在過去的30年中，公路橋梁中這種鋼筋腐蝕方面的案例數量有大幅度的增加，并且仍呈上升趨勢。盡管修復橋面的費用高得驚人，但由于除冰劑在路面除冰方面的突出貢獻，今后除冰劑的應用不會減少。雖然除冰劑中的氯離子對金屬表面的保護層破壞而具有極強的腐蝕性，事實上，除了80年代基本持平， 90年代的前5年路面除冰劑的用量一直呈上升趨勢。

    高效、低腐蝕性的除冰劑，但由于其價格較高，不宜作為冬季路用除冰劑廣泛應用。因此，可以想見今后公路橋梁鋼筋腐蝕問題仍將繼續存在―如果不更嚴重的話。由于鋼筋腐蝕所帶來的巨大經濟負擔，各國都正致力于橋面鋼筋防腐方面的研究。

    （1）混凝土中鋼筋腐蝕的機理從金屬的冶煉過程講，金屬在冶煉時吸收足夠的能量，從礦石中分離出來，并且這些能量儲藏在冶煉出的金屬中。這種金屬狀態并不穩定，因為金屬具有通過與周圍環境發生化合反應釋放自身多余能量的趨勢。

    這個反應過程就是我們熟知的氧化過程，或者更明確的說是金屬的腐蝕過程，例如鐵和鋼，具有被腐蝕后生成氧化鐵（尤其是Fe）。橋面中鋼筋腐蝕的快慢取決于其成分、粒子結構以及鋼筋在生產過程中產生的表面張力情況，另外還與周圍的自然環境因素，如水、氧氣、離子類型、環境的值以及溫度等有關。

    混凝土中大量的氫氧化鈣和少量的鈉、鉀等堿性元素，使得混凝土具有很強的堿性， PH值高達12至13.混凝土早期的強堿性，使混凝土中鋼筋的表面形成一層強膠質層，該膠質層由兩部分組成，內層是致密的尖晶石（ Fe） ，嵌于鋼筋之上外層是FeOOH，這對鋼筋耐腐蝕性是有利的。只要這一粘附層不被破壞，鋼筋就處于被保護狀態，不會被腐蝕。當混凝土構件長期暴露于除冰劑、鹽液、含鹽的霧氣或者海水等環境時，氯離子就會通過混凝土中的氣孔，隨水進入到混凝土的內部，并最終會接觸鋼筋并開始積聚。

    當氯離子達到一定濃度后，在氧氣和潮濕氣體的共同作用下，從混凝土和鋼筋的界面開始破壞粘附層而腐蝕鋼筋。

    據美國公路管理局（ FHWA ）的一份報告，混凝土中能使鋼筋腐蝕的最小氯化物濃度為0. 15 （可溶性氯化物與水泥的重量比） ，或者每立方米混凝土中含0. 59kg可溶性氯化物。后來實驗室里的研究表明，當全部氯化物與混凝土的重量比達到0. 033時鋼筋即開始腐蝕（人們廣泛接受的觀點是，只有水溶性的氯化物[氯離子]才對鋼筋具有腐蝕作用，但在實際研究中，通常以橋梁混凝土樣品中[無機]氯化物總量為準。因為所采用的分析可溶性氯化物含量的方法相當繁瑣，并且也不如分析酸溶性無機氯化物總量的方法精確。

    另外，實踐中通常以氯化物占混凝土重量百分比的形式表示氯化物的含量，這樣一來就不必再專門分析硬化后的混凝土樣品中水泥的含量）。研究表明：氯化物的極限腐蝕濃度在不同的橋梁混凝土中是不一樣的，這取決于水泥的品種和混凝土的配合比，因為水泥的品種和混凝土的配合比影響混凝土中鋁酸三鈣（ C和氫氧根離子（ OH）的濃度。鑒于氫氧根離子對鋼筋抗腐蝕性的保護作用，用氯離子與氫氧根離子濃度之）表示腐蝕極限更合適，最新研究確定的范圍為2. 5至6，即當超出Cl時，鋼筋可能會發生腐蝕。

    從電化學反應原理講，金屬和周圍的電解液或溶液之間形成原電池，一旦混凝土中的鋼筋開始腐蝕，在金屬表面和電解液或溶液之間就發生原電池反應。每一個原電池由一對嵌于金屬表面的電極（陽極和對應的陰極）、回路和電解液組成。在原電池的陽極，金屬發生氧化反應（電離） ，并伴隨有電子產生。這些電子通過金屬本身構成的回路到達陰極，并通過化學反應被電解液中物質獲得。在鋼筋混凝土中，陽極和陰極都位于鋼筋上，鋼筋同時也起回路的作用，而鋼筋周圍的混凝土則充當電解液的角色。

