我国北方桥梁混凝土结构的腐蚀与防护
 

　　□文/师 华,杨振波,张亮,徐永祥·北京航材百慕新材料技术工程股份有限公司
 

　　《鹖冠子·备知》∶“山无径迹,泽无桥梁,不相往来”。经过几千年的人类文明史,桥梁从形态、材料等多个方面得到了充分发展和技术更新。目前,桥梁已成为现代交通网络的重要组成部分,也是世界文明和工业化、现代化进步的重要标志。桥梁不仅起到了其本质的交通功能,还承载了景观、旅游、历史等多重功能。
 

　　近年来,我国各类桥梁建造技术水平日新月异,设计、制造、施工技术和桥梁结构理论、材料科学研究均达到国际先进水平。但在桥梁的防护保养技术领域,我国的实践时间还很短,还有很多问题急待解决。
 

　　由于我国地域辽阔,人为环境存在差异,要完善和提高桥梁结构的防腐体系和技术,不仅要加强防护新技术的研发、成形方案和材料的工程化应用研究,还应对桥梁所在区域的局部腐蚀小环境进行分析,更应研究其存在的环境腐蚀因素的影响顺序,亦即主要防护特征,提出针对性的防护方案和合适的材料体系。
 

桥梁混凝土结构的腐蚀类型
 

　　钢筋混凝土是以水泥、砂子、石子等和钢筋配合,经水化形成的—种复合材料。对其结构的腐蚀有以下一些类型。
 

　　中性化和钢筋的腐蚀
 

　　钢筋保持钝化的最低PH值为11.5，而普通硅酸盐水泥水化生成的10%～15%氢氧化钙,使钢筋混凝土结构PH值达到12.5～13.5。但是氢氧化钙很容易被大气中存在着二氧化碳、工业污染排放的二氧化硫、汽车排放的二氧化氮等酸性腐蚀介质中性化。中性化可使PH值低于9,此时钢筋表面的钝化层被破坏,钢筋就容易发生腐蚀。当水和氧气充足,尤其是环境温度较高时,钢筋的电化学腐蚀速度相当快,而且生成含水率高、结构疏松的Fe(OH)₃红色锈层,体积膨胀2～6倍,不仅降低混凝土对钢筋的“握裹力”,同时也使混凝土层胀裂,出现结构性破坏。
 

　　溶解腐蚀
 

　　混凝土结构具有高粗糙度、多孔性、亲水性和高碱性特点,长期与环境侵蚀性介质(例如地下水、河水和湖水)接触,就会造成混凝土中的可溶性成分(例如Ca(OH)₂逐渐溶解、流失,使混凝土强度逐渐降低,pH值不断减小,混凝土结构的孔隙率逐渐增大,并逐渐促使和加速溶解腐蚀,也会为其它腐蚀性介质的渗入营造出更多的无障碍通道。经过不断的恶性循环,最终导致混凝土结构破坏。
 

　　水环境中另外一种溶解腐蚀来自于水中溶解的一些离子通过置换来形成的,例如水中溶解的铵盐、镁盐可置换氢氧化钙中的钙,形成可溶性或软体物。
 

　　虽然这类腐蚀的速度是比较慢的,但从长远的角度看,也是值得注意的问题。
 

　　碱-骨料反应 (ASR)
 

　　碱-骨料反应是混凝土中的碱(NaOH、KOH)与基料中的某些成份(二氧化硅、硅酸盐、碳酸盐)反应,形成的生成物(碱硅胶)容易吸水膨胀。当膨胀压力超过硬化水泥浆的抗拉强度时,就会引起混凝土开裂破坏。
 

　　虽然ASR反应的特点是反应缓慢,持续时间长,一旦发生很难补救,被称为混凝土的“癌症”， 因此,一般以预防为主。

　　图1 融雪盐对桥梁混凝土结构的破坏
 

　　氯离子腐蚀破坏
 

　　钢筋混凝土结构中氯离子的来源有两个途径,一个是来自于制造混凝土的原材料,例如含有氯离子的水、冬季施工加入的含有氯离子的防冻剂、以及使用了海砂;第二个途径是来自于结构外部的氯离子,例如海洋环境(沿海区域海水、空气中的盐微粒)、工业环境(氯化工微环境)、土壤环境(高盐分含量的土壤)、北方冬季使用的“融雪盐”等(图l)。
 

　　氯离子的腐蚀主要有两个方面,一是对钢筋的腐蚀:当氯离子渗透进入钢筋混凝土结构后，迁移到钢筋表面,破坏钢筋表面的钝化层,使钢筋局部发生电化学腐蚀:二是对混凝土的腐蚀:氯盐进入混凝土内部与水泥的某些成分反应,生成物体积增大使混凝土膨胀破坏。
 

　　盐晶变膨胀
 

　　可溶性盐随水分渗入混凝土内部的毛细孔和微孔内,当水分蒸发时,盐就会结晶出来。盐结晶生长过程发生体积膨胀,导致混凝土破坏。某些盐类如硫酸盐和氯盐,随温度不同分子中的结晶水数目也不同,当温度变化时发生晶变,引起体积变化。其中硫酸钠晶变可膨胀331%。
 

　　冻融破坏
 

　　在我国北方冬季是多雪、冻融交变发生概率最大的区域,无论是北方内陆江河区域,还是沿海区域,甚至市政交通网络中的过街天桥也时常经受冻融危害。混凝土结构中存在大量的孔隙和裂缝,水分可通过毛细作用进入具中,当温度降到冰点时,水会结冰膨胀,使孔壁受压变形，环境温度升高,冰融化成水,体积缩小,使孔壁受到拉应力。反复的冻融过程会使混凝土结构浅表面出现裂纹,并逐渐酥松、脱落,逐步侵蚀整个结构.冻融不仅破坏混凝土本身,也会使其中的钢筋失去保护,从而造成钢筋腐蚀.因此,冻融破坏是我国北方桥梁混凝土结构破坏的主要因素之一。(见图2)

 

　　图2 桥梁混凝土冻融破坏

　　图3 混凝土结构冲蚀破坏   图4 微生物藻类附着侵蚀
 

　　此外,酸雨、风砂侵蚀、冲蚀破坏(图3)、微生物腐蚀(图4)、海洋生物腐蚀(图5)等也是腐蚀混凝土的常见类型。

图5  海洋生物对混凝土结构的腐蚀

我国北方桥梁混凝土结构
 

　　腐蚀特征
 

　　我国北方地区桥梁建设所处区域具有很大的地域差异性,所面临的腐蚀环境不仅包括大气腐蚀、水介质腐蚀和土壤腐蚀三种主要的腐蚀环境,还有风蚀、冻融、微生物腐蚀、海生物腐蚀、化工介质腐蚀等等.不同区域的腐蚀特征,特别是重点需要防护的腐蚀因素也存在差异.我国北方桥梁混凝土结构的腐蚀重要因素见表1.
 

　　外部防护
 

　　为了提高钢筋混凝土结构的耐久性,到目前为止已有许多技术在应用,例如使用高性能混凝土;采用环氧涂层钢筋、镀锌钢筋、不锈钢钢筋;混凝土外加掺和剂;混凝土表面涂覆外涂层;电化学保护(包括阴极保护电化学除盐和电化学重新碱化);以及几种措施并用等.

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