技术交流:防止氯离子侵蚀混凝土中钢筋的措施
新闻摘要:文章阐述了防止氯离子侵蚀混凝土中钢筋的措施,说明了防止钢筋腐蚀的两种途径:一种是钢筋外围混凝土的保护方法;一种是钢筋自身的保护方法。
氯离子能加速钢筋腐蚀已在大量工程实践中得到证实,氯离子能够破坏钢筋表面的钝化膜,导致局部腐蚀。但并非所有氯离子都能引起混凝土钢筋的腐蚀,水化作用前混凝土中的部分氯盐与混凝土中的一些组分形成难溶性水化铝酸盐,同时混凝土还物理吸附部分氯盐,这部分氯化物不能引起钢筋的腐蚀,所以引起钢筋腐蚀的是游离氯离子。游离氯离子主要来源于外部环境,主要通过扩散进入混凝土到达钢筋表面,扩散过程与周围环境介质中氯离子的浓度和混凝土的渗透性有关[1-2]。氯离子到达钢筋表面未必造成腐蚀,只有氯离子浓度超过临界浓度值时才发生腐蚀。因此氯离子对混凝土中钢筋腐蚀的防护分为两类:混凝土的防护和钢筋的防护。混凝土的防护着眼于提高混凝土的性能;钢筋的防护主要是在钢筋表面进行防腐蚀处理以及对钢筋实施电化学阴极保护等。

1 混凝土的防护

1.1保证混凝土较高的密实度

只有混凝土自身破坏,碱度降低(低于临界值)或有害离子入侵时,钢筋混凝土结构物才会发生腐蚀破坏。因此最大限度地保证混凝土的自身密实完好,保持高碱度和防止有害离子入侵是钢筋混凝土防腐蚀措施的出发点。基本措施就是致力于提高混凝土自身的防护能力。(1)选用高密实度混凝土结构的配方设计,提高混凝土的抗渗等级。配方设计必须满足下列条件:混凝土的抗渗等级不能低于1118MPa (12kg/cm2);水泥的品种选用密实性最好的普通硅酸盐水泥;水泥用量不少于300kg/m3 ;严格控制水灰比不能大于0.55。(2)选用水性水泥密封剂M1500来封闭新、老混凝土结构内的气孔与孔隙、毛细管及通道进而提高混凝土的密实性。经研究部门测试混凝土经喷涂M1500后24h,封闭剂可渗入混凝土内部结构40mm ,并继续进一步渗透至150~200mm深,与水泥石的碱性物质反应形成密实不渗透的封闭层以阻止一切浸蚀介质进一步浸蚀混凝土。(3)选用高密实性水泥砂浆多层抹面技术来封闭混凝结构免遭水及化学介质浸蚀。多层抹面技术经实践证明也是一种非常有效防止水渗透及介质浸入的重要方法,它的密实性很高,可达到20kg/cm2 (2MPa) 抗渗等级。(4)在混凝土配方中引入外加剂来提高混凝土的密实性。如减水剂—NNO (亚甲基二萘酸钠);引气剂—松香酸钠;催化剂—三乙醇铵等均可将砂浆混凝土结构内部密实性提高,且不同外加剂改善混凝土,内部结构密实性特点也有不同之处。

1.2慎重采用速凝剂

速凝剂是使水泥混凝土迅速凝结硬化的外加剂。与水泥在加水拌合时立即反应,使水泥中的石膏丧失其缓凝作用,促成铝酸三钙迅速水化,并在溶液中析出其水化物,导致水泥浆迅速凝固。最早的一种速凝剂西卡(Sika)是由瑞士和奥地利制造商研制生产的,至今已有七、八十年的历史了。奥地利、日本生产的速凝剂西古尼特(Sigunite)和伊卓克莱特(Isocret)在国际上负有盛名。速凝剂主要应用于喷射混凝土和喷射砂浆工程中。随着经济发展和技术进步,速凝剂的使用范围越来越广,在地下工程、隧道工程、堤坝边坡加固、堵漏水工程、滑模工艺施工、道路抢修、喷锚支护等大量采用了速凝快硬技术。在混凝土中掺入盐类(如CaCl2),使混凝土具有速凝、快硬作用。但易引起钢筋的锈蚀,对于蒸养混凝土尤甚。当混凝土中掺有18%的NaCl时,无定电流对钢筋混凝土中钢筋的破坏作用会增加到100倍。当混凝土密实性不良,保护层甚薄,由于外界空气和水分的侵入,其锈蚀会剧烈加快。因此在工程中要尽量选择无腐蚀、无毒、无污染的新型速凝剂。

