混凝土中钢筋的腐蚀防护技术研究

侯 静

（大庆油田工程项目管理有限公司天宇设计院，黑龙江 大庆 163111）

0 引言

钢筋混凝土因其经济性、多功能性和耐用性成为建筑行业最常用的材料。但大气腐蚀、电腐蚀和应力腐蚀会影响混凝土结构的性能和外观，缩短基础设施使用寿命。腐蚀是一种电化学过程，当混凝土中的钢筋表面存在电位差时，混凝土具备了形成电化学电池所须的全部条件：钢筋上的阳极和阴极区域组成两极，水泥中的孔隙水充当电解质。

随着水泥开始水化，钢筋表面开始形成一层由γ-Fe2O3组成的保护性钝化层，厚度范围为5～10nm，这层保护膜阻止了钢材与周围混凝土之间的离子交换，从而降低了腐蚀速率。但当氯化物进入混凝土中或混凝土自身的pH值发生变化时，这层保护膜就容易被破坏从而引起腐蚀[1]。此外，氧化铁等腐蚀产物的体积是铁的2～4倍，这会对混凝土产生膨胀应力，最终导致混凝土剥落和开裂，从而导致整个结构的破坏[2]。

为了解决钢筋的腐蚀问题，从业人员开展了阴极保护、电化学除氯和钢筋表面处理等防腐措施研究[3]，但这些方法都有各自的优点和缺点。

1 混凝土中钢筋的防腐技术

钢筋水泥复合材料的腐蚀控制方法主要有阴极保护、电化学除氯、钢材表面处理、混凝土表面处理、矿物外加剂和化学缓蚀剂的利用。下面予以分别介绍。

1.1 阴极保护技术

Stratfull于1957年首次报道了阴极保护技术对桥梁中的钢筋具有良好的腐蚀保护效果，1972年该技术开始被正式应用于被除雪剂污染的公园桥表面。随后被逐步应用于钢筋混凝土结构的腐蚀防护中[4]。

阴极保护主要有两种方式：牺牲阳极保护法和外加电流保护法。其中牺牲阳极法是采用活性金属作为辅助阳极，将其与被保护的钢材相连，活性金属和被保护金属之间的电势差使被保护钢材的整个表面都带负电并成为阴极。通常作为牺牲阳极的金属是铝、锌和镁，该方法无需外部电源，维护成本低。

相比之下，外加电流保护法需要外接电源（通常＞50V）和嵌入混凝土中的惰性阳极材料。正极连接正极材料，负极连接待保护的钢材，正极和负极之间用电解质（混凝土）隔开，该系统需要消耗大量电能，还需要专门的维护管理系统，成本相对 较高。

1.2 电化学除氯技术

电化学氯化物技术（ECE）的目的是从钢筋和混凝土结构中去除腐蚀性较强氯离子。这种方法类似于阴极保护，但有两个主要区别：首先，用于外加电流阴极保护的电流密度远低于ECE；其次，ECE的外部阳极是临时的（通常不超过10周）。相对而言，ECE技术更具有优势，因为它不需要定期维护。其工作原理是在钢筋和固定在混凝土表面的外部阳极金属之间施加电场，电源正极接正极，负极接混凝土钢筋，当施加外加电流时，阴离子（如Cl-）被吸引到放置在混凝土表面的外部阳极处，而阳离子（如Na+、K+）则向钢筋迁移，从而在钢筋表面上产生氢氧根离子（OH-）。通常情况下，8周内氯化物含量可降低70%左右。

1.3 钢材表面处理

为了降低使用成本，施工现场通常使用低碳钢制作的钢筋，但由于低碳钢的防腐蚀性能相对较差，会影响钢筋混凝土结构的使用寿命。为了在不大幅度增加使用成本的同时还能提高建筑物的预期使用寿命，科研人员开发了镀锌法、环氧树脂覆膜法和水浸法等钢材表面处理技术。镀锌法是通过牺牲阳极来提高钢材的耐腐蚀性；环氧树脂覆膜法是在钢筋表面包覆一层环氧树脂膜，从而减少化学腐蚀；水浸法是将钢筋在水中浸泡2天，在钢材表面形成黑色的氧化层，使钢材表面的成分更加均匀，从而提高耐腐蚀性。此外，该氧化层还可以改善混凝土和钢筋之间的结合强度，相对而言，水浸法最为简单和经济。

1.4 混凝土表面处理

氯化物、CO2等可以进入混凝土内部使混凝土产生耐久性问题（如碳化、氯化物侵蚀和硫酸盐侵蚀等），因此，混凝土表面的渗透性能被认为是影响整个混凝土结构耐久性的重要因素之一。混凝土表面处理剂可分为有机处理剂和无机处理剂。有机处理剂的优点是阻隔性能较好，缺点是耐火性差、易开裂脱落和使用寿命短。有机处理剂的主要种类有：丙烯酸、氯化橡胶、丁二烯共聚物、聚乙烯共聚物、环氧树脂、聚酯树脂、聚氨酯、煤焦油和聚合物改性水泥涂料。根据表面处理性质分为表面涂层、疏水浸渍、孔隙阻塞处理和多功能表面处理四种类型。

