深入探讨公路桥梁钢筋锈蚀的原因及解决方案
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摘要:在我国公路桥梁中，钢筋腐蚀是一个普遍的问题，也是需要引起高度重视的问题。如果对钢筋的腐蚀问题不能及时有效的处理，不仅会影响到公路桥梁的使用寿命，严重的造成坍塌，跟人们的出行带来很大危险。
Abstract: China's roads and bridges, steel corrosion is a common problem, but also a problem need attention. If can not be timely and effective treatment on the steel corrosion problem, it will not only affect the service life of roads and bridges, caused serious collapse for people traveling great danger. Key words: roads and bridges; steel corrosion; reason; importance; measures
中图分类号：U445.7+1文献标识码： A 文章编号：2095-2104（2012）04-0020-02
1公路桥梁混凝土钢筋锈蚀的原因
混凝土中大量存在的氢氧化钙和少量的钠、钾等碱金属氧化物, 使得混凝土具有很强的碱性, 在混凝土中的钢筋表面形成一层胶质钝化层, 该钝化层对钢筋的耐腐蚀性是有利的。当混凝土构件长期暴露于除冰剂、盐液、含盐的雾气或海水等环境时, 氯离子就会通过混凝土中的气孔, 随水进入到混凝土的内部, 最终会接触钢筋并开始沉积。当氯离子达到一定浓度后, 在氧气和潮湿气体的共同作用下, 从混凝土与钢筋的界面开始破坏钝化层、腐蚀钢筋。在没有氯离子存在的情况下, 也可以发生腐蚀现象。钢筋锈蚀是造成钢筋混凝土桥梁耐久性损伤的最主要和最直接因素,也是混凝土桥梁耐久性破坏的主要形式之一。
1.1碳化现象
钢筋保护层的碳化是钢筋锈蚀的主要原因之一,碳化的原因是由于混凝土不密实,抗渗性能不足。由于钢筋混凝土质量较差或保护层厚度不足等,使混凝土保护层受二氧化碳碳化至钢筋表面,使钢筋周围碱度降低,从而生成氢氧化铁锈蚀物,产生锈蚀硬化的混凝土。而当不密实的混凝土置于空气中或含二氧化碳环境中时,由于二氧化碳的侵入,混凝土中的氢氧化钙与二氧化碳反应,生成碳酸钙等物质,其碱性逐渐降低,使得混凝土出现碳化现象,造成对钢筋的锈蚀,影响公路桥梁的安全性。
1.2氯化物等有害气体的介入
氯化物对钢筋混凝土中钢筋的腐蚀形式主要表现为孔蚀。孔蚀是一种危险性较大的局部腐蚀,发生了孔蚀的钢筋,其力学性能改变较大,造成钢筋截面积减小,严重的则发生钢筋断裂,对安全生产影响极大。在混凝土中钢筋的周围氯离子较高,均可引起钢筋周围氧化膜破坏,钢筋中铁离子与侵入到混凝土中的氧气和水分发生锈蚀反应,从而生成氢氧化铁锈蚀物。
1.3环境湿度造成钢筋的锈蚀