1.3 外表面涂防腐蚀涂料

在混凝土表面涂一层耐腐、抗渗、无毒、持久的涂料是一种简单可行的方法。涂料涂刷于混凝土表面要求涂料具有耐酸、碱、盐腐蚀;同时要与混凝土有牢固的结合力;涂膜要致密抗渗性能良好。PF-01涂料就具有上述性能的最优秀的涂料品种,它的成膜物质为聚氯乙烯树脂,具有耐酸、耐碱、耐盐腐蚀性能。涂料中含有增粘剂多异氰酸酯(101树脂),故涂层与混凝土结构互相粘合牢固。防锈颜料氟磷铁改善了涂膜综合性能,丙烯酸酯改善了涂膜的光洁性能与致密性能。使用新型涂料,根据混凝土的高碱性、含水性和多孔性的特点,涂料应具备耐碱性、耐水性和浸渍性的性能并具备良好的耐久性。新型涂料必须是安全、无毒、环保型的“绿色涂料”或环境友善涂料,并朝着施工简便、组合配套多样、价格低廉的方向发展。(1)氯醚涂料由氯醚树脂、配套树脂及各种助剂复合而成的单组分防腐蚀涂料,其涂层粘附强度高、结构致密、理化性能优越,综合防腐蚀性能均高于氯磺化聚乙烯或氯化橡胶涂料。(2)氰凝由聚氨基酸脂、助剂和填料组成,其特点是遇水后立即发生反应,最后生成不溶于水的固体,适用于混凝土表面涂覆。涂层质量好、耐蚀、防渗、防霉。

1.4使用高性能混凝土

高性能混凝土是基于结构高强度、高耐久性、高工作性而设计的全新混凝土,与传统混凝土相比,它具有许多特点和优点:不用振捣就可以自动填充模板;具备良好的自密性;不会由于水化热的产生、水化硬化或干燥收缩等原因引发初始裂缝;具有高抗渗性,可以阻止渗入,从而预防了钢筋的锈蚀,延长了钢筋混凝土的使用寿命。通过掺加火山灰质材料微硅粉、磨细矿渣或粉煤灰,使氯离子在混凝土中的渗透速率降低,混凝土电阻率增加,从而延迟腐蚀的开始和降低腐蚀开始后的速率。其中超细材料微硅粉在混凝土中能够有效降低孔隙尺寸和阻断毛细孔,因此能够大幅提高混凝土的抗掺性,大大降低氯离子渗透对钢筋的危害。

应用高性能混凝土日益成为工程建设的优选技术方案,因为高性能混凝土不仅具有良好的护筋性能,同时具有良好的综合耐久性。

1.5 用高分子聚合物来改性砂浆及混凝土

提高砂浆混凝土的密实性、抗渗性和耐腐蚀性能高分子聚合物砂浆混凝土是将水溶性的聚合物或者用聚合物的水分散体加入水泥砂浆混凝土中以提高普通砂浆混凝土的粘结力、抗渗性、抗裂性、耐腐蚀性、耐磨性和抗冻融性能。在国内已经使用或研究过的聚合物有:聚丙烯酸酯、氯丁橡胶乳液、丁腈橡胶乳液、偏氯乙烯乳液、聚醋酸乙烯乳液。聚合物改性砂浆与金属和水泥基层均有较高的粘合力,一般高于普通砂浆一倍以上,可以直接敷设于湿润的水泥基层或金属面。

1.6 混凝土表面处理

硬化后的混凝土总是存在着空隙,为环境中水、二氧化碳和氯离子等介质的侵蚀提供了通道。因此,通过混凝土表面处理,提高混凝土层的抗渗性也是保护钢筋的一项补充措施[3]。混凝土表面处理主要为混凝土的脱水处理、镶面板和表面涂覆。脱水处理是在混凝土刚浇捣成型后,用真空脱水模板对混凝土表层进行真空脱水,排走混凝土中多余的水分和空气,使混凝土表层更为密实,提高抗氯化物等介质的渗透。在混凝土表面涂覆涂料作为抵制侵蚀性介质渗入混凝土的第一道防线,是一种经济、简便和有效的方法。表面涂覆一般可分为浸入型和隔离型,前者通过将涂料吸入到混凝土表层,降低混凝土的吸水性;后者则在混凝土表面成膜,形成隔离层。由于涂料的耐久性不佳,因此其对钢筋混凝土结构往往只能提供暂时性的保护。