相对而言，无机表面处理剂具有更好的耐久性能。最常用的无机表面处理剂有硅酸钠、硅酸锂、硅酸钾和氟硅酸盐，它们能够部分或完全堵塞混凝土表面的微孔隙，从而增加表面层的抗渗性。

1.5 混凝土外加剂

外加剂是添加到混凝土混合物中的固体或液体物质，可以增强或改善混凝土的各项性能。目前最常用的外加剂有粉煤灰、硅粉、高炉矿渣和偏高 岭土。

粉煤灰是煤燃烧的副产品，是制造高性能混凝土的重要原料。研究表明，粉煤灰在早期不会降低混凝土的扩散系数，但在后期，其扩散系数显着降低。研究表明，使用15%～35%的粉煤灰代替水泥材料，可以降低混凝土的孔隙率，并通过增加水泥复合材料的电阻率使混凝土具有良好的耐久性和防腐蚀能力。

硅粉是制造工业硅和硅合金时的副产品。其中SiO2含量达到99%以上，其粒径比水泥颗粒细约100倍。添加到水泥基复合材料中时，由于其粒径小，比表面积大，可迅速进行水化反应，从而改善水泥基复合材料的显微结构和力学性能，并降低了水泥基复合材料在各个阶段的扩散系数。在混凝土中掺入3～5%的硅粉即可显著增强水泥基复合材料的机械强度和耐久性。在混凝土中加入10%的硅粉，可将氯离子的表观扩散系数降低70%以上，将使用寿命提高270%以上。

高炉矿渣，俗称矿渣，是钢厂炼钢过程中产生的一种副产物，它主要由氧化钙、氧化硅、氧化铝等氧化物组成。当矿渣用作混凝土添加剂时，它会与水泥和水发生反应，优化混凝土的孔隙结构并增强水泥石强度，从而改善混凝土的机械强度和耐久性。与普通水泥基复合材料相比，混合了矿渣的水泥基复合材料的扩散系数显着降低，大大减少了腐蚀物质的迁移，从而提高了钢筋的抗腐蚀性能和预期使用寿命。

将高岭石在500～800°C的温度范围内进行煅烧即可获得偏高岭土。由于偏高岭土具有粒径小、表面积大、反应迅速的特性，将其加入到混凝土中可以改善水泥浆体的微观结构，从而增强混凝土的机械性、耐久性，加入5%～10%的偏高岭土还可显著提高钢筋混凝土的耐腐蚀性能。

1.6 化学缓蚀剂

将化学缓蚀剂加入到水泥复合材料中后，可以有效减缓嵌入钢筋的腐蚀速率，并且对水泥复合材料的其他性能没有不良影响[5]。与其他腐蚀控制技术相比，化学缓蚀剂具有经济性和通用性等优点，具有很大的应用优势。

阳极缓蚀剂。这类缓蚀剂吸附在金属阳极表面形成薄膜，通过增加金属的腐蚀电位和降低腐蚀电流密度来降低腐蚀速率。但实际使用过程中，阳极缓蚀剂必须覆盖金属的整个表面。如果缓蚀剂浓度不够，未完全覆盖，暴露出来的部分会引起点蚀。常用的阳极缓蚀剂有亚硝酸盐、硝酸盐和苯甲酸盐等。

阴极缓蚀剂。这类缓蚀剂通过在金属阴极表面形成不溶性沉淀物屏障，进而降低金属的腐蚀电位和腐蚀电流密度达到降低腐蚀速率的目的。阴极缓蚀剂的作用效果略差于阳极缓蚀剂，但其更为安全有效。常用的阴极缓蚀剂有硅酸盐、磷酸盐和多磷酸盐。锌、镍和镁的离子可与水中的羟基反应形成不溶性氢氧化物，它们沉积在金属表面的阴极部位形成屏蔽层，也是较为常用的阴极缓蚀剂。

混合缓蚀剂。这些缓蚀剂通过吸附作用同时作用在金属的阳极和阴极上，主要通过降低腐蚀电流密度来降低腐蚀速率。这类缓蚀剂主要包括胺类、氨基醇类、磺酸盐类、酯类以及带有疏水基团的化合物。

2 结论和展望

钢筋混凝土的腐蚀控制方法包括阴极保护、电化学除氯、钢筋表面处理、混凝土表面处理、混凝土外加剂和化学缓蚀剂。其中化学缓蚀剂法具有施工简单、成本低、防腐效果好的等优点，综合来看，是最值得推荐的钢筋保护方法。但每种方法都有一定的优点和缺点，在施工过程中应该根据现场实际情况进行因地制宜的选择。

有必要对钢筋混凝土的防腐技术开展更多的研究，以期开发出更为经济、耐用、环保且不会对混凝土和钢筋的结构性能产生不利影响的腐蚀防护 方法。