钢筋混凝土桥梁中钢筋锈蚀与其阴极保护

魏新来 王艺杰

（郑州大学水利与环境学院 河南 郑州 450001）

0 引言

桥梁是道路中断时跨越障碍物的建筑物。长久以来,桥梁对于促进交通事业和国民经济的发展起着极为重要的作用。目前，中国已成为桥梁大国，每年新建的桥梁约占世界新建桥梁总数的一半。2011年的数据显示，我国拥有桥梁65.8万余座，总计30483094延米，已超越美国（约62万座），成为桥梁第一大国。根据规划，到2020年左右，我国公路桥梁将建至80万座。

长期以来，钢筋混凝土结构的耐久性得到了工程实际的考验，被人们所认可，钢筋混凝土桥梁也因此成为目前世界上应用最为广泛的桥梁。以我国为例，在已建公路桥梁中，钢筋混凝土桥梁所占比例达到90%以上。钢筋混凝土结构中，钢筋处于强碱环境中，在其表面形成了一层致密的钝化膜，保护钢筋不与腐蚀环境接触，使钢筋不发生锈蚀。但在桥梁的使用期间，结构处于恶劣的环境条件下，内部将发生一系列变化，导致钢筋混凝土的腐蚀。钢筋锈蚀对于钢梁混凝土桥梁的使用极为不利。本文对钢筋锈蚀的机理进行分析，并给出其防护措施。

1 钢筋锈蚀的机理

普通硅酸盐的主要成分是铝酸钙 （3CaO·Al2O3，4CaO·Al2O3）和硅酸钙（3CaO·Si2O3,2CaO·Si2O3）,在水泥水化反应 中生成 Ca（OH）2，当 Ca（OH）2溶解于水时和其它成分结合在一起pH值达到12－13，呈强碱性。在此环境下，钢筋表面会形成一层致密的钝化膜，保护钢筋不与腐蚀环境接触,不发生锈蚀。但在周围不利环境的作用下，CO2、SO2等酸性气体会逐渐渗入混凝土中，和Ca（OH）2发生化学反应，生成钙盐，导致pH值下降，无法形成钝化膜。另外，一些强穿透离子如氯离子可以破坏钝化膜。这时，钢筋就不受保护，容易发生锈蚀。

当处于腐蚀环境中的钢筋表面有水分存在时，其表面不同部位会形成较大的电位差，形成阳极和阴极，钢筋开始锈蚀。反应式如下：

阳极反应 Fe-2e-→Fe2+

阴极反应 1/2O2+H2O+2e-→2OH-

当Cl-浓度超过临界浓度时，与Fe2+发生反应，生成FeCl2·4H2O，向含氧量较高的混凝土孔隙转移，集中在钢筋表面，进一步反应,分解成Fe（OH）2。从以上反应过程可以看出，Cl-参加反应，却不构成腐蚀产物，在反应中也不被消耗，起到的是催化作用。Fe（OH）2体积是铁的4倍，它进一步反应的产物Fe3O4体积是铁的8倍，会在混凝土中产生很大的拉应力，当拉应力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土就会开裂，使得环境中的腐蚀物更易接触到钢筋，这又促进了钢筋的进一步锈蚀。钢筋锈蚀对钢筋混凝土结构耐久性不利，以受弯构件为例，钢筋锈蚀引起钢筋截面积减小、和粘结力的降低，将导致其抗弯承载力的下降，有试验表明，钢筋锈蚀率达到10%时，承载力将下降50%以上。

2 防止钢筋锈蚀的措施

目前，已开发的用于防止钢筋锈蚀的措施有很多，可以分为三大类：

2.1 提高混凝土的质量：使用低渗混凝土、增加保护层厚度、添加剂、涂层、防治水膜等。

2.2 提高钢筋的耐腐蚀性能：使用环氧涂层钢筋、不锈钢钢筋、不锈钢包覆钢筋、热浸锌涂层钢筋、MMXF钢筋和复合涂层钢筋等。

2.3 电化学防护法：阴极保护法与阳极保护法等。

以上防腐措施均可在一定程度上阻止腐蚀的发生，但防腐效果有所不同。下面介绍在国内应用比较少的技术——阴极保护法。

3 阴极保护法

阴极保护法是通过向混凝土中钢筋表面持续通入足够的电流，使其阴极极化，使其免于腐蚀的一种电化学保护技术。钢筋混凝土阴极保护可分为强制电流阴极保护和牺牲阳极阴极保护两种方法。

