛酸型侵蝕作用的環(huán)境水接觸時，硫的危害更為顯著，并且能增加鋼筋— —碳素鋼晶粒間腐蝕的傾向,會加速鋼筋的腐蝕，因此在使用鋼筋時要限制鋼筋中有害元素硫的含量，冶煉時提高工藝技術(shù)，降低有害元素的含量。

2.2 在鋼筋表面進行鈍化處理

鋼筋表面鈍化處理[4]，鋼筋表面上的氧化薄膜在一定條件下具有保護作用。普通水泥混凝土的水膜層具有強堿性，對鋼筋能起到一些鈍化作用，但由于直接粘附在鋼筋上的水泥沙漿層起碳化作用，當(dāng)PH值降低到小于9—9.5 時即堿性降低，對造成鋼筋完整的鈍化保護膜有破壞作用。因此，對鋼筋表面進行人工鈍化處理，或利用鋼筋表面所制的強堿性混凝土層保護鋼筋銹蝕便具有意義。在中性或堿性介質(zhì)中，數(shù)量不多的強氧化劑都能引起鋼筋表面的鈍化。鈍化處理在鋼筋尚未受到大氣腐蝕前進行。

2.3 應(yīng)用鋼筋阻銹劑

鋼筋阻銹劑即為抑制鋼腐蝕的緩蝕劑,拌制混凝土?xí)r摻加阻銹劑是防止鋼筋腐蝕的一種經(jīng)濟而有效的方法。在混凝土拌和料中加入外加劑（緩蝕劑），可以有效地阻礙或防止金屬與環(huán)境發(fā)生反應(yīng)。亞硝酸鈉用于防止混凝土中鋼筋的點腐蝕,也曾被認為是良好的阻銹劑, 但NaNO2對混凝土的凝結(jié)時間、早期強度和后期強度都有不同程度的負面影響,而且它是陽極型阻銹劑,用量不足反而會促進鋼筋局部腐蝕,加上亞硝酸鈉有毒,因而, 不能得到廣泛的應(yīng)用。亞硝酸鈣是目前世界上使用最廣的緩蝕劑。研究表明，亞硝酸鈣的作用機理是陽極緩蝕。Ca(NO2)2具有較好的阻銹能力,而對混凝土沒有明顯的負面影響和引發(fā)堿集料反應(yīng)的能力,亞硝酸鈣的防銹性能很好，Ngala等[5]研究表明NO-2在高的水灰比的混凝土中具有一定的滲透能力,當(dāng)Ca(NO2)2作為表面滲透的阻銹劑使用時,對較低氯離子濃度的混凝土中輕微預(yù)蝕的鋼筋具有一定的阻銹作用,對具有高氯離子濃度的混凝土中的鋼筋阻銹作用不明顯。此外,亞硝酸鹽類阻銹劑屬于氧化型緩蝕劑,只有在用量足夠時才有緩蝕效果,否則會引起嚴(yán)重的局部腐蝕。隨著人們環(huán)保意識的增強,亞硝酸鹽的致癌性引起了重視,又陸續(xù)開發(fā)出了Na2PO3F等新型無機阻銹劑。

因為無機亞硝酸鹽阻銹劑在環(huán)保方面的問題，20世紀(jì)80年代以來有機阻銹劑得到很大發(fā)展。有機鋼筋阻銹劑通常有胺類、醛類、炔醇類、有機磷化合物、有機硫化合物、羧酸及其鹽類、磺酸及其鹽類、雜環(huán)化合物等,其優(yōu)點是[6-9]:

1)在各種氯離子濃度下能對鋼筋混凝土提供腐蝕保護。

2)能夠在混凝土中分散,因而既能對鋼筋腐蝕陰極電化學(xué)過程起抑制作用,又能對陽極腐蝕電化學(xué)過程起抑制作用。

表1 鋼筋在含有0.1mol/L氯離子的溶液中的腐蝕電位和點蝕電位

3)無毒、環(huán)境安全性好。

有機緩蝕劑已成為鋼筋阻銹劑研究開發(fā)的熱點。國外研究者采用電化學(xué)方法考察了在氯離子存在的條件下鋼筋在含有一些有機化合物的堿性溶液中的極化特性,結(jié)果發(fā)現(xiàn)有些化合物對Cl-的侵蝕具有抑制作用,見表1。

從表1可以看出,在含有0.1mol/L氯離子的飽和氫氧化鈣溶液中,存在有機化合物的鋼筋電極點蝕電位和腐蝕電位之差均大于相應(yīng)的空白溶液中兩者之差,這表明這些化合物均能增強鋼筋的抗氯離子侵蝕的能力。