    當混凝土中鋼筋腐蝕發生時，所發生的化學反應取決于鋼筋和混凝土界面上的環境因素：當有氧氣存在時：在陽極，鐵被氧化成亞鐵離子，釋放出電子。

    在陰極，電子與氧氣和水結合，生成氫氧根離子亞鐵離子與氫氧根離子化合生成氫氧化亞鐵。后者在水的作用下，進一步氧化生成三氧化二鐵在缺氧而有氯化物存在的情況下：在陽極，在橋面中鋼筋的表層，被氧化的亞鐵離子與氯離子化合，生成一種介質性質的含鐵復合離子。

    這種化合物然后與水反應生成氫氧化亞鐵。

    在陰極，氫離子被還原，或者說獲得電子形成氫氣。

    一般認為，在反應式（ 6）中產生的復合氯離子，可以和水泥中的氫氧化鈣發生如下反應：從以上的各種反應可以清楚的看出，混凝土中所有的氯離子均沒被消耗完，余量仍將繼續起到腐蝕的作用。由于在（ 7）反應中產生氫離子即酸，陽極附近PH值會迅速降至5～6.這時由于電化學反應則形成的低PH值區，與在周圍高PH值混凝土中鋼筋上的有很大差異。從而形成一個宏觀的、更強的（原電池）陽極，并向原來的陽極饋電。很顯然在發生腐蝕反應中，必須有水參與，它不僅支持陰極反映，還提高了混凝土的導電性能。

    在沒有氯離子存在的情況下，也可以發生腐蝕現象。例如：當混凝土與來自空氣中的二氧化碳和水生成的碳酸接觸后，在水化水泥中氫氧化鈣的碳酸化作用會降低其堿性， PH值可降至8. 5，這就可能使混凝土中的鋼筋發生腐蝕：這種碳酸化的程度直接取決于混凝土的水灰比（ W/ C） ，也就是說，混凝土的水灰比越大，氫氧化鈣的碳酸化程度越深。對于質量較好、固化較充分、沒有裂縫的混凝土，預期碳酸化程度非常低。例如：對于水灰比（ W/ C）為0. 45的混凝土，碳酸化作用要通過25mm的混凝土保護層達到鋼筋位置，需要100多年的時間。

    另一個可能影響混凝土的壽命、仍未被廣泛認識的因素，是在燃燒石化燃料時釋放出的二氧化硫）和氮的氧化物（ N O）等污染性氣體。當這些氣體與空氣中的水分結合，就形成酸（以酸雨和酸雪的形式存在） ，這種酸要比由二氧化碳形成的碳酸具有更強的腐蝕性。這些酸引起的水泥的酸化作用比（ 11）式中水泥的碳酸化作用要嚴重得多。況且跡象表明，在除冰劑和酸沉積的共同作用下，產生的環境比以上這些物質中的任何一種單獨作用產生環境具有更強的腐蝕性。

    調查數據顯示，混凝土橋腐蝕嚴重的地區也就是沿海河南交通科技地區或者使用除冰劑的地區，而腐蝕最嚴重的地區是有鹽，而同時又有酸雨、酸雪的地區。實驗資料表明，這種除冰劑和酸沉積對金屬的聯合腐蝕作用，應歸咎與酸為腐蝕反應提供了可以被還原的氫離子。可以想象，這種由酸性氣體引起的酸沉積，最終會對混凝土產生不良的影響――提高混凝土的氯離子滲透性，同時降低了鋼筋周圍混凝土的堿性。

    原電池正負極都存在促使腐蝕發生的電勢差，即電壓。在鋼筋混凝土中，產生電勢差的原因可能有以下幾種：鋼筋表面結構的差異。鐵與碳或其他元素合金的性質具有多樣性。可以認為其表面是布滿存在微弱電化學能的金屬細紋。鋼筋上殘余應力的存在甚至在某一部分上的劃痕都可能產生促使鋼筋腐蝕的電勢差。