2 钢筋的防护

2.1限制钢筋中有害元素硫的含量

硫是很有害元素,硫与铁和锰生成硫化物,它在合金中以单独的阴极的相而存在,因此使合金产生更多的微电池。此外,含硫的金属区域上生成膜,其保护性能低于其它表面上的膜。当钢筋与具有泛酸型侵蚀作用的环境水接触时,硫的危害更为显著,并且能增加钢筋——碳素钢晶粒间腐蚀的倾向,会加速钢筋的腐蚀,因此在使用钢筋时要限制钢筋中有害元素硫的含量,冶炼时提高工艺技术,降低有害元素的含量。

2.2在钢筋表面进行钝化处理

钢筋表面钝化处理[4],钢筋表面上的氧化薄膜在一定条件下具有保护作用。由于普通水泥混凝土的水膜层具有强碱性,对钢筋能起到一些钝化作用,但由于直接粘附在钢筋上的水泥沙浆层起碳化作用,当pH值降低到小于9~9.5 时即碱性降低,对造成钢筋完整的钝化保护膜便有破坏作用。因此,对钢筋表面进行人工钝化处理,或利用钢筋表面所制的强碱性混凝土层以保护钢筋锈蚀便具有重要意义。在中性或碱性介质中,数量不多的强氧化剂都能引起钢筋表面的钝化。钝化处理在钢筋尚未受到大气腐蚀前进行。

2.3 应用钢筋阻锈剂

钢筋阻锈剂即为抑制钢腐蚀的缓蚀剂,拌制混凝土时掺加阻锈剂是防止钢筋腐蚀的一种经济而有效的方法。在混凝土拌合料中加入外加剂(缓蚀剂)。缓蚀剂是一种化合物,在混凝土中加入小浓度的缓蚀剂,可以有效地阻碍或防止金属与环境发生反应。亚硝酸钠用于防止混凝土中钢筋的点腐蚀,也曾被认为是良好的阻锈剂,但NaNO2对混凝土的凝结时间、早期强度和后期强度都有不同程度的负面影响,而且它是阳极型阻锈剂,用量不足反而会促进钢筋局部腐蚀,加上亚硝酸钠有毒,因而,不能得到广泛的应用。亚硝酸钙是目前世界上使用最广的缓蚀剂。研究表明,亚硝酸钙的作用机理是阳极缓蚀。Ca(NO2)2具有较好的阻锈能力,而对混凝土没有明显的负面影响和引发碱集料反应的能力,亚硝酸钙的防锈性能很好。Ngala 等[5]研究表明NO2在高的水灰比的混凝土中具有一定的渗透能力,当Ca(NO2)2 作为表面渗透的阻锈剂使用时,对较低氯离子浓度的混凝土中轻微腐蚀的钢筋具有一定的阻锈作用,对具有高氯离子浓度的混凝土中的钢筋阻锈作用不明显。此外,亚硝酸盐类阻锈剂属于氧化型缓蚀剂,只有在用量足够时才有缓蚀效果,否则会引起严重的局部腐蚀。随着人们环保意识的增强,亚硝酸盐的致癌性引起了重视,又陆续开发出了Na2PO3F等新型无机阻锈剂。

因为无机亚硝酸盐阻锈剂在环保方面的问题,20世纪80年代以来有机阻锈剂得到很大发展。有机钢筋阻锈剂通常有胺类、醛类、炔醇类、有机磷化合物、有机硫化合物、羧酸及其盐类、磺酸及其盐类、杂环化合物等,其优点是[6]

(1) 在各种氯离子浓度下能对钢筋混凝土提供腐蚀保护。

(2) 能够在混凝土中分散,因而既能对钢筋腐蚀阴极电化学过程起抑制作用,又能对阳极腐蚀电化学过程起抑制作用。

(3) 无毒、环境安全性好。

有机缓蚀剂已成为钢筋阻锈剂研究开发的热点。国外研究者采用电化学方法考察了在氯离子存在的条件下钢筋在含有一些有机化合物的碱性溶液中的极化特性,结果发现有些化合物对Cl的侵蚀具有抑制作用,见表1。

表1 钢筋在含有0.1mol/L 氯离子的溶液中的腐蚀电位和点蚀电位

阻锈剂

浓度
(mol/L)

Ecorr
VSCE

Epit
VSCE

Epit - Ecorr
VSCE

不含Cl的空白溶液

-

-0.249

0.607

0.856

含Cl的空白溶液

-

-0.294

0.056

0.350

5-丁基-苯并三唑

0.005

-0.285

0.077

0.362

5-己基-苯并三唑

0.005

-0.34

0.332

0.672

马来酸(顺丁烯二酸)

