卢灿
深圳职业技术学院后勤基建处， 广东深圳，518055
摘要
本文首先阐述了钢筋锈蚀对滨海钢筋混凝土建筑结构的危害性，并简述了钢筋在混凝土中发生锈蚀的机理。随后介绍了目前常用的防止钢筋锈蚀的方法和技术以达到延长滨海钢筋混凝土结构使用寿命的目的，并着重分析和讨论了外加电流阴极保护技术，为提升滨海钢筋混凝土的耐久性提供参考意见。
关键词：钢筋锈蚀；滨海混凝土；外加电流阴极保护；耐久性
1 钢筋锈蚀对混凝土结构的危害
我国滨海地区土木工程建设一直处于高速发展阶段，钢筋混凝土材料具有成本低廉、坚固耐用、取材广泛等特点，因而在工程中被普遍应用且需求量巨大。但是，多数的钢筋混凝土结构由于各种原因提前破坏，达不到最初的设计服役年限，称为钢筋混凝土结构耐久性降低。耐久性是指钢筋混凝土在实际使用条件下抵抗各种破坏因素的作用，长期保持强度和外观完整性的能力。Mehta教授[1]指出，导致混凝土结构破坏的原因按影响的严重性依次为钢筋锈蚀、霜冻作用以及物理化学作用。钢筋锈蚀会导致钢筋横截面积减小，造成结构承载力降低；另外，钢筋锈蚀还会显著降低钢筋与混凝土之间的粘结强度，致使钢筋无法有效地将拉伸应力传递给混凝土；再者，钢筋锈蚀产物比初始体积显著增大，对混凝土产生的挤压力引起混凝土保护层受拉开裂，最终造成钢筋混凝土结构工作性能严重下降。
混凝土中的钢筋锈蚀问题已经造成国民经济重大损失。我国对历年来海港工程破坏情况的调查表明[2]，当服役年限达到10年，处于浪溅区的上层混凝土结构因钢筋锈蚀造成严重开裂。1998-2001年，我国钢筋锈蚀年直接损失高达5000亿人民币，占当时国民生产总值的6%。国外的情况也不容乐观，英国的中环线快车道上共有11座高架桥，全程约21公里，工程总造价约2800万英镑，在冬季因撒除冰盐引起钢筋锈蚀导致混凝土结构破坏，此后十余年的维修费用达到最初造价的5倍多[3]。钢筋锈蚀除了造成巨大的经济损失外，还可能引起突发的灾难性事故，造成人员伤亡。
2 钢筋锈蚀的机理
通常地，拌制混凝土采用的硅酸盐水泥含有大量硅酸钙，随着水泥水化的进行生产氢氧根离子，使环境PH值达到12以上，钢筋在这种强碱性条件下其表面会形成一层致密的钝化膜，保护钢筋不发生锈蚀[4]。然而，环境中的有害介质通过渗透作用进入混凝土，导致钢筋表面的钝化膜破裂，钢筋失去钝化膜的保护就会发生锈蚀。大气环境中导致钢筋钝化膜破裂的有害介质主要包括二氧化碳和氯离子。在远离海洋的内陆地区，主要是二氧化碳渗入混凝土中降低钢筋附近的碱性造成钝化膜的不稳定。对于滨海地区而言，主要是由于有害氯离子的侵入造成钢筋锈蚀，其破坏机理包括：
1）破坏钝化膜。氯离子通过混凝土毛细孔到达钢筋表面，由于氯离子具有极强的穿透能力，当钢筋附近的孔溶液中氯离子浓度达到某一临界值，钝化膜就会局部破坏而使钢筋表面活化发生锈蚀。
2）形成腐蚀电池。氯离子在很小的局部区域破坏钝化膜致使钢筋外露，外露的钢筋与被钝化膜保护的钢筋之间形成电位差，导致腐蚀电池的形成。
3）加速阳极反应过程。在电位差形成的电场作用下，氯离子不断向阳极迁移并富集，与阳极区的亚铁离子生成FeCl2，随后FeCl2向外扩散，与孔溶液中生成的氢氧根离子结合生成难溶于水的Fe(OH)2,而被释放的游离态氯离子再次向阳极迁移，“搬运”出更多的亚铁离子从而加速阳极反应过程。
3 钢筋混凝土防腐技术
为了防止混凝土中钢筋的腐蚀现象，可以分别对混凝土和钢筋本身进行防腐处理，从而延长滨海钢筋混凝土结构的服役年限。
就混凝土材料而言，可以通过提高混凝土抗渗性和密实度阻止有害氯离子的侵入达到保护钢筋的目的。相应的措施包括降低水灰比，改善骨料颗粒级配，降低混凝土孔隙率，减少渗水通道，掺入适量防水剂、早强剂或减水剂等化学外加剂提高密实度，使抗渗性增强[5]。针对有害介质由表及里逐渐侵入的特点，可以采取表面改性技术优化混凝土表层，从而提高混凝土保护层的耐久性，如喷涂硅烷类憎水性材料、防渗透涂层、聚合物改性砂浆等[6]。在拌制混凝土时加入一定量的缓蚀剂或阻锈剂可以提高钢筋混凝土的抗腐蚀能力，其中迁移型的阻锈剂效果明显应用较为广泛。针对混凝土中的钢筋本身而言，常采用的防腐技术包括以下几种[7]：
