我國北方橋梁混凝土結構的腐蝕與防護
 

　　□文/師 華,楊振波,張亮,徐永祥·北京航材百慕新材料技術工程股份有限公司
 

　　《鹖冠子·備知》∶“山無徑跡,澤無橋梁,不相往來”。經過幾千年的人類文明史,橋梁從形態、材料等多個方面得到了充分發展和技術更新。目前,橋梁已成為現代交通網絡的重要組成部分,也是世界文明和工業化、現代化進步的重要標志。橋梁不僅起到了其本質的交通功能,還承載了景觀、旅游、歷史等多重功能。
 

　　近年來,我國各類橋梁建造技術水平日新月異,設計、制造、施工技術和橋梁結構理論、材料科學研究均達到國際先進水平。但在橋梁的防護保養技術領域,我國的實踐時間還很短,還有很多問題急待解決。
 

　　由于我國地域遼闊,人為環境存在差異,要完善和提高橋梁結構的防腐體系和技術,不僅要加強防護新技術的研發、成形方案和材料的工程化應用研究,還應對橋梁所在區域的局部腐蝕小環境進行分析,更應研究其存在的環境腐蝕因素的影響順序,亦即主要防護特征,提出針對性的防護方案和合適的材料體系。
 

橋梁混凝土結構的腐蝕類型
 

　　鋼筋混凝土是以水泥、砂子、石子等和鋼筋配合,經水化形成的—種復合材料。對其結構的腐蝕有以下一些類型。
 

　　中性化和鋼筋的腐蝕
 

　　鋼筋保持鈍化的最低PH值為11.5，而普通硅酸鹽水泥水化生成的10%～15%氫氧化鈣,使鋼筋混凝土結構PH值達到12.5～13.5。但是氫氧化鈣很容易被大氣中存在著二氧化碳、工業污染排放的二氧化硫、汽車排放的二氧化氮等酸性腐蝕介質中性化。中性化可使PH值低于9,此時鋼筋表面的鈍化層被破壞,鋼筋就容易發生腐蝕。當水和氧氣充足,尤其是環境溫度較高時,鋼筋的電化學腐蝕速度相當快,而且生成含水率高、結構疏松的Fe(OH)₃紅色銹層,體積膨脹2～6倍,不僅降低混凝土對鋼筋的“握裹力”,同時也使混凝土層脹裂,出現結構性破壞。
 

　　溶解腐蝕
 

　　混凝土結構具有高粗糙度、多孔性、親水性和高堿性特點,長期與環境侵蝕性介質(例如地下水、河水和湖水)接觸,就會造成混凝土中的可溶性成分(例如Ca(OH)₂逐漸溶解、流失,使混凝土強度逐漸降低,pH值不斷減小,混凝土結構的孔隙率逐漸增大,并逐漸促使和加速溶解腐蝕,也會為其它腐蝕性介質的滲入營造出更多的無障礙通道。經過不斷的惡性循環,最終導致混凝土結構破壞。
 

　　水環境中另外一種溶解腐蝕來自于水中溶解的一些離子通過置換來形成的,例如水中溶解的銨鹽、鎂鹽可置換氫氧化鈣中的鈣,形成可溶性或軟體物。
 

　　雖然這類腐蝕的速度是比較慢的,但從長遠的角度看,也是值得注意的問題。
 

　　堿-骨料反應 (ASR)
 

　　堿-骨料反應是混凝土中的堿(NaOH、KOH)與基料中的某些成份(二氧化硅、硅酸鹽、碳酸鹽)反應,形成的生成物(堿硅膠)容易吸水膨脹。當膨脹壓力超過硬化水泥漿的抗拉強度時,就會引起混凝土開裂破壞。
 

　　雖然ASR反應的特點是反應緩慢,持續時間長,一旦發生很難補救,被稱為混凝土的“癌癥”， 因此,一般以預防為主。

　　圖1 融雪鹽對橋梁混凝土結構的破壞
 

　　氯離子腐蝕破壞
 

　　鋼筋混凝土結構中氯離子的來源有兩個途徑,一個是來自于制造混凝土的原材料,例如含有氯離子的水、冬季施工加入的含有氯離子的防凍劑、以及使用了海砂;第二個途徑是來自于結構外部的氯離子,例如海洋環境(沿海區域海水、空氣中的鹽微粒)、工業環境(氯化工微環境)、土壤環境(高鹽分含量的土壤)、北方冬季使用的“融雪鹽”等(圖l)。
 

　　氯離子的腐蝕主要有兩個方面,一是對鋼筋的腐蝕:當氯離子滲透進入鋼筋混凝土結構后，遷移到鋼筋表面,破壞鋼筋表面的鈍化層,使鋼筋局部發生電化學腐蝕:二是對混凝土的腐蝕:氯鹽進入混凝土內部與水泥的某些成分反應,生成物體積增大使混凝土膨脹破壞。
 

　　鹽晶變膨脹
 

　　可溶性鹽隨水分滲入混凝土內部的毛細孔和微孔內,當水分蒸發時,鹽就會結晶出來。鹽結晶生長過程發生體積膨脹,導致混凝土破壞。某些鹽類如硫酸鹽和氯鹽,隨溫度不同分子中的結晶水數目也不同,當溫度變化時發生晶變,引起體積變化。其中硫酸鈉晶變可膨脹331%。
 

　　凍融破壞
 

　　在我國北方冬季是多雪、凍融交變發生概率最大的區域,無論是北方內陸江河區域,還是沿海區域,甚至市政交通網絡中的過街天橋也時常經受凍融危害?；炷两Y構中存在大量的孔隙和裂縫,水分可通過毛細作用進入具中,當溫度降到冰點時,水會結冰膨脹,使孔壁受壓變形，環境溫度升高,冰融化成水,體積縮小,使孔壁受到拉應力。反復的凍融過程會使混凝土結構淺表面出現裂紋,并逐漸酥松、脫落,逐步侵蝕整個結構.凍融不僅破壞混凝土本身,也會使其中的鋼筋失去保護,從而造成鋼筋腐蝕.因此,凍融破壞是我國北方橋梁混凝土結構破壞的主要因素之一。(見圖2)

 

　　圖2 橋梁混凝土凍融破壞

　　圖3 混凝土結構沖蝕破壞                                    圖4 微生物藻類附著侵蝕
 

　　此外,酸雨、風砂侵蝕、沖蝕破壞(圖3)、微生物腐蝕(圖4)、海洋生物腐蝕(圖5)等也是腐蝕混凝土的常見類型。

圖5  海洋生物對混凝土結構的腐蝕

我國北方橋梁混凝土結構
 

　　腐蝕特征
 

　　我國北方地區橋梁建設所處區域具有很大的地域差異性,所面臨的腐蝕環境不僅包括大氣腐蝕、水介質腐蝕和土壤腐蝕三種主要的腐蝕環境,還有風蝕、凍融、微生物腐蝕、海生物腐蝕、化工介質腐蝕等等.不同區域的腐蝕特征,特別是重點需要防護的腐蝕因素也存在差異.我國北方橋梁混凝土結構的腐蝕重要因素見表1.
 

　　外部防護
 

　　為了提高鋼筋混凝土結構的耐久性,到目前為止已有許多技術在應用,例如使用高性能混凝土;采用環氧涂層鋼筋、鍍鋅鋼筋、不銹鋼鋼筋;混凝土外加摻和劑;混凝土表面涂覆外涂層;電化學保護(包括陰極保護電化學除鹽和電化學重新堿化);以及幾種措施并用等.

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