0.05

-0.253

0.122

0.375

二环己基胺

Sat

-0.262

0.512

0.774

β-甘油磷酸钠

0.05

-0.31

0.09

0.4

从表1 可以看出,在含有0.1mol/L 氯离子的饱和氢氧化钙溶液中,存在有机化合物的钢筋电极点蚀电位和腐蚀电位之差均大于相应的空白溶液中两者之差,这表明这些化合物均能增强钢筋的抗氯离子侵蚀的能力。

2.4 电化学保护

钢筋混凝土结构的电化学保护包括阴极保护和电化学处理[7]。阴极保护能直接抑制钢筋自身的电化学腐蚀过程,尤其适用于易受碳化和氯化物污染的混凝土中钢筋的保护[7-8],是目前保护混凝土中钢筋最有效且经济的方法之一。阴极保护法可分为牺牲阳极保护法和外加电流阴极保护法。前者是采用比钢电位更负的铝合金等作为阳极与钢筋电连接,靠自身的腐蚀提供自由电子实现对钢筋的保护;后者则是以直流电源的负极与被保护的钢筋连接,正极与难溶性的辅助阳极相接,提供保护电流使钢筋发生阴极极化而受到保护。牺牲阳极保护法阳极材料的估计寿命较短,一般不用于新混凝土结构,且阳极提供的电流有限,只能保护阳极附近较小范围的钢筋,因而该方法不大适用于暴露于大气中的钢筋混凝土结构。外加电流阴极保护法的应用较广泛,发展较迅速,近10年已应用于新的钢筋混凝土结构。目前,阴极保护法的研究主要致力于开发新的优质阳极材料[9, 10]。电化学处理与外加电流阴极保护法相似,也是以钢筋为阴极,通以低压直流电流达到保护钢筋的目的[11]。其区别在于电化学处理是在短期内施加大的阴极电流密度,使钢筋表面发生电极反应产生OH,提高钢筋附近混凝土孔隙液的pH值,同时,靠离子迁移排走钢筋周围的Cl,使其浓度低于临界值。因此,电化学处理可用于碳化混凝土和氯化物污染引起钢筋腐蚀的场合。该技术可以无损地恢复钢筋钝态,其经济和社会效益显著。

2.5 钢筋表面加保护涂层(防锈材料)

在钢筋表面加保护涂层已广泛应用于钢筋的防腐蚀。最常用是非金属覆盖层,主要是有机涂层,包括环氧涂层、聚氯乙烯、聚丙烯和聚氨酯等,其中以环氧涂层最常用[12]。环氧涂层钢筋是在抛光净化的钢筋表面热喷涂一层致密、坚韧的膜。涂层可以极大地提高钢筋的防腐蚀性能,有效抵制侵蚀性介质,适合于含氯离子的环境。它具有:(1)耐碱性。能长期经受混凝土的高碱性环境(pH=12.5~13.5);(2)耐化学腐蚀。由于环氧树脂粉末涂层具有很高的化学稳定性和耐腐蚀性,并且膜层具有不渗透性,因此能阻止水、氧、氯盐等腐蚀介质与钢筋接触;(3)弹性和耐摩擦性好。

但有研究表明,环氧涂层使钢筋与混凝土的附着强度减少约15%~25%,而且环氧涂层钢筋在使用过程中对其质量要求高,使其应用受到了一定的限制。

2.6 使用不锈钢钢筋

表面涂覆环氧树脂的钢筋和镀锌的钢筋采对防止侵蚀性较轻的环境有用并且在工程中也得到大利的推广使用,但对处于侵蚀性非常严重的新建钢筋混凝土构筑物或旧结构中某些特殊部位的修复件,如果用表面涂覆环氧树脂的钢筋则效果不佳,这时就需采用奥氏体不锈钢或双相不锈钢来代替普通碳钢钢筋。因为不锈钢中加入了一些防腐合金元素能有效提高钢材的抗腐性能,借助于不锈钢优良的抗蚀性能,可以承受较高的临界氯离子浓度,从而延缓混凝土构筑物的腐蚀破坏。

因此,为防止钢筋的腐蚀,在施工中首先应提高混凝土的护筋性,其次必须采取一些补充措施来抑制氯离子的侵蚀。采用钢筋阻锈剂和电化学阴极保护是较为经济和有效的保护钢筋的方法。

 

参考文献

 

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