王國海

（內(nèi)蒙古路橋有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古呼和浩特010010）

化學(xué)試劑對(duì)橋梁鋼筋銹蝕的影響

王國海

（內(nèi)蒙古路橋有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古呼和浩特010010）

首先對(duì)橋梁鋼筋銹蝕的基本原理和類型進(jìn)行了簡要概述，然后通過試驗(yàn)研究了化學(xué)試劑對(duì)橋梁鋼筋銹蝕的影響。結(jié)果表明：橋梁鋼筋銹蝕實(shí)質(zhì)上是電化學(xué)反應(yīng)過程，主要包括了均勻銹蝕、點(diǎn)蝕和縫隙銹蝕三種類型?；瘜W(xué)試劑在鋼筋的表面通過競爭吸附形成了一層保護(hù)膜，降低了Cl-在混凝土中的滲透速率，起到提高鋼筋耐腐蝕性的作用。

化學(xué)試劑；橋梁；鋼筋銹蝕；影響

前言

現(xiàn)階段隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程的不斷深入，城市立交橋的建設(shè)數(shù)量逐年增多，隨之而來的是逐步顯露的鋼筋銹蝕的問題。防止鋼筋銹蝕的技術(shù)措施有多種，在保證混凝土密實(shí)性的基礎(chǔ)上，摻用鋼筋阻銹劑是最為經(jīng)濟(jì)合理的一種方法。為了進(jìn)一步探究化學(xué)試劑對(duì)橋梁鋼筋銹蝕的影響，本文通過化學(xué)試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了深入的探究。

1 橋梁鋼筋銹蝕基本原理和類型

1.1 橋梁鋼筋銹蝕機(jī)理

橋梁鋼筋銹蝕的實(shí)質(zhì)上屬于電化學(xué)反應(yīng)的過程，由于鋼筋混凝土長時(shí)間暴露在外部環(huán)境當(dāng)中，在水的氧化作用之下，其會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的化學(xué)反應(yīng)，也就是兩極電化學(xué)反應(yīng)，使得基本電子極易在陽性較強(qiáng)的極鐵中得到釋放，F(xiàn)e→Fe+++2e；在基本化學(xué)反應(yīng)過程為（OH）2+H2O+O2→2Fe（OH）3[1]。

1.2 橋梁鋼筋銹蝕類型

橋梁鋼筋銹蝕在不同的環(huán)境當(dāng)中會(huì)呈現(xiàn)出不同的表現(xiàn)形式，主要包括了均勻銹蝕、點(diǎn)蝕和縫隙銹蝕這三種類型。其中均勻銹蝕中具有腐蝕性的鐵銹會(huì)較為均勻的分布在各個(gè)鋼筋的表面之上，并以相對(duì)穩(wěn)定的速度來削弱整個(gè)金屬的厚度，最終造成金屬損失。均勻銹蝕是一種較為常見的銹蝕狀態(tài)，因其較易預(yù)測(cè)和防護(hù)，因此不會(huì)產(chǎn)生突然性事故。點(diǎn)蝕指的是在適宜的環(huán)境介質(zhì)中投入使用的橋梁，其大部分的表面沒有發(fā)生銹蝕，而是在小區(qū)域的鋼電子整體釋放的過程當(dāng)中，電子會(huì)向陰極出現(xiàn)大量的流動(dòng)，在水中也會(huì)溶解不同程度的氧化離子OH-，O2+2H2O+4e→4OH-；這些氧化離子會(huì)對(duì)電子等產(chǎn)生大量的吸收，繼而產(chǎn)生了腐蝕性電流，同時(shí)在基本鋼筋的表面還會(huì)形成氫氧化亞鐵的薄膜，其在水和氧氣的雙重影響之下會(huì)進(jìn)一步形成鐵銹（Fe（OH）3），其筋上選擇性的出現(xiàn)了蝕孔或麻點(diǎn)，經(jīng)過不斷的發(fā)展而造成了大面積的破損。點(diǎn)蝕問題的出現(xiàn)主要是因Cl－吸附在鋼筋表面膜中，使得部分區(qū)域存在缺陷?？p隙腐蝕通常發(fā)生在鋼筋結(jié)構(gòu)的連接位置處，因其存在銹蝕介質(zhì)而引發(fā)了局部銹蝕，繼而造成局部斷裂，例如金屬鉚接、螺釘接頭、螺栓連接等位置[2]。

2 化學(xué)試劑對(duì)橋梁鋼筋銹蝕的影響

2.1 試驗(yàn)部分

2.1.1 模擬孔溶液試驗(yàn)