环境对钢筋锈蚀的影响主要有温度、湿度、二氧化碳浓度、氧气浓度以及侵蚀性介质的浓度。对于钢筋混凝土桥梁来说,影响最大的是湿度。由于钢筋和混凝土的结合物是支撑起全身重量的骨架,钢筋在空气中遇到水,加上钢筋材质中的一些杂质,很容易产生锈蚀。所以,在非常潮湿的环境下(相对湿度达到100%),混凝土孔隙充满水分,二氧化碳气体则不易渗入,即不能对钢筋造成锈蚀。而当相对湿度在80%左右时,却有利于碳化作用,使得混凝土钢筋容易被腐蚀。
2钢筋锈蚀的危害
混凝土中的钢筋具备上述条件之一，均可引起钢筋锈蚀。如不及时采取措施，随着时间的延长钢筋锈蚀会越来越严重，危害无穷。钢筋锈蚀是一个电化学反应过程，由铁变化成氧化铁，其体积比原来增大2～7倍，从而对周围混凝土产生膨胀应力，钢筋与混凝土之间的粘结应力降低或失效，致使混凝土保护层顺钢筋方向开裂、剥离甚至脱落。一旦发生钢筋锈蚀，混凝土构件将产生钢筋有效断面面积减小、混凝土与钢筋间的握裹力削弱、结构承载力降低等同题，严重的可导致构件断裂、构筑物坍塌。钢筋锈蚀通常表现在混凝土表面沿受力钢筋方向出现裂缝,而且带有锈斑,使得混凝土开裂、膨胀。钢筋锈蚀不仅能削弱其截面积,使构件承载能力下降,同时还会降低钢筋与混凝土的融合力,从而降低结构的受力性能和耐久性能。钢筋锈蚀使混凝土结构遭到严重破坏,造成巨大的经济损失。随着我国高速公路和城市立交桥的大量建设,钢筋腐蚀引起的桥梁破坏问题已开始显露出来。由于盐害、冻害和碳化等多种因素作用,公路桥梁经过一段时间运行后,混凝土保护层即出现严重的开裂、剥落、钢筋严重锈蚀现象,即使经过维修加固,仍会造成腐蚀破坏。长期以来,由于重强度轻耐久设计思想的影响,大量的钢筋混凝土结构在使用期内就出现了因耐久性失效而老化的现象,其中钢筋锈蚀是造成钢筋混凝土桥梁耐久性损伤的最主要和最直接因素,也是钢筋混凝土桥梁耐久性破坏的主要形式之一。
3公路桥梁钢筋锈蚀的防治方法
防止混凝土中钢筋腐蚀最根本的方法是提高混凝土材料本身的密实性。但是，混凝土材料本身的特性以及大型混凝土构筑物的施工特点决定了完全消除孔隙、微裂缝是很困难，甚至做不到的。这就需要利用一些附加措施来阻止腐蚀的发生，具体说来混凝土中钢筋腐蚀的防护方法主要有：提高混凝土保护层质量、涂层、钢筋阴锈剂、阴极保护等。
3.1 提高混凝土保护层质量。
3.1.1 加大混凝土保护层厚度。
3.1.2提高混凝土密实度。
a.水泥和骨料的选择。水泥是配置混凝土的关键原料。为提高混凝土抗腐蚀性和抗裂性能, 选用含C3A、碱量低的普通硅酸盐水泥和坚固耐久的洁净骨料, 并控制水泥和骨料中氯离子的含量; 要重视单方混凝土中胶凝材料的用量和混凝土骨料的级配, 以及对粗骨料的粒形要求, 并尽可能减少混凝土胶凝材料中的硅酸盐水泥用量。b.掺入高效活性矿物掺合料。活性矿物质掺合料中含有大量活性 SiO2及活性Al2O3。由于现在水泥产品的细度减小、活性增加, 使得水化反应加速、放热加剧、干燥收缩增加, 导致混凝土温度收缩和干缩产生的裂纹增加。将一级粉煤灰、S95 级矿粉复合掺入混凝土中, 可以减少热开裂, 提高抗渗性, 降低混凝土中钙矾石的生成量。c.使用高效减水剂。一般情况下,混凝土配合比设计中对混凝土抗渗性最具影响力的参数是水灰比。因此在保证混凝土拌和物所需流动性的同时, 应尽可能降低用水量。加入减水剂可以使水泥体系处于相对稳定的悬浮状态,在水泥表面形成一层溶剂化水膜, 同时将水泥在加水搅拌中絮凝体内的游离水释放出来, 达到减水的目的。
