1海工混凝土钢筋的破坏机理
研究海洋环境下混凝土中钢筋的腐蚀问题，首先需要清楚其破坏原因和机理，才能有针对性的对钢筋耐腐蚀性能进行相关的试验研究，找准研究方向，得出有用的研究成果，对后续的试验研究提供理论依据。海水成分复杂，含有多种游离态的离子，虽然其含量不高，但混凝土结构长时间暴露在这种环境下，其影响不容忽视。其中最主要的破坏离子就是SO2－4和Cl－。首先对于混凝土结构，抗渗性能远不及天然石材，虽然宏观上与天然石材区别不大，但在微观上，混凝土表面有很多的微观孔隙［1］。因此，在海洋环境下，各种游离态的离子通过孔隙渗透到混凝土内部，与其中的Ca2－、Al3+等成分发生化学反应，从而使其耐久性和耐腐蚀性降低，最终导致结构破坏。其次对于钢筋的腐蚀破坏，主要是氯离子引起的，其通过毛细管、扩散、对流、渗透等方式侵入混凝土结构，扩散是最主要的侵入方式［2］。当其浓度到达一定的临界值后，从而引起钢筋的锈蚀。1混凝土耐久性的研究是一个十分重要而又迫切需要解决的问题，特别是位于沿海及近海地区的混凝土结构，由于海洋环境对混凝土的腐蚀，尤其是钢筋的锈蚀造成的结构早期损坏，已成为工程中的主要问题［3］。目前，对于提高海洋环境下混凝土中钢筋的耐腐蚀性能，防止钢筋腐蚀的技术措施有许多种，可归纳为两大类。其一是提高混凝土自身的防护能力，增加混凝土的抗腐蚀能力，如高密实、抗裂混凝土;其二被称作“附加措施”，主要包括:钢筋阻锈剂、混凝土外涂层、特种钢筋(如环氧涂层钢筋、不锈钢筋等)、阴极保护等。
2钢筋防腐蚀措施研究
2．1钢筋阻锈剂
钢筋阻锈剂是指一种加入到混凝土中或涂刷在其表面，能有效延缓或阻止腐蚀发生的化学物质。其主要是由酯胺混合液和醇胺混合物等高分子的阳极型阻锈材料组成，作用机理是通过氯化铁原子可以使钢筋表面形成致密的氧化铁钝化膜，或吸附在其表面形成阻碍层，阻止阳极反应的发生，使钢筋长期处于钝态，其保护层得到最大限度地提高和保持，同时防止氯盐、镁盐的侵蚀，使腐蚀速度大幅度降低［4］。钢筋阻锈剂主要优点如下:使用寿命长，能满足50年以上混凝土结构设计寿命要求;与涂层钢筋、特种钢筋、阴极保护等措施相比，花费最少，经济实用，且施工简单，方便，节省劳动力，寿命期内不需维护，经济效果最优;适用范围广［5］。
2．2特种钢筋
阻止氯离子对钢筋的腐蚀的有效措施之一，就是在钢筋表面进行涂层处理。目前环氧树脂涂层钢筋在国内外应用广泛。环氧树脂涂层钢筋有很好的耐蚀性，但与混凝土的粘结强度明显降低，适用于处在潮湿环境或侵蚀性介质中的工业与民用房屋、一般构筑物及道路、桥梁、港口，码头等钢筋混凝土结构中。经国内外的大量研究和多年的工程应用表明，采用这种钢筋能有效地防止处于恶劣环境下的钢筋腐蚀，从而大大提高工程结构的耐久性。环氧树脂涂层被誉为钢筋防腐卫士，其具有化学稳定性高，不与酸、碱等反应，延性大、干缩小等特点，与金属表面的粘着性好，在钢筋表面起到了阻隔钢筋与外界电流接触的功能［6］。试验表明，另一种有效方法是提高钢筋自身耐腐蚀性能。耐腐蚀钢筋在混凝土结构中的使用还是一个相对较新的课题，目前主要有不锈钢筋和纤维塑料筋两种。各种钢筋中，不锈钢筋的耐腐蚀性能最好的，还具有强度高、耐久性好、使用方便，施工简单等特点，大大延长了结构的使用寿命，但是价格昂贵，成本略有增加。目前奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢因其高强度被广泛应用于混凝土结构中，当作为预应力筋使用时，其强度可达835MPa，作为普通钢筋使用时，其强度亦可达700MPa［7］。纤维塑料筋是指由玻璃纤维、碳纤维及阿拉米德纤维等多股连续纤维，采用聚酰胺树脂、聚乙烯树脂、环氧树脂等基底材料，通过胶合，后经过挤压、拉拔成型的特殊材料［8］。纤维塑料筋的主要优点有:抗拉强度高、抗腐蚀性能良好、密度小。但其也存在弹性模量小、脆性大、抗剪强度低和与混凝土之间粘结力小等缺点。
2．3阴极保护
电化学保护是使金属极化至腐蚀免疫区或钝化区而得到保护［9］。钢筋腐蚀时将会同时发生失电子的阳极反应和得电子的阴极反应。发生反应时，阳极铁失去两个电子成为铁离子(Fe2+)，铁离子进入溶液，进一步反应生成腐蚀产物。阴极得到阳极铁失去的电子，并与水中的氧气发生阴极反应生成的OH－，之后与溶液中的铁离子反应生成铁锈［6］。牺牲阳极和外加电流是阴极保护的两种方式。牺牲阳极的原理是两种金属的腐蚀电位不同，常用的牺牲阳极金属是锌或铝块，以及热喷锌或锌铝铟合金。外加电流法则是连接被保护金属与外加直流电源的负极，使金属电位负移，自腐蚀电流下降，从而使金属得到保护［9］。