1）选用耐腐蚀的钢筋。现在国内外防腐蚀措施中的一种流行趋势是采用不锈钢替代传统的建筑钢筋。采用不锈钢的建筑设施不需要任何的维护，即使在恶劣的滨海坏境中，其服役寿命也可达到60年。
2）对钢筋表面进行防护处理，这种防腐技术大致可以分为金属的和非金属的处理方式。金属表面处理措施主要是在钢筋表面镀锌，不仅可以在使钢筋和外界环境隔绝，而且还可以起到牺牲阳极阴极保护的效果。非金属表面处理措施主要是在钢筋表面涂覆环氧树脂或聚合物树脂等。
3）对钢筋实施电化学保护。这一类电化学保护措施有电化学除氯、电化学再碱化以及阴极保护，包括牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护等。
4 外加电流阴极保护技术
外加电流阴极保护（Impressed Current Cathodic Protection, ICCP）技术被认为是唯一能在氯盐腐蚀环境中有效控制混凝土结构中钢筋锈蚀的防腐技术[8]。ICCP技术的基本原理是通过外部直流电源设备给钢筋施加一定数量的阴极保护电流，将钢筋与直流电源的负极连接，辅助阳极与正极连接，保护电流通过混凝土到达钢筋表面使钢筋发生阴极极化，从而使钢筋上发生的阳极反应被降低至极小的程度。对于钢筋混凝土而言，ICCP技术的目的是将钢筋的电位极化进入某一区域，在该区域钝化钢筋不发生腐蚀，而已经腐蚀的钢筋腐蚀速度显著降低，使结构在设计服役年限内不会发生腐蚀破坏。ICCP技术除了能使钢筋发生阴极极化，钢筋电位负移进入稳定区或钝化区之外，还有可以在钢筋附近产生氢氧根离子，提高钢筋周围混凝土孔溶液的碱性，促使钢筋钝化膜再次生成。并且，氯离子从阴极区域向阳极区域发生迁移，减少钢筋表面氯离子的含量，抑制氯离子向混凝土内部渗透。
5 总结
钢筋腐蚀引起的滨海钢筋混凝土结构的耐久性问题需要引起重视，因为其不仅会造成极大的经济损失，还会造成建筑资源的浪费，甚至造成人员伤亡。混凝土中钢筋锈蚀主要是一种电化学腐蚀过程，空气中的二氧化碳和氯离子是造成钢筋锈蚀的主要因素。工程中，一方面可以通过增加混凝土密实度和加大混凝土保护层厚度来延缓有害介质的侵入，另一方面可以采用外加电流阴极保护技术来人为地防止钢筋的锈蚀发生。
参考文献
[1] Mehta P. Concrete durability-fifty years progress; proceedings of the Proc of 2nd inter Conf on Concrete Durability [C], 1991. ACI SP126-1.
[2] 柯伟. 中国腐蚀调查报告 [M]. 北京: 化学工业出版社, 2003.
[3] 王冰. 超高韧性水泥基复合材料与混凝土的界面粘结性能及其在抗弯补强中的应用 [D]. 大连:大连理工大学, 2011.
[4] 董必钦, 李伟文, 冯文元, 刘伟. 深港西部通道地道高性能混凝土耐久性对策研究 [J]. 混凝土, 2007, 第6期: 30-32.
[5] 吕洪涛. 桥梁建设中钢筋混凝土存在的问题和技术补充 [J]. 科技创新与应用, 2013, 第5期: 186-186.
[6] 田惠文, 李伟华, 宗成中, 侯保荣. 海洋环境钢筋混凝土腐蚀机理和防腐涂料研究进展 [J]. 涂料工业, 2008, 38(8): 62-67.
[7] 杜荣归, 黄若双, 赵冰, 胡融刚, 林昌健. 钢筋混凝土结构中阴极保护技术的应用现状及研究进展 [J]. 材料保护, 2003, 36(4): 11-14.
[8] 许贤敏. 钢筋的阴极保护法在国外的应用 [J]. 建筑技术, 1998, 第2期: 119-119.