化学试剂对桥梁钢筋锈蚀的影响

王国海

（内蒙古路桥有限责任公司，内蒙古呼和浩特010010）

化学试剂对桥梁钢筋锈蚀的影响

王国海

（内蒙古路桥有限责任公司，内蒙古呼和浩特010010）

首先对桥梁钢筋锈蚀的基本原理和类型进行了简要概述，然后通过试验研究了化学试剂对桥梁钢筋锈蚀的影响。结果表明：桥梁钢筋锈蚀实质上是电化学反应过程，主要包括了均匀锈蚀、点蚀和缝隙锈蚀三种类型。化学试剂在钢筋的表面通过竞争吸附形成了一层保护膜，降低了Cl-在混凝土中的渗透速率，起到提高钢筋耐腐蚀性的作用。

化学试剂；桥梁；钢筋锈蚀；影响

前言

现阶段随着我国现代化建设进程的不断深入，城市立交桥的建设数量逐年增多，随之而来的是逐步显露的钢筋锈蚀的问题。防止钢筋锈蚀的技术措施有多种，在保证混凝土密实性的基础上，掺用钢筋阻锈剂是最为经济合理的一种方法。为了进一步探究化学试剂对桥梁钢筋锈蚀的影响，本文通过化学试验对其进行了深入的探究。

1 桥梁钢筋锈蚀基本原理和类型

1.1 桥梁钢筋锈蚀机理

桥梁钢筋锈蚀的实质上属于电化学反应的过程，由于钢筋混凝土长时间暴露在外部环境当中，在水的氧化作用之下，其会产生较为严重的化学反应，也就是两极电化学反应，使得基本电子极易在阳性较强的极铁中得到释放，Fe→Fe+++2e；在基本化学反应过程为（OH）2+H2O+O2→2Fe（OH）3[1]。

1.2 桥梁钢筋锈蚀类型

桥梁钢筋锈蚀在不同的环境当中会呈现出不同的表现形式，主要包括了均匀锈蚀、点蚀和缝隙锈蚀这三种类型。其中均匀锈蚀中具有腐蚀性的铁锈会较为均匀的分布在各个钢筋的表面之上，并以相对稳定的速度来削弱整个金属的厚度，最终造成金属损失。均匀锈蚀是一种较为常见的锈蚀状态，因其较易预测和防护，因此不会产生突然性事故。点蚀指的是在适宜的环境介质中投入使用的桥梁，其大部分的表面没有发生锈蚀，而是在小区域的钢电子整体释放的过程当中，电子会向阴极出现大量的流动，在水中也会溶解不同程度的氧化离子OH-，O2+2H2O+4e→4OH-；这些氧化离子会对电子等产生大量的吸收，继而产生了腐蚀性电流，同时在基本钢筋的表面还会形成氢氧化亚铁的薄膜，其在水和氧气的双重影响之下会进一步形成铁锈（Fe（OH）3），其筋上选择性的出现了蚀孔或麻点，经过不断的发展而造成了大面积的破损。点蚀问题的出现主要是因Cl－吸附在钢筋表面膜中，使得部分区域存在缺陷。缝隙腐蚀通常发生在钢筋结构的连接位置处，因其存在锈蚀介质而引发了局部锈蚀，继而造成局部断裂，例如金属铆接、螺钉接头、螺栓连接等位置[2]。

2 化学试剂对桥梁钢筋锈蚀的影响

2.1 试验部分

2.1.1 模拟孔溶液试验

将Q235A建筑钢筋加工成规格为φ10mm× 10mm的圆柱体，将横截面作为工作面，在背面通过焊接引出导线，使用环氧树脂对除工作面之外的表面进行密封，制备成待测的电极；使用金相砂纸将电极表面打磨至800目，并用丙酮去脂，再使用蒸馏水对其进行清洗。模拟孔溶液采用的是饱和Ca（OH）2溶液，pH值为12.6；所用的试剂均为化学纯，溶剂为蒸馏水；且亚硝酸钙和有机复合型阻锈剂的掺量分别控制在溶液质量的2%和4%[3]。在试验中，将电极在饱和的Ca（OH）2溶液中持续浸泡7d，确保在钢筋的表面形成钝化膜，之后向溶液中加入定量的阻锈剂，在7d后每间隔72h添加0.2%/0.5%的氯化钠，当腐蚀电流出现明显突变的时候认为该浓度为阻锈剂的临界浓度。

