既有钢筋混凝土桥梁结构中钢筋腐蚀评估与处理措施

摘要：本文针对既有钢筋混凝土桥梁中钢筋锈蚀病害，浅谈其产生机理，探讨如何进行腐蚀评估，并对钢筋的电化学防腐技术措施进行总结分析，为桥梁维修养护作业提供新的思路。

关键词：既有桥梁  钢筋锈蚀  腐蚀评估 电化学防腐

一、引言

        钢筋混凝土结构结合了钢筋和混凝土两种材料的优点，并且造价低，称为工程结构设计中首选形式，应用非常广泛，我们有超过90%的桥梁为钢筋混凝土桥梁。

        既有桥梁服役期间，受外部不良条件因素（海洋环境、工业环境、水害、冻融、盐害、超载等）影响，造成钢筋锈蚀成为普遍现场，轻则影响结构耐久性，重则降低结构承载力，甚至导致结构失效。

        梅塔教授在第二届国际混凝土耐久性会议中提出的观点：“当今世界混凝土破环原因，按递减顺序：钢筋锈蚀、冻害、物理化学作用”。钢筋锈蚀作为影响混凝土结构耐久性的首要因素得到越来越大的重视。

二、钢筋防锈的必要性

        据不完全统计，腐蚀给世界各国的建筑与基础设施造成的损失占其国民经济总产值的2%～4%，而绝大部分都是由钢筋腐蚀引起的。相关统计数据表明，2005年，腐蚀给澳大利亚带来的损失到达250亿美元；2010年，美国由于腐蚀遭受的直接经济损失达4400亿美元，占GDP的5%，其中交通和公共基础设施的损失占32%；印度每年的腐蚀损失达2400卢比，且大部分都是由于基础设施的腐蚀造成的；波兰的腐蚀损失则高达其GDP的6%～10%；据保守估计，2015年我国建筑与基础设施的此类损失每年达1000亿元。

        因此，钢筋混凝土结构中钢筋的锈蚀在世界范围内都是十分重要与迫切需要解决的问题。最简单也最有效的解决方案就是回到钢筋混凝土结构耐久性的根源，对内部钢筋进行防锈处理。

三、钢筋混凝土桥梁中钢筋锈蚀原理

        一般说来，钢筋腐蚀有两大类，即化学腐蚀和电化学腐蚀。混凝土中的钢筋锈蚀是电化学过程。

        众所周知，在金属表面进行任何一种化学腐蚀过程都必须具备4个条件:

        ①金属表面各处之间有电位差；

        ②组成原电池的电解质溶液的电阻较小；

        ③在阳极区金属表面处于活化状态，能发生电离的阳极反应；

        ④在阳极区金属表面上的电解质具有足够数量的氧化剂（通常是水和氧），能够进行还原阴极反应。

        钢筋混凝土中钢筋腐蚀主要是由于钢筋中的铁发生氧化还原反应而产生的腐蚀，也就是常说的电化学腐蚀。钢筋本身做工不细致，是不太均匀的，所以与混凝土的混合也就不会很均匀，再加上充气环境的不均匀性，都会使得钢筋混凝土中钢筋表面的不同部位形成一定的电势差，而混凝土常常是一种介质能够在有电势差的部位形成离子通路，这样就为发生电化学腐蚀创造了基本的条件。形成闭合的电池回路之后，由于这些电池的持续作用，必然会导致钢筋表面被腐蚀掉。在阳极铁会失去电子变成亚铁离子，阴极中氧气和水得到电子变为了氢氧根离子，因此总的反应就是，铁与氧气、水反应生成氢氧化亚铁，氢氧化亚铁与水、氧气进一步发生化学作用生成红色的氢氧化铁，这也就是我们常说的铁锈，这便是钢筋整个腐忡.当今世界钢筋腐蚀被认为是混凝上结构破坏和耐久性不足首要因素。国内外大量事实表明:引起钢筋腐蚀的主要环境因素是“盐害”，其次是混凝上的“中性化”。

四、钢筋混凝土桥梁中钢筋锈蚀检测与评估

        常见检测手段有混凝土破损检测，和钢筋锈蚀电位、电阻评定两种手段。

        混凝土破损检测最为直观和准确，即将检测部位保护层混凝土凿除，量取内部钢筋除锈后直径，必要时可截取一段钢筋回实验室检测。这种方法费事费力，并且对结构造成一定的损坏，检测点受限。