2.4 電化學(xué)保護

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的電化學(xué)保護包括陰極保護和電化學(xué)處理。陰極保護能直接抑制鋼筋自身的電化學(xué)腐蝕過程，尤其適用于易受碳化和氯化物污染的混凝土中鋼筋的保護[10，11]，是目前保護混凝土中鋼筋最有效且經(jīng)濟的方法之一。陰極保護法可分為犧牲陽極保護法和外加電流陰極保護法。前者是采用比鋼電位更負的鋁合金等作為陽極與鋼筋電連接,靠自身的腐蝕提供自由電子實現(xiàn)對鋼筋的保護；后者則是以直流電源的負極與被保護的鋼筋連接，正極與難溶性的輔助陽極相接，提供保護電流使鋼筋發(fā)生陰極極化而受到保護。犧牲陽極保護法陽極材料的估計壽命較短，一般不用于新混凝土結(jié)構(gòu)，且陽極提供的電流有限，只能保護陽極附近較小范圍的鋼筋，因而該方法不大適用于暴露于大氣中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。外加電流陰極保護法的應(yīng)用較廣泛，發(fā)展較迅速，近10年已應(yīng)用于新的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。目前,陰極保護法的研究主要致力于開發(fā)新的優(yōu)質(zhì)陽極材料[12]。電化學(xué)處理與外加電流陰極保護法相似，也是以鋼筋為陰極，通以低壓直流電流達到保護鋼筋的目的[13]。其區(qū)別在于電化學(xué)處理是在短期內(nèi)施加大的陰極電流密度,使鋼筋表面發(fā)生電極反應(yīng)產(chǎn)生OH-，提高鋼筋附近混凝土孔隙液的pH值，同時，靠離子遷移排走鋼筋周圍的Cl-,使其濃度低于臨界值。因此，電化學(xué)處理可用于碳化混凝土和氯化物污染引起鋼筋腐蝕的場合。該技術(shù)可以無損地恢復(fù)鋼筋鈍態(tài),其經(jīng)濟和社會效益顯著。

2.5 鋼筋表面加保護涂層（防銹材料）

在鋼筋表面加保護涂層已廣泛應(yīng)用于鋼筋的防腐蝕。最常用是非金屬覆蓋層,主要是有機涂層,包括環(huán)氧涂層、聚氯乙烯、聚丙烯和聚氨酯等,其中以環(huán)氧涂層最常用。環(huán)氧涂層鋼筋是在拋光凈化的鋼筋表面熱噴涂一層致密、堅韌的膜。涂層可以極大地提高鋼筋的防腐蝕性能,有效抵制侵蝕性介質(zhì),適合于含氯離子的環(huán)境。它具有：

1）耐堿性。能長期經(jīng)受混凝土的高堿性環(huán)境（PH=12.5-13.5）；

2）耐化學(xué)腐蝕。由于環(huán)氧樹脂粉末涂層具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性，并且膜層具有不滲透性，因此能阻止水、氧、氯鹽等腐蝕介質(zhì)與鋼筋接觸；

3）彈性和耐摩擦性好。

但有研究表明,環(huán)氧涂層使鋼筋與混凝土的附著強度減少約15%-25% ,而且環(huán)氧涂層鋼筋在使用過程中對其質(zhì)量要求高,使其應(yīng)用受到了一定的限制。

2.6 使用不銹鋼鋼筋

表面涂覆環(huán)氧樹脂的鋼筋和鍍鋅的鋼筋對防止侵蝕性較輕的環(huán)境有用并且在工程中也得到大利的推廣使用，但對處于侵蝕性非常嚴(yán)重的新建鋼筋混凝土構(gòu)筑物或舊結(jié)構(gòu)中某些特殊部位的修復(fù)件，如果用表面涂覆環(huán)氧樹脂的鋼筋則效果不佳,這時就需采用奧氏體不銹鋼或雙相不銹鋼來代替普通碳鋼鋼筋。因為不銹鋼中加入了一些防腐合金元素能有效提高鋼材的抗腐性能,借助于不銹鋼優(yōu)良的抗蝕性能，可以承受較高的臨界氯離子濃度，從而延緩混凝土構(gòu)筑物的腐蝕破壞。

因此，為防止鋼筋的腐蝕，在施工中首先應(yīng)提高混凝土的護筋性,其次必須采取一些補充措施來抑制氯離子的侵蝕。采用鋼筋阻銹劑和電化學(xué)陰極保護是較為經(jīng)濟和有效的保護鋼筋的方法。

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