將Q235A建筑鋼筋加工成規(guī)格為φ10mm× 10mm的圓柱體，將橫截面作為工作面，在背面通過焊接引出導(dǎo)線，使用環(huán)氧樹脂對(duì)除工作面之外的表面進(jìn)行密封，制備成待測(cè)的電極；使用金相砂紙將電極表面打磨至800目，并用丙酮去脂，再使用蒸餾水對(duì)其進(jìn)行清洗。模擬孔溶液采用的是飽和Ca（OH）2溶液，pH值為12.6；所用的試劑均為化學(xué)純，溶劑為蒸餾水；且亞硝酸鈣和有機(jī)復(fù)合型阻銹劑的摻量分別控制在溶液質(zhì)量的2%和4%[3]。在試驗(yàn)中，將電極在飽和的Ca（OH）2溶液中持續(xù)浸泡7d，確保在鋼筋的表面形成鈍化膜，之后向溶液中加入定量的阻銹劑，在7d后每間隔72h添加0.2%/0.5%的氯化鈉，當(dāng)腐蝕電流出現(xiàn)明顯突變的時(shí)候認(rèn)為該濃度為阻銹劑的臨界濃度。

2.1.2 硬化砂漿試驗(yàn)

試驗(yàn)使用水泥為海螺P·II42.5級(jí)水泥，砂為標(biāo)準(zhǔn)砂，鋼筋為建筑用Q235A低碳鋼；砂漿的配合比為w（水）∶w（水泥）∶w（砂）=0.5∶1∶3，成型試件的尺寸規(guī)格為40mm×40mm×130mm。對(duì)處理好的砂漿試件進(jìn)行浸烘循環(huán)試驗(yàn)，將其放置在3.5%的氯化鈉溶液中持續(xù)浸泡6h，然后在50℃的溫度條件下進(jìn)行烘干，7d為一循環(huán)周期；當(dāng)每個(gè)循環(huán)結(jié)束的時(shí)候，對(duì)試件的自腐蝕電位和腐蝕速率進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)對(duì)鋼筋發(fā)生銹蝕的時(shí)間進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.1.3 混凝土抗氯離子滲透性能試驗(yàn)

將混凝土抗氯離子擴(kuò)散系數(shù)快速測(cè)定的NT build492法作為參照，對(duì)混凝土中的Cl-非穩(wěn)態(tài)快速遷移擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行了測(cè)定。在試驗(yàn)中所采用的是海螺P·II42.5級(jí)水泥，巴河中砂；粗骨料的粒徑在5~25mm的范圍當(dāng)中；減水劑所使用的是LN-SP聚羧酸高效減水劑，配合比設(shè)置為w（水）∶w（膠凝材料）∶w（砂）∶w（碎石）∶w（LN-SP）=162∶405∶783∶1123∶4.4[4]。

2.2 結(jié)果與討論

2.2.1 模擬孔溶液試驗(yàn)

在飽和Ca（OH）2溶液中分別加入不同的阻銹劑，其電極腐蝕速率隨氯離子濃度的變化如圖1所示，從中可以發(fā)現(xiàn)，在不摻加任何阻銹劑的時(shí)候，其腐蝕速率在氯化鈉濃度為1.2%左右的時(shí)候出現(xiàn)了突變；對(duì)于亞硝酸鈣阻銹劑而言，當(dāng)氯化鈉的濃度增加到7%的時(shí)候，其腐蝕速率才出現(xiàn)突變；對(duì)于有機(jī)復(fù)合型阻銹劑而言，其突變發(fā)生的時(shí)刻為氯化鈉濃度達(dá)到2.4%左右，與亞硝酸鈣阻銹劑的濃度相比較低。對(duì)于絕大部分的有機(jī)阻銹劑而言，其阻銹劑中的有機(jī)成分都是揮發(fā)性的物質(zhì)，在進(jìn)行試驗(yàn)的過程當(dāng)中，由于電解池沒有實(shí)現(xiàn)完全的封閉，因揮發(fā)而導(dǎo)致阻銹劑中的有效成分降低，進(jìn)而使得其臨界濃度的提高較為不明顯。

圖1 摻加不同阻銹劑的電極腐蝕速率隨氯化鈉濃度的變化示意圖Fig.1 The variation of corrosion rate of electrode with different corrosion inhibitors along with the concentration of NaCl

2.2.2 硬化砂漿浸烘循環(huán)試驗(yàn)

在循環(huán)過程當(dāng)中，對(duì)試件的自腐蝕電位和腐蝕速率分別進(jìn)行了實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，得出了各試件的自腐蝕電位和腐蝕速率隨循環(huán)周期的變化圖，對(duì)示意圖進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)試件的初始電位都在-100~-200mV的范圍當(dāng)中，腐蝕速率也都接近于0.04μA/cm2，這種情況代表鋼筋在此時(shí)正處于鈍化狀態(tài)。當(dāng)試件的腐蝕電位發(fā)生突變的時(shí)候，也就是小于-300mV的情況下，且腐蝕電流超過0.5μA/cm2的時(shí)候，認(rèn)為鋼筋在此時(shí)已經(jīng)發(fā)生了銹蝕，因此停止循環(huán)，對(duì)試件進(jìn)行破開，對(duì)鋼筋表面的Cl-濃度（臨界氯離子濃度）進(jìn)行檢測(cè)，各試件的臨界氯離子濃度和銹蝕時(shí)間如表1所示，從中可以發(fā)現(xiàn)在加入阻銹劑之后，鋼筋的銹蝕時(shí)間出現(xiàn)了明顯的延長。與空白相比較而言，加入阻銹劑試件的臨界氯離子濃度顯著增大，且有機(jī)復(fù)合型阻銹劑的臨界濃度的提高程度要明顯高于亞硝酸鈣。

