钢筋混凝土防腐蚀

钢筋混凝土防腐蚀

（上海法赫桥梁隧道养护工程技术有限公司）

摘要：介质对钢筋混凝土的腐蚀机理，根据规范要求提出防腐蚀措施。

关键词：腐蚀机理；钢筋混凝土；基础

1 引言

钢筋混凝土基础埋置于地下，接触到的腐蚀性介质主要是腐蚀性水和污染土。如果地下水对砼具有腐蚀性，设计师就需要进行防腐蚀设计。

2 钢筋混凝土的腐蚀机理

钢筋混凝土的腐蚀分为两部分；一部分是混凝土的腐蚀，另一部分是钢筋的腐蚀。

混凝土受腐蚀的类型有结晶类腐蚀，分解类腐蚀及结晶分解复合类腐蚀。结晶类腐蚀指水或土中某些盐类浸入混凝土的毛细孔中，经干湿交替作用盐溶液浓缩至饱和，当温度下降时析出盐晶体，晶体不断积累膨胀或与混凝土中某些成分相结合生成新的结晶物质膨胀，致使混凝土破坏。分解类腐蚀指水或土中的盐类与混凝土的化学成分反应生成易溶盐，被溶解或被水带走，从而使混凝土分解破坏。结晶分解复合类腐蚀指水或土中的盐类对混凝土既有结晶破坏又有分解破坏。

水或土对钢筋的腐蚀主要为电化学腐蚀和酸类的腐蚀。电化学腐蚀是指钢铁表面各部位受不同的物理或化学条件作用，形成电位差产生腐蚀电流，使钢铁被氧化导致锈蚀破坏。酸类的腐蚀是指水、土中的酸类对钢铁的化学溶蚀居多，它是因与电介质接触的金属表面形成大量短路微电池的作用而引起的。

当钢筋所处环境中含有氯离子等杂质时，会大为加快上述电化学腐蚀的速度，其作用原因为：①破坏金属钝化膜：当混凝土中存在氯离子等有害杂质时，可使混凝土局部的PH值降低，造成钝化膜的局部破坏，电化学腐蚀可以进行；②导电作用：腐蚀微电池的要素之一是要有离子通路，氯离子和硫酸根离子的存在，降低了混凝土中的电阻，从而加速了钢筋的电化学腐蚀过程；③阳极去极化作用：氯离子还会加速电化学腐蚀的阳极反应过程，其原理是将阳极反应生成的Fe2+“搬走”，使阳极反应得以顺利进行，也就加速了钢筋的腐蚀过程。同时在这些过程中，氯离子并未被消耗，也即凡进入混凝土中的氯离子均会周而复始地起作用，其危害非常大，建筑物中的金属腐蚀很大程度是由于氯离子造成的。

各主要腐蚀指标（介质）的腐蚀作用为：

2.1 PH值（酸碱度）

PH值较小，表明水中的H+浓度相对较高，具有酸性，可与混凝土的CACO3等物质发生复分解反应，产生分解腐蚀。同时，PH值小显酸性时，会对钢铁产生酸性腐蚀。将11.5称做保护钢筋的“临界PH值”。

2.2 侵蚀性CO2（溶蚀碳酸钙）

地下水中常含有一些游离的碳酸（CO2），而水泥石中的氢氧化钙能与碳酸起化学反应，生成碳酸钙（CaCO3），碳酸钙又与碳酸起化学反应，生成易溶于水的碳酸氢钙：

如果水泥石在有渗滤的压力水作用下生成碳酸氢钙，并溶于水中被冲走，上述反应将永远达不到平衡。氢氧化钙将连续流失，使水泥石中石灰浓度逐渐降低，使硬化了的水泥石结构发生破坏。环境水中含游离碳酸越多，其侵蚀性也越强烈；若水温较高，则侵蚀速度将加快。

2.3 阴离子（HCO3-、Cl-及SO42-）

当水泥石处于软水（矿化度低于0.1g/L）中时，氢氧化钙将首先被溶解，溶出性侵蚀的强弱

程度与水质的硬度有关。如水质较硬，即水中HCO3-，（重碳酸盐）含量较高时，氢氧化钙的溶解度较小，侵蚀性也就较弱；反之，水质越软，侵蚀性也越强。PH值的变化直接影响H2CO3在水溶液中的存在形式。当PH 值小于4~10，主要以HCO3-形式存在；当PH值大于10时，主要以CO32-存在。HCO3-的存在会抑制FeCO3的溶解，促进钝化膜的形成，从而降低钢筋的腐蚀速度。当水中的硬度较大时，HCO3-与Ca（OH）2反应生成CaCO3，形成碳化保护层，阻止Ca（OH）2的进一步被溶出。因此，生活污水中硬度很小（呈软水），而CO2含量相对较多时，对砼腐蚀作用就特别强烈。