3.1.3采取措施,控制混凝土有害裂缝。
一是防止混凝土碱集料反应引起混凝土裂缝,比如选择含碱量低的水泥(≯0.6%),不使用碱活性的集料,不使用含碱或含碱量低的化学外加剂等;二是防止集料膨胀反应引起的混凝土开裂,对集料生产、运输、堆放及搅拌等工序进行科学管理,防止将含氧化镁或硫酸盐的膨胀集料或生石灰碎块混入集料中;三是防止因温度变化引起混凝土开裂,合理设置、安装桥梁伸缩缝与支座,加强桥梁养护,及时清理伸缩缝中杂物;四是尽量采用预应力结构;五是应用设计允许的最小水泥用量和能满足和易性要求的最小用水量,不要用过大的坍落度,均匀浇筑混凝土,并及时对混凝土进行养护,施工现场的材料堆放要合理,避免施工超载。
3.2 涂层。
涂层的作用是隔绝离子通路，从而阻止腐蚀反应的发生，可以分为混凝土外表面涂层和钢筋表面涂层两个大类。2.2.1混凝土外表面涂层。主要包括聚合物改性砂浆、渗透型涂层和表面涂料等。聚合物改性水泥砂浆中的聚合物大都以乳液形式掺入水泥砂浆中，大大提高了砂浆层密实性和粘接力。可以在潮湿基面上施工，其耐久性可与基体（混凝土）保持一致。聚合物改性水泥砂浆有着良好的密实、抗渗性，并兼有耐磨、粘接力强等优点，若配有阻锈成分，对钢筋的保护能力会更强。渗透型涂层材料在混凝土表面涂覆后，可以深入混凝土内部一定的范围（如 3- 5mm），与混凝土组分起化学反应并堵塞孔隙，或自行聚合形成连续性憎水膜，形成一个特殊的防护层。表面涂料常常需要具有抗氧化、防紫外线和红外线的能力，有时对抗磨、防冲击及耐适度化学物质侵蚀也有一定要求。在地下工程中，常使用沥青、煤焦油类作为混凝土的表面涂料，该类涂料具有较好的防水、防腐性能，而且价格低廉；但存在不美观等缺点。市售的油漆也可以用做表面涂料。由于混凝土真有碱性，要求使用的油漆必须是耐碱的。但是油漆类的涂料一般不能在潮湿的表面上施工，存在易老化、不耐久等缺点。树脂类涂料，如环氧树脂、已烯基树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂等，都可以用于混凝土的外表面，具有较好的防护性能和耐久性；但存在价格贵，不能在潮湿表上施工。
3.3钢筋表面涂层。
为增强钢筋的抗腐蚀能力，出现了镀锌钢筋、包铜钢筋、合金钢钢筋、不锈钢钢筋及环氧树指涂层钢筋等一系列钢筋新品种或防护方法。到目前为止，镀锌钢筋、包铜钢筋已很少使用；合金钢钢筋（耐蚀钢筋）在日本得到一定发展；对于不锈钢钢筋及环氧涂层钢筋，得到了较广泛的工程应用，被确认为是防钢筋锈蚀的有效措施之一。
3.4 钢筋阻锈剂。
钢筋阻锈剂能够阻止或延缓氯离对钢筋钝化膜的破坏，拌制混凝土时掺加阻锈剂是防止钢筋腐蚀的一种经济而有效的方法。钢筋阻锈剂具有使用方便，应用范围广，有效期长等优点；但也存在一些问题，如掺入型阻锈剂在新建建筑物中使用量大，总体成本较高；渗透型阻锈剂渗透深度有限，在港口工程码头中应用无法到达钢筋表面。除此以外，阻锈剂的防护效果与混凝土质量关系密切，在质量低劣的混凝土结构中，也难以保证长久的耐久性。
3.5阴极保护。