表1 各試件的鋼筋銹蝕時(shí)間和臨界氯離子濃度Table1 The corrosion time and Cl-critical concentration of reinforcement samples

2.2.3 抗氯離子滲透性

在配合比保持不變的情況下，分別針對(duì)亞硝酸鈣和有機(jī)復(fù)合型阻銹劑對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能的影響進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在加入了有機(jī)復(fù)合型阻銹劑之后，混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)出現(xiàn)了顯著的減小，其抗?jié)B透性顯著增強(qiáng)；此外，與不加入阻銹劑的情況相比較而言，加入亞硝酸鈣的抗氯離子滲透性并沒有出現(xiàn)明顯的變化。

2.3 阻銹劑延遲銹蝕時(shí)間原理分析

鋼筋阻銹劑能夠起到延長銹蝕時(shí)間作用的途徑主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面當(dāng)中：其一是降低氯離子在混凝土中的滲透速率，其二是提高氯離子的臨界濃度。對(duì)于亞硝酸鈣阻銹劑而言，其實(shí)際上是一種陽極型阻銹劑，其中所含有的亞硝酸根（NO2-）會(huì)使得亞鐵離子（Fe2+）經(jīng)反應(yīng)生成具有一定保護(hù)作用的鈍化膜（FeOOH）；當(dāng)存在氯鹽的時(shí)候，氯離子（Cl-）所具有的破壞作用會(huì)和亞硝酸根所具有的成膜修補(bǔ)作用進(jìn)行競爭，當(dāng)“修補(bǔ)”作用大于“破壞”作用的時(shí)候，鋼筋銹蝕便會(huì)停止[5]。

有機(jī)物在金屬表面的成膜機(jī)理體現(xiàn)為有機(jī)物分子通過極性或微極性的基團(tuán)而在鋼筋表面實(shí)現(xiàn)吸附，而非極性基團(tuán)則在垂直于鋼筋表面的方向上形成了定向排列。烴基之間通過相互交織而形成了一層具有憎水性的致密膜，一方面使得鋼筋所能承受的氯離子濃度的臨界值得到提高，另一方面還有效地阻止了氯離子、水分和氧氣的進(jìn)入，為鋼筋受化學(xué)和電化學(xué)作用提供了一道屏障。另外，有機(jī)阻銹劑中所含有的酸根負(fù)離子能夠和Ca2+發(fā)生反應(yīng)，并在水泥石的微孔內(nèi)側(cè)發(fā)生沉積而成膜，進(jìn)一步阻止了外部水分進(jìn)入到混凝土的內(nèi)部當(dāng)中。

3 結(jié)論

研究表明，鋼筋銹蝕是影響橋梁使用壽命的重要因素，圍繞化學(xué)試劑對(duì)橋梁鋼筋銹蝕的影響進(jìn)行了研究，共得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）橋梁鋼筋銹蝕在不同的環(huán)境條件下具有不同的表現(xiàn)形式，主要包括了均勻銹蝕、孔蝕和縫隙銹蝕三種類型；且橋梁鋼筋銹蝕實(shí)質(zhì)上是電化學(xué)反應(yīng)過程。

（2）化學(xué)試劑所具有的緩蝕作用機(jī)理是在鋼筋的表面通過競爭吸附而形成了一層保護(hù)膜，從而降低了Cl-在混凝土中的滲透速率，最終起到提高鋼筋耐腐蝕性的作用。

（3）化學(xué)試劑對(duì)橋梁鋼筋銹蝕的影響主要體現(xiàn)在延長鋼筋的銹蝕時(shí)間、提高臨界氯離子濃度的方面，且亞硝酸鈣等化學(xué)試劑的使用不會(huì)對(duì)混凝土的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。

［1］商武,余朝陽,鄭曉斌,等.橋梁混凝土破損銹蝕露筋修復(fù)涂層乳液的制備與研究［J］.公路交通技術(shù)，2014，4：101～104,109.

［2］甘海龍,謝肖禮.基于可靠度理論的在役鋼筋混凝土橋梁碳化壽命預(yù)測(cè)［J］.混凝土，2013，3：48～51.

［3］麻福斌.醇胺類遷移型阻銹劑對(duì)海洋鋼筋混凝土的防腐蝕機(jī)理［D］.中國科學(xué)院研究生院（海洋研究所），2015.

［4］李益進(jìn),孫鑫鵬,尹健.超細(xì)粉煤灰對(duì)高性能混凝土耐久性影響研究［J］.西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，4：521～525.

［5］鄧曉,李林澤,趙歡,等.現(xiàn)場檢測(cè)高鈦型高爐渣混凝土碳化深度及影響因素分析［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

王國海（1961-），男，山西陽高縣人，本科，高級(jí)工程師，主要從事路橋工程研究。