在国外，阴极保护法的应用已有几十年的历史。1973年，美国加利福尼亚州内华达山著名的洲际80号大桥应用了阴极保护。这在世界上是第一次正式应用阴极保护法，随后便在欧美发达国家广泛应用开来。到1997年，北美已有500座以上的桥梁实施了阴极保护，被保护的构件包括桥面板、上部结构、桩帽、柱子、桩等。目前，中国大陆对于已建桥梁尚未应用过阴极保护。2006年，中国大陆第一次将阴极保护应用在新建的杭州湾大桥，随后，应用了阴极保护技术的桥梁有青岛海湾大桥、永定河特大桥、威海长会口大桥和辽河特大桥等。

3.1 强制电流阴极保护

强制电流阴极保护是通过外加电流，将电源的正极与难溶性辅助阳极相接，电源负极与被保护的钢筋相接，分别形成阳极区和阴极区，直流电流由辅助阳极流向钢筋，使得钢筋持续、均匀的得到自由电子，得到保护。从上面可以看出，强制电流阴极保护是一种主动防护。强制电流阴极保护是目前为止钢筋混凝土中钢筋防锈最经济、有效的方法，特别适用于受氯化物污染的桥梁。

强制电流阴极保护系统由稳压直流电源、辅助阳极系统、参比电极、被保护钢筋混凝土结构、电缆等部分构成。辅助阳极的作用是为电流提供回路，同时产生阳极电场，对于保护系统起着极为重要的作用，也是保护系统中价格最高的部件。在保护系统正常运行下，辅助阳极周围主要发生析氧或析氯反应：

阳极析氧反应 H2O→1/2O2+2H++2e-

阳极析氯反应 2Cl-→Cl2+2e-

Cl2+H2O→HClO+HCl

可以看出上述反应会降低电解质的强碱性，应控制辅助阳极的最大输出电流以减少酸的生成。目前常用的辅助阳极系统有：焦炭沥青阳极系统、导电聚合物堆砌阳极系统、无覆盖层开槽阳极系统、导电聚合物网状阳极、钛基混合金属氧化物阳极、导电涂料阳极系统、可喷涂的导电聚合物涂层阳极、喷锌涂层、钛涂层等。

3.2 牺牲阳极阴极保护

牺牲阳极阴极保护是通过比钢筋电极电位更负的金属或合金作为牺牲阳极，与混凝土中的钢筋相接，二者之间形成一个腐蚀电池，钢筋作为阴极，牺牲阳极则成为阳极。阳极与阴极间的电位差使得保护电流通过电解质从牺牲阳极流向钢筋，使得钢筋得到保护。从上面可以认为，牺牲阳极阴极保护是一种被动防护。

牺牲阳极保护法与阴极保护法相比无需外加电源（从而不会干扰邻近设施），具有投资少，安装维修方便，易于获得良好电流分布等优点，因此在舰船﹑海上设备﹑码头﹑地下管道等设施的保护上，得到了广泛的应用，但在我国的桥梁保护上应用尚在起步阶段。牺牲阳极的使用寿命一般不长，大多在10－15年左右。

目前，可用于钢筋混凝土桥梁结构的牺牲阳极系统主要有：锌—水凝胶阳极系统，加速试验表明，该系统的使用寿命可达12年；喷涂金属阳极系统，其预期使用寿命可达10－15年；锌网阳极系统，其使用寿命可达15－20年；埋入式牺牲阳极系统，其使用寿命可达10－20年。

4 结语

本文介绍了钢筋混凝土桥梁的钢筋锈蚀机理以及防腐方法。我国交通事业发展迅速，每年新建大量桥梁。阴极保护法对于防止桥梁钢筋锈蚀极为有效，但这一技术在我国桥梁的防腐应用中尚在起步阶段，需要研究和开发。

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