        钢筋锈蚀电位、电阻综合评定中，电位测量一般使用半电池法测量，电阻率测量作为新引进技术尚未广泛使用。

        钢筋锈蚀评价标准表：

五、钢筋混凝土桥梁中钢筋锈处理措施

        常见保护钢筋、提高结构耐久性的技术措施有改善混凝土自身的物理性能，如密实性、抗裂性、抗渗性、抗侵蚀性等，还有添加阻锈剂、特制钢筋、混凝土外涂层等。根据上述钢筋发生锈蚀的原理，我们可以选用新型的电化学防腐技术措施。

        （1）阻锈剂

        电化学腐蚀过程中腐蚀电池分为阳极和阴极，两极的电势差和离子浓度决定了腐蚀的快慢及严重程度。阻锈剂的主要机理不是阻止环境中的有害离子进入混凝土中，而是使不可避免地进入混凝土中的有害离子丧失侵害能力，也就是通过阻止或减缓两极的反应过程达到保护钢筋的口的。按其化学作用的极性，分为两类：

        阳极型钢筋阻锈剂，这类化学物质一般具有氧化作用，能在阳极区生成氧化膜或沉淀物，阻断与阴极区的电子交换，使腐蚀电池失效或效率降低。可分为无机型和有机型，在中性或碱性介质中主要采用无机型；在酸性介质中常用有机型。阴极型钢筋阻锈剂，这类化学物质大多为表而活性剂(属于有机型)，能在阴极区形成薄膜或吸附在阴极表而抑制阴极反应过程。但也有局限性，在酸性环境中使用的效果不及在中、碱性环境的好；对混凝土的坍落度有一定影响；使用量难以把握，如阳极型阻锈剂，用量过多易使混凝土产生裂缝，过少则使未被覆盖的小范围阳极区产生快速的结点锈蚀;会与外加剂有不同程度的反应，影响使用效果。

        （2）特制钢筋

        对普通钢筋进行特殊的技术加工处理，制成更耐腐蚀的钢筋，如:加入铜可有效提高防锈蚀能力，加入镍、铬合金可制得不锈钢钢筋，于是便出现了镀锌钢筋、包铜钢筋、合金钢钢筋、不锈钢钢筋和环氧树脂涂层钢筋等一系列钢筋新品种。但是，有两点需要注意:①在运输、绑扎或焊接涂层钢筋时，容易产生涂层的局部破损而形成小区域阳极导致结点快速锈蚀，因此对施工管理和技术质量要求较高;②涂层会降低混凝土对钢筋的握裹力，需要适当增加焊接长度和锚固长度，影响工程整体的效果。

        （3）混凝土外涂层

        混凝土外涂层类型繁多，效能、价格差异很大，一般根据环境的腐蚀程度、结构物耐久性年限等要求综合考虑选用。水泥砂浆层，对于很轻微的腐蚀环境。其它表而涂层，种类非常多，大致可分为：沥青、煤焦油类；油漆类；树脂类。隔离层。在特别强烈的腐蚀环境中，一般的防护涂层不能奏效，使用范围有限。

        （4）电化学防腐

        根据保护电流的来源，阴极保护分为牺牲阳极和外加电流保护。

        外加电流保护是由外部直流电源提供保护电流，电源的负极连接保护对象，正极连接辅助阳极，通过电解质环境构成电流回路。

        牲阳极法是依靠电位负于保护对象的金属（牺牲阳极）自身消耗来提供保护电流，保护对象直接与牺牲阳极连接，在电解质环境中构成保护电流回路。阴极保护主要用于防止土壤、海水等中性介质中的金属腐蚀。

        牺牲阳极应用：

        ①接缝处和焊接处的防腐；

        ②新建桥梁中的防腐；

        ③整体预防性养护中的防腐；

        ④修补部位的防腐。

        牺牲阳极电化学防腐可提低成本的缓蚀维护。根据设计，分布的阳极可以提供有效的腐蚀控制或阴极保护。系统寿命虽将取决于阳极的大小和间距，可超过20年。

        目前南京长江大桥引桥双曲拱维修加固项目中，牺牲阳极作为钢筋防腐的重要手段得到了大量应用。牺牲阳极保护系统，应用范围广，施工操作方便，越来越得到建筑行业的认可，应用也逐步推广起来。

        （文中所提到腐蚀电位检测仪器、电阻率检测仪器、阻锈剂、牺牲阳极均可咨询上海法赫公司）