2.1.2 硬化砂浆试验

试验使用水泥为海螺P·II42.5级水泥，砂为标准砂，钢筋为建筑用Q235A低碳钢；砂浆的配合比为w（水）∶w（水泥）∶w（砂）=0.5∶1∶3，成型试件的尺寸规格为40mm×40mm×130mm。对处理好的砂浆试件进行浸烘循环试验，将其放置在3.5%的氯化钠溶液中持续浸泡6h，然后在50℃的温度条件下进行烘干，7d为一循环周期；当每个循环结束的时候，对试件的自腐蚀电位和腐蚀速率进行测量，同时对钢筋发生锈蚀的时间进行监测。

2.1.3 混凝土抗氯离子渗透性能试验

将混凝土抗氯离子扩散系数快速测定的NT build492法作为参照，对混凝土中的Cl-非稳态快速迁移扩散系数进行了测定。在试验中所采用的是海螺P·II42.5级水泥，巴河中砂；粗骨料的粒径在5~25mm的范围当中；减水剂所使用的是LN-SP聚羧酸高效减水剂，配合比设置为w（水）∶w（胶凝材料）∶w（砂）∶w（碎石）∶w（LN-SP）=162∶405∶783∶1123∶4.4[4]。

2.2 结果与讨论

2.2.1 模拟孔溶液试验

在饱和Ca（OH）2溶液中分别加入不同的阻锈剂，其电极腐蚀速率随氯离子浓度的变化如图1所示，从中可以发现，在不掺加任何阻锈剂的时候，其腐蚀速率在氯化钠浓度为1.2%左右的时候出现了突变；对于亚硝酸钙阻锈剂而言，当氯化钠的浓度增加到7%的时候，其腐蚀速率才出现突变；对于有机复合型阻锈剂而言，其突变发生的时刻为氯化钠浓度达到2.4%左右，与亚硝酸钙阻锈剂的浓度相比较低。对于绝大部分的有机阻锈剂而言，其阻锈剂中的有机成分都是挥发性的物质，在进行试验的过程当中，由于电解池没有实现完全的封闭，因挥发而导致阻锈剂中的有效成分降低，进而使得其临界浓度的提高较为不明显。

图1 掺加不同阻锈剂的电极腐蚀速率随氯化钠浓度的变化示意图Fig.1 The variation of corrosion rate of electrode with different corrosion inhibitors along with the concentration of NaCl

2.2.2 硬化砂浆浸烘循环试验

在循环过程当中，对试件的自腐蚀电位和腐蚀速率分别进行了实时的监测，得出了各试件的自腐蚀电位和腐蚀速率随循环周期的变化图，对示意图进行分析，发现试件的初始电位都在-100~-200mV的范围当中，腐蚀速率也都接近于0.04μA/cm2，这种情况代表钢筋在此时正处于钝化状态。当试件的腐蚀电位发生突变的时候，也就是小于-300mV的情况下，且腐蚀电流超过0.5μA/cm2的时候，认为钢筋在此时已经发生了锈蚀，因此停止循环，对试件进行破开，对钢筋表面的Cl-浓度（临界氯离子浓度）进行检测，各试件的临界氯离子浓度和锈蚀时间如表1所示，从中可以发现在加入阻锈剂之后，钢筋的锈蚀时间出现了明显的延长。与空白相比较而言，加入阻锈剂试件的临界氯离子浓度显著增大，且有机复合型阻锈剂的临界浓度的提高程度要明显高于亚硝酸钙。