3混凝土抗腐蚀措施研究
防止钢筋腐蚀的有效措施是保证混凝土的良好质量。在满足其强度要求的前提下把耐久性放在首位，采用海工高性能混凝土，提高结构的密实度，从而提高其抗渗、抗冻性能，具有良好的胶凝孔结构，减缓腐蚀速度，根本上提高混凝土本身护筋性能［10］。
3．1混凝土配合比优化设计
马志鸣等［11］做了七组不同配合比的混凝土试件，经过标准养护28天后，取两个相对侧面为试验用面，其余四面用环氧树脂密封，保证硫酸盐侵蚀为一维扩散。将试件置于海洋暴露试验区规定区域，用分光光度计法测量不同深度硫酸根离子含量。研究表明，混凝土结构在海洋环境干湿循环作用下，离子侵入速率加快，硫酸根离子的侵蚀程度随暴露龄期的增加而增加，随水胶比的增加而减少，当水胶比相同时，以一定量的矿物掺合料代替水泥，可以有效提高混凝土试件的抗硫酸盐侵蚀性能。宋立元等［12］对不同水胶比及掺加粉煤灰、硅灰的高性能混凝土的氯离子扩散系数进行试验研究，设置了5组混凝土试件进行对比试验。研究表明，适当的水胶比及掺加一定量粉煤灰和硅灰等活性集料能明显提高海洋混凝土结构抵抗氯离子侵蚀的能力，为混凝土海洋平台结构耐久性评估与设计提供了重要的参考价值。马保国等［13］研究了在混凝土结构中添加不同矿物掺合料对氯离子渗透能力的抵抗作用，研究表明，在一定范围内，掺加粉煤灰和硅灰均能提高混凝土的抗氯离子渗透能力，通过寿命预测，抗氯离子渗透能力依次为10%SF＞60%SG＞30%FA＞纯硅酸盐水泥。元成方等［14］研究了海洋大气环境中的混凝土结构在盐雾腐蚀及碳化双重作用下氯离子侵蚀试验研究，得出了当粉煤灰掺量适中时，其填充效应改善了混凝土结构的孔结构，提高了其密实性，从而抑制了氯离子的扩散;而碳化反应则粗化了混凝土的孔隙，破坏了原有的过滤机制，使得环境中的氯离子更容易渗入，因此，在对海洋大气环境下的混凝土结构进行寿命预测时，需要考虑碳化反应对氯离子侵蚀的影响。
3．2提高保护层厚度
海洋对混凝土的各种破坏腐蚀都直接或间接作用于混凝土保护层。保护层是防止钢筋锈蚀的第一道屏障，必须保证其有足够的厚度［10］。《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》规定海水环境钢筋最小保护层厚度50mm，预应力钢筋最小保护层厚度75mm，其中浪溅区最小保护层厚度90mm。加大保护层厚度对提高构筑物耐久性具有显著效果。试验表明:结构的耐久寿命与保护层厚度的平方成正比。当保护层厚度增加到一定程度之后，随着厚度的增加，耐久寿命将会大幅度提高，但其增加幅度是有一定限度的。当保护层过厚时，将减小截面受压区高度，降低结构的承载能力;保护层处混凝土受内部钢筋约束减小，在受力或冻融时裂缝更易开展，有害离子、气体易侵入，因而达不到增厚保护层的预期作用［11］。
3．3混凝土表面涂层保护
表面涂层是指为了减少或阻断海洋腐蚀离子向混凝土的渗透扩散，提高构筑物的使用寿命，在混凝土表面涂上防腐涂料［15］。世界各国的防腐蚀实践证明:表面涂层防腐蚀是最有效、最经济、应用最普遍的方法［16］。混凝土防腐涂料种类繁多，广泛应用的主要有聚氨酯、环氧树脂、氯化橡胶和丙烯酸树脂等，它们都有优良的防腐性能。但其缺点是适应性不强，没有满足高性能要求，且挥发性有机物较多，对生态环境构成严重威胁，今后环保，高性能，功能化是混凝土防腐涂层发展的重点方向。
4结语
海洋大气环境中，空气中相对湿度较大，且海水、盐雾对钢铁具有很强的腐蚀性，因此如何减轻腐蚀的影响和减低维护费用，成为设计和施工中必须考虑的重要问题。且随着陆地资源的日渐枯竭，开发海洋资源引起世界各国的普遍重视。因此对其相关技术领域的研究刻不容缓，尤其是海洋混凝土耐久性、耐腐蚀性、防腐的防治与控制，都是亟需解决的问题。大量试验研究表明，改变水胶比，掺加矿物掺合料等措施对提高海洋混凝土护筋性能效果显著;对于钢筋防腐蚀，采用防腐涂层，耐腐蚀钢筋，电化学保护等措施效果显著。
作者：徐国强 单位：华北理工大学建筑工程学院