SO42-是混凝土结晶腐蚀中最活跃也是最主要的阴离子，而且含SO42-和CI-的盐类都对钢铁具有电化学腐蚀的作用。硫酸盐的腐蚀是盐类腐蚀中最普普遍而具有代表性的，它的腐蚀过程如下：硫酸盐与混凝土中的游离氢氧化钙作用，生成硫酸钙，再与水化铝酸钙作用，生成硫酸铝钙，体积膨胀两倍以上。在硫酸盐中，又以硫酸钠、硫酸铵对混凝土的腐蚀性最大，硫酸钙在硫酸铵溶液中形成复合盐CaSO4·（NH4）2SO4·H2O，溶解度增加。

2.4 阳离子（Na+、k+、Mg2+、NH4+）

水中的Na+、K+、Ca2+、Mg2+能与SO42-生成结晶物，如：Na2SO4·10H2O、CaSO4·2H2O、MgSO4·7H2O等，使混凝土产生结晶类腐蚀。其中Mg2+比Ca2+活泼，它能把混凝土中的Ca2+置换出来，使混凝土产生分解腐蚀。

NH4+能生成强酸弱碱盐类，与混凝土中的碱性物质反应，使其发生分解腐蚀。

地下水中含有的镁盐能与水泥石中的Ca（OH）2发生反应。在生成物中，氯化钙（CaCI2）易溶于水，氢氧化镁（Mg（OH）2）松软无粘结力，石膏则会产生硫酸盐侵蚀，都将破坏水泥石结构。镁盐侵蚀的强烈程度，除决定于Mg2+含量外，还与水中SO42-含量有关，当水中同时含有SO42-时，将产生镁盐与硫酸盐两种侵蚀，故显得特别严重。

3 防腐蚀设计

最大限度地保证混凝土的高碱度和防止有害离子入侵，是防腐蚀措施的出发点。我国著名防腐蚀专家洪乃丰教授把钢筋防腐蚀措施分为基本措施和附加措施两大类：

（1）基本措施主要是提高混凝土自身的防护能力：选择优质水泥、增加水泥用量、降低水灰化、使用优良外加剂、掺合料、增加保护层厚度等。

（2）附加措施实践证明，在较严酷的腐蚀环境条件下，单靠“基本措施”尚不能达到耐久性要求，必须采取相应措施，如：

①外涂层、渗透层、覆盖层、隔离层；水泥基层、聚合物、树脂类涂层等。外涂层有隔离腐蚀环境的功能，对于保护混凝土的碱度和防止有害离子入侵都是有效的。但大多数涂层自身寿命不长（10年左右），且再次涂覆困难，故外涂层在“耐久性保护”方面其应用受到一定限制。

②钢筋阻锈刑有阴极型、阳极型、复合型等类型，系由无机和有机物构成。加入混凝土中，除能阻止、减缓钢筋锈蚀外，对混凝土的基本性能无不利影响。

③特种钢筋：环氧涂层钢筋、耐蚀钢筋、不锈钢筋、镀锌钢筋等。其中环氧涂层钢筋发展较快，美、日等国已批量用于工程。连续完整的环氧薄膜，能有效的隔离渗入混凝土内的有害离子与钢筋的接触，从而能保护钢筋不受腐蚀。然而，施工中需要小心绑扎（改用尼龙丝），并随时补涂运输、施工过程中划伤、碰坏的膜层部分，否则会加速该部位的腐蚀。价格较贵也是限制因素。目前，我国已有产品标准。

④阴极保护：根据阴极保护原理，采用施加外加电流或牺牲阳极的方法，使混凝土内钢筋电位处于-0.85V左右（饱和硫酸铜电极），则钢筋就不会腐蚀。对于新工程，阴极保护可用于海中、水域或地下潮湿的独立构筑物。须严格控制保护电位范围，防止析氢引起“握裹力”降低和氢脆发生，对于预应力混凝土更应慎重。

3.1 提高混凝土自身的保护能力

3.1.1 合理选择水泥品种

为配制密实性混凝土，在水泥品种选择上至少应该注意以下几个方面：

（1）选择低水化热水泥。

（2）避免使用早强水泥和早强剂。

（3）选择有害碱（K+、Na+）含量低的水泥，以防止发生“碱集料反应”。

（4）选择铝酸三钙（C3A）含量低的水泥。铝酸三钙（C3A）有高强效应，更主要的是，它能与硫酸盐起化学反应，产生体积膨胀，使混凝土开裂。

《腐规》要求：①混凝土和水泥砂浆宜选用普通硅酸盐水泥或硅酸盐水泥；地下结构或在弱腐蚀条件下，可选用矿渣硅酸盐水泥。②受硫酸根离子作用且腐蚀性等级为强腐蚀、中等腐蚀的地下结构，可选用铝酸三钙含水量不大于5%的普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥或抗硫酸盐硅酸盐水泥。