表1 各试件的钢筋锈蚀时间和临界氯离子浓度Table1 The corrosion time and Cl-critical concentration of reinforcement samples

2.2.3 抗氯离子渗透性

在配合比保持不变的情况下，分别针对亚硝酸钙和有机复合型阻锈剂对混凝土抗氯离子渗透性能的影响进行了分析，结果发现，在加入了有机复合型阻锈剂之后，混凝土的氯离子扩散系数出现了显著的减小，其抗渗透性显著增强；此外，与不加入阻锈剂的情况相比较而言，加入亚硝酸钙的抗氯离子渗透性并没有出现明显的变化。

2.3 阻锈剂延迟锈蚀时间原理分析

钢筋阻锈剂能够起到延长锈蚀时间作用的途径主要体现在以下两个方面当中：其一是降低氯离子在混凝土中的渗透速率，其二是提高氯离子的临界浓度。对于亚硝酸钙阻锈剂而言，其实际上是一种阳极型阻锈剂，其中所含有的亚硝酸根（NO2-）会使得亚铁离子（Fe2+）经反应生成具有一定保护作用的钝化膜（FeOOH）；当存在氯盐的时候，氯离子（Cl-）所具有的破坏作用会和亚硝酸根所具有的成膜修补作用进行竞争，当“修补”作用大于“破坏”作用的时候，钢筋锈蚀便会停止[5]。

有机物在金属表面的成膜机理体现为有机物分子通过极性或微极性的基团而在钢筋表面实现吸附，而非极性基团则在垂直于钢筋表面的方向上形成了定向排列。烃基之间通过相互交织而形成了一层具有憎水性的致密膜，一方面使得钢筋所能承受的氯离子浓度的临界值得到提高，另一方面还有效地阻止了氯离子、水分和氧气的进入，为钢筋受化学和电化学作用提供了一道屏障。另外，有机阻锈剂中所含有的酸根负离子能够和Ca2+发生反应，并在水泥石的微孔内侧发生沉积而成膜，进一步阻止了外部水分进入到混凝土的内部当中。

3 结论

研究表明，钢筋锈蚀是影响桥梁使用寿命的重要因素，围绕化学试剂对桥梁钢筋锈蚀的影响进行了研究，共得出以下几点结论：

（1）桥梁钢筋锈蚀在不同的环境条件下具有不同的表现形式，主要包括了均匀锈蚀、孔蚀和缝隙锈蚀三种类型；且桥梁钢筋锈蚀实质上是电化学反应过程。

（2）化学试剂所具有的缓蚀作用机理是在钢筋的表面通过竞争吸附而形成了一层保护膜，从而降低了Cl-在混凝土中的渗透速率，最终起到提高钢筋耐腐蚀性的作用。

（3）化学试剂对桥梁钢筋锈蚀的影响主要体现在延长钢筋的锈蚀时间、提高临界氯离子浓度的方面，且亚硝酸钙等化学试剂的使用不会对混凝土的力学性能产生不利影响。

［1］商武,余朝阳,郑晓斌,等.桥梁混凝土破损锈蚀露筋修复涂层乳液的制备与研究［J］.公路交通技术，2014，4：101～104,109.

［2］甘海龙,谢肖礼.基于可靠度理论的在役钢筋混凝土桥梁碳化寿命预测［J］.混凝土，2013，3：48～51.

［3］麻福斌.醇胺类迁移型阻锈剂对海洋钢筋混凝土的防腐蚀机理［D］.中国科学院研究生院（海洋研究所），2015.

［4］李益进,孙鑫鹏,尹健.超细粉煤灰对高性能混凝土耐久性影响研究［J］.西安建筑科技大学学报:自然科学版，2010，4：521～525.

［5］邓晓,李林泽,赵欢,等.现场检测高钛型高炉渣混凝土碳化深度及影响因素分析［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

王国海（1961-），男，山西阳高县人，本科，高级工程师，主要从事路桥工程研究。