阴极保护能直接抑制钢筋本身的电化学腐蚀过程，尤其适用于易受碳化和氯化物污染的混凝土中钢筋的保护，是目前防止混凝土中钢筋腐蚀有效且经济的方法。根据阴极极化方式的不同，分为牺牲阳极法和外加电流法两种。牺牲阳极法用电位较负的金属与钢筋电连接，使钢筋阴极极化；外加电流法用外加直流电源的负极与钢筋连接，使钢筋阴极极化。牺牲阳极法一般不适用于新建混凝土结构且阳极提供的电流有限，只能用于保护阳极附近较小范围的钢筋。外加电流法使用外部直流电源，电源的负极接钢筋，正极接辅助阳极。辅助阳极是外加电流法的关键技术问题之一，决定着外加电流技术的保护效果。现在比较常用的辅助阳极是混合金属氧化物钛网阳极，这种阳极是在钛网上覆盖一层钛、钽、铱、铂或钌的氧化物，这些氧化物具有催化作用，在比较高的阳极电流密度下，不会对周围混凝土材料造成侵蚀。这种阳极具有耐蚀性好，允许通过的最大电流密度大的优点。
3.6提高钢筋混凝土的抗渗性和密实性
对于因钢筋锈蚀造成的桥梁结构病害,首先要从结构安全及经济性方面考虑。混凝土的碳化是由混凝土抗渗性和密实性不足引起的,因此,为防止碳化,必须提高混凝土的抗渗性和密实性。一般采用控制水灰比的方法,使其不超过规范规定的最大值。在混凝土中加入适量粉煤灰、矿渣粉等细集料,适当延长搅拌时间,同时加强混凝土的振捣,特别是在钢筋密集部位或结构断面复杂部位,力争将模板内的空气排除干净,避免内部出现空洞。要提高钢筋混凝土保护层的密实性和厚度,使其符合设计要求,否则,里面的钢筋就会提前锈蚀,造成一定的损害。
3.7采用特种钢筋,提高混凝土自身防御能力
要有效地降低有害离子的侵入和损坏。在钢筋混凝土施工中,应有效隔离渗入混凝土中的氯离子,防止氯化物等有害物质对钢筋的锈蚀,应慎重添加混凝土中氯盐类外加剂,避免氯化物对钢筋混凝土的破坏。配制混凝土时严格控制原材料,骨料不能采用海产骨料,用水不能直接采用海水或氯离子含量高的水,如需用应采用经过技术处理的水质,同时要合理选用水泥品种和其他原材料。避免使用受海水、矿物质和工业废水等侵蚀的混凝土,应考虑优先采用粉煤灰水泥和矿渣水泥等原料,从而减少有害物质对钢筋混凝土的破坏。
3.8采用外涂隔离层法减少环境湿度对钢筋的侵蚀
为减少环境湿度对钢筋的侵蚀作用,可采用在钢筋外涂隔离层的方法,提高混凝土的防水性及耐久性。首先把受损钢筋全部露出,用喷砂枪等工具对钢筋做除锈处理,剔除混凝土表面的灰尘和泥土等,再对钢筋做防锈处理,并清除松动的混凝土,在露出的钢筋表面涂以环氧树脂涂液等粘结剂。如果钢筋用于受严重锈蚀且处于恶劣环境的公路桥梁结构中,还应考虑采用除锈剂涂抹钢筋表面,从而有效减少环境湿度对钢筋的侵蚀,保证公路桥梁的牢固性。
总之，钢筋混凝土结构的设计寿命要求较长，一般50 年以上，有的甚至要求上百年。但是实际的使用寿命远不能达到设计寿命要求。在混凝土结构维修方面的费用巨大，给国家、社会造成巨大的经济损失，这其中由混凝土中钢筋的腐蚀所造成的损失占很大的比重。混凝土中钢筋的腐蚀是可以预防的，减少公路桥梁中钢筋的锈蚀现象,应从各项基础工作做起,首先选择合适的材料,如颗粒细的水泥,其凝结越快,泌水越少,抗渗性和密实性也越好。要保证保护层混凝土不因漏振、钢筋骨架走动而出现露筋现象。混凝土浇注完成后,采取覆盖和养护措施,避免风吹日晒,造成对钢筋混凝土表面收缩,出现裂纹等现象。另外钢筋在运输过程中,也要做好防锈蚀、防污染工作,堆放在露天时要做好遮盖工作,对于外表有严重锈蚀的要剔除,不得使用。
参考文献
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