    電解液的不同。鋼筋周圍混凝土中氯化物、氧氣、水汽、氫氧化物等的濃度可能存在差異。這種差異在混凝土中總是存在的，因為混凝土是具有多重屬性的物質，無論化學或物理方面、宏觀和微觀方面。微觀的差異，可以產生微觀的電化學上的原電池，其正負極在同一根鋼筋上在混凝土橋面中，這些成對的電極多數將分布于上層的鋼筋網上。宏觀的差異將產生看得見的電化學原電池，其陽極在上層鋼筋網的一根鋼筋上，陰極在上層或下層的另一根鋼筋上。

    混凝土中的裂縫可能很快引起鋼筋附近混凝土這種差異。

    專家們認為就連鋼筋附近水泥中氣泡的分布情況不同，都會影響鋼筋表面的腐蝕――水泥水化越充分，其中的鋼筋表面腐蝕反應發生得越早。運用低頻阻抗技術，通過測量鋼筋表面電阻和相位角，發現其原因可能是由于在鋼筋和混凝土的界面上，氧氣被消耗形成了陽極區。通常一根鋼筋或兩根相鄰的鋼筋，周圍環境差異越大，鋼筋的腐蝕反應發生也越快。

    腐蝕的產物（鐵銹）所占的體積比鋼筋大，當鋼筋腐蝕到一定程度，就會對周圍的混凝土施加壓力，混凝土開始裂縫，直至破碎。當鋼筋被腐蝕時，生成的鐵銹向混凝土施加的膨脹壓力變化范圍估計在32～500MPa.鋼筋腐蝕一旦發生，鋼筋的橫截面積就會減小，這就導致混凝土和鋼筋之間的粘結力喪失。在預應力混凝土中，高強鋼絲和混凝土之間的粘結力處于臨界狀態，這種粘結力的喪失對預應力混凝土來說是非常嚴重的。

    （2）國外在橋面鋼筋防腐方面采取的措施橋面混凝土過早的損壞在60年代就已經引起美國各州的重視。所以到70年代后期，在美國的橋梁建設中在鋼筋上涂環氧涂層的零腐蝕防腐措施已進入標準實施階段。

    開始使用低氣泡混凝土（低水灰比波蘭水泥混凝土、橡膠改性混凝土、其它特種混凝土和改善混凝土配合比設計等）和增加混凝土保護層厚度。作為一種防腐方法，在橋面鋪裝層上設置瀝青封層的同時，鋪設防水層已經取得綜合性防腐、防水效果。有些國家把同時采用環氧涂層鋼筋、粘層油、防水層的綜合性防腐措施作為首選的方案。

    粘層油、防水層、涂保護層等一系列措施都可在一定程度上起到延長混凝土構件壽命的作用，其效果取決于所采取的防腐措施的類型和施工質量。因此只能延緩鋼筋腐蝕的進程，而不能阻止正在發生的腐蝕繼被證實可以成功的阻止和控制由于氯化物的侵入而引起的混凝土中鋼筋腐蝕的發生。另外，可以通過排除混凝土中氯離子、潮濕或氧氣的方法，阻止或延緩腐蝕的發生。利用電化學反應提取被污染混凝土中氯離子，作為另一種養護技術，美國地方公路管理部門已經開始探索。

    預應力混凝土技術在橋梁上應用較晚，橋梁上的預應力構件相對較新。因此預應力構件中鋼筋腐蝕和混凝土碎裂等問題直到80年代才逐漸暴露出來。盡管預應力混凝土構件一般采用高標號混凝土澆筑而成，但時間證明它們與普通鋼筋混凝土構件一樣易受因鋼筋腐蝕所產生不利影響。更嚴重的是已經發現由于腐蝕導致預應力鋼絞線斷裂的案例。預應力混凝土依賴鋼絞線的拉力來抵抗荷載作用，一個構件中哪怕只有少數幾根鋼絞線斷裂，都可能造成災難性后果。另外，由于鋼絞線在構件中處于高應力狀態，其腐蝕的速度也更快些。一個小的腐蝕凹坑都足以導致鋼絞線的突然斷裂，而普通鋼筋則是逐步腐蝕，直至斷開。預應力混凝土中鋼筋的腐蝕斷裂具有突發性和不可預見性，因此預應力混凝土橋梁的防水問題也顯得尤其重要。

    我國在橋面鋼筋防腐和橋面防水方面的研究起步較晚，目前尚無系統的、綜合的研究成果可資利用，但已經有幾個省、市正和公路科研院所合作，開展這方面的研究工作。


 

責任編輯：王元

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