重要部位的钢筋混凝土构件，其混凝土强度等级不应低于C25。

3.1.2 选用较好的砂、石骨料

粗、细骨科，按体积计算，它是混凝土的主要组成部分，达80%之多，其耐蚀性和表面性能对混凝土的耐蚀性能具有很大影响。

当混凝土的水泥含有较多的碱，同时使用了含有活性氧化硅的粗骨料时，水泥中碱性氧化物水解后形成的氢氧化钠和氢氧化钾与骨料中的活性氧化硅就起化学反应，结果在骨料表面生成了复杂的碱-硅酸凝胶体。这样就改变了骨料与水泥浆的原来界面，生成的凝胶体是无限膨胀性的（指不断吸水后体积可以不断膨胀）。由于凝胶体为水泥石所包围，故当凝胶体吸水不断膨胀时，会把水泥石胀裂，由于这是混凝土骨料本身坚硬颗粒的膨胀，所以对混凝土十分有害。这种碱性氧化物和活性氧化硅之间的化学作用通常称为碱集料反应。碱集料反应问题可使混凝土遭受严重破坏，被称之为混凝土的“癌症”。

碱集料反应，首先决定于两种反应物的存在和含量，碱性物质主要来自水泥。在一般情况下，当骨料中含有活性氧化硅时，水泥含碱量超过0.6%（折算成氧化钠含量），就可能发生碱集料破坏。我国混凝土的碱含量限制为3.0kg/m3，为满足这一限定值，可采取如下方法：

a、使用碱含量低的水泥；

b、降低水泥用量；

c、不用或少用含NaCI和KCI多的海沙、海石和海水；

d、不用或少用含碱外加剂；

e、使用混合水泥或掺加混合料，如矿渣、粉煤灰和硅灰。

《腐规》要求：混凝土的砂、石应致密，并可采用石灰石、石英石或花冈石。

改善粗细骨料的颗粒级配，在允许的最大粒径的范围内尽量选用较大粒径的粗骨料，可减少骨料的空隙率，也有助于提高混凝土的耐久性。

3.1.3 适当控制混凝土的水灰比及水泥用量

水灰比的大小是决定混凝土密实性的主要因素，它不但影响混凝土的强度，而且也严重影响其耐久性，故必须严格控制水灰比。

保证足够的水泥用量，同样可以起到提高混凝土密实性和耐久性的作用。《腐规》中对钢筋混凝土的规定为：

最大水灰比：0.55

最小水泥用量：300kg/m3

单位水泥用量较高的混凝土，混凝土拌和物比较均匀，可减少混凝土捣实过程中出现的局部缺陷。而且，水泥用量较高的混凝土，能经常保持钢筋周围有较高的碱度，使钢筋钝化膜不易破坏，也就是说希望钢筋能够被足够数量的水泥浆包裹。

3.1.4 掺用加气剂或减水剂

掺用加气剂或减水剂对提高抗渗、抗冻等有良好的作用，在某些情况下，还能节约水泥。

3.2 混凝土保护层

混凝土保护层对钢筋的防腐蚀有着双重作用。首先，增加它的厚度可明显地推迟腐蚀介质达到钢筋表面的时间，其次可增强抵抗钢筋腐蚀造成的胀裂力。随着保护层厚度增加，渗入到混凝土的氯离子含量急剧降低。当保护层厚度由10.0cm减为3.0cm时，开始腐蚀的时间将由10a以后提前到1a。

《腐规》对受力钢筋的混凝土保护层最小厚度提出了要求，应严格执行。

3.3 污染土地基的处理

污染土系指建筑场地由于生产或自然环境等综合原因造成地基土的污染，主要作用于未见地下水部位的地下构筑物。污染土对基础的腐蚀，具有鲜明的地域性，我国主要土壤类型可分为中碱性土壤、酸性土壤、内陆盐土和滨海盐土四大类。混凝土及钢筋混凝土材料在上述四大类土壤中腐蚀状况各不相同，并有专门规范规程指导设计，本文不再赘述。《腐规》对污染土地基的处理，有下列措施：

（1）局部挖除污染土层，但保留的污染土层的厚度应通过变形计算确定。

（2）全部挖除污染土层。

（3）采用砂桩或碎石桩加固污染土层。

（4）采用预制钢筋混凝土桩基础穿越污染土层，柱身应进行防护处理。

参考文献：

[1] 工业建筑防腐蚀设计规范（GB50046-95）.

[2] 岩土工程勘察规范（GB50021-2001）.

[3] 混凝土结构设计规范（GB50010-2002）.

[4] 洪乃丰.基础设施腐蚀防护和耐久性问与答.化学工业出版社.