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海工混凝土鋼筋腐蝕及防護(hù)措施綜述

文檔作者：徐國強(qiáng)１２于慶坤１楊小杰１劉曉偉１文檔來源：１．華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北２．河北省地震工程研究中心			點(diǎn) 擊數(shù)：
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檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪
了混凝土的抗凍性，凍融循環(huán)后摻氧化鎂的混凝土相對動(dòng)彈模明顯高
于未摻氧化鎂混凝土，質(zhì)量損失明顯小于未摻氧化鎂混凝土。且在外
摻量４％以內(nèi)隨氧化鎂摻量提高混凝土的抗凍性能逐漸提高。
（３）摻入４％氧化鎂后混凝土的磨損率減小了３３％，抗沖磨強(qiáng)度提
高了３０％。外摻氧化鎂能顯著提高混凝土的抗沖耐磨性能。
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作者簡介：任金來（１９８９ 年１ 月２ 日生），男，漢族，主要從事水利
工程質(zhì)量檢測方面的工作。
海工混凝土鋼筋腐蝕及防護(hù)措施綜述
■徐國強(qiáng)１ ，２ ，于慶坤１ ，楊小杰１ ，劉曉偉１
■１ ．華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北　唐山　０６３００９；２．河北省地震工程研究中心，河北　唐山　０６３００９
摘　要：海洋環(huán)境下鋼筋銹蝕是混凝土結(jié)構(gòu)破壞的主要原因之一。綜述了海洋
環(huán)境下混凝土鋼筋腐蝕原因和機(jī)理的研究現(xiàn)狀。從鋼筋和混凝土兩個(gè)
方面入手，總結(jié)了目前關(guān)于提高海洋環(huán)境下混凝土中鋼筋的耐腐蝕性能
的措施和研究成果，為以后的相關(guān)研究和工程施工提供借鑒和指導(dǎo)。
關(guān)鍵詞：海工混凝土　鋼筋腐蝕　腐蝕機(jī)理　防護(hù)措施
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｍａｒｉｎｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｓｔｅｅｌ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｅａｓｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ
ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄａｍａｇｅ．Ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｉｎ ｍａｒｉｎｅ ｅｎｖｉ
ｒｏｎｍｅｎｔ ｉｓ ｒｅｖｉｅｗｅｄ ｆｉｒｓｔ．Ｆｒｏｍ ｔｗｏ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ａｎｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ，ｓｕｍｍａ
ｒｉｚｅｄ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｉｍｐｒｏｖｅ ａｎｔｒｉｕｓｔ ｔｅｎｄｏｎ ｏｆ ｓｔｅｅｌ
ｂａｒ ａｔ ｐｒｅｓｅｎｔ．Ａｎｄ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｇｕｉｄａｎｃｅ ａｎｄ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｆｕｔｕｒｅ ｒｅｌａｔｅｄ ｒｅ
ｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍａｒｉｏｎ ｃｏｎｃｒｅｔｅ 　ｓｔｅｅｌ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ 　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ 　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ
ｍｅａｓｕｒｅ
海洋是人類活動(dòng)的重要空間，特別是我國沿海地區(qū)地少人多，因此
海洋空間的利用是一個(gè)重要出路，海工建筑也因此而得到了突飛猛進(jìn)
的發(fā)展。一般說來，海水中約含有３５％的可溶性鹽類，這些鹽類都可
能給混凝土結(jié)構(gòu)造成腐蝕，其中主要是硫酸鹽和氯鹽。鑒于海工混凝
土特殊的工作環(huán)境條件，除其強(qiáng)度和拌合物的和易性應(yīng)滿足設(shè)計(jì)、施工
要求外，尚應(yīng)具有所需的抗?jié)B性、抗凍性、抗蝕性等性能。特別是其中
鋼筋的銹蝕與防護(hù)尤為重要，世界各國每年因腐蝕造成的直接經(jīng)濟(jì)損
失約占其國民生產(chǎn)總值的２％ ～４％。因此，對海洋環(huán)境下鋼筋的防腐
蝕研究與設(shè)計(jì)顯得尤為重要。
１ 　海工混凝土鋼筋的破壞機(jī)理
研究海洋環(huán)境下混凝土中鋼筋的腐蝕問題，首先需要清楚其破壞
原因和機(jī)理，才能有針對性的對鋼筋耐腐蝕性能進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)研究，
找準(zhǔn)研究方向，得出有用的研究成果，對后續(xù)的試驗(yàn)研究提供理論依
據(jù)。
海水成分復(fù)雜，含有多種游離態(tài)的離子，雖然其含量不高，但混凝
土結(jié)構(gòu)長時(shí)間暴露在這種環(huán)境下，其影響不容忽視。其中最主要的破
壞離子就是 ＳＯ２４ －和 Ｃｌ －。首先對于混凝土結(jié)構(gòu)，抗?jié)B性能遠(yuǎn)不及天然
石材，雖然宏觀上與天然石材區(qū)別不大，但在微觀上，混凝土表面有很
多的微觀孔隙［１ ］。因此，在海洋環(huán)境下，各種游離態(tài)的離子通過孔隙
滲透到混凝土內(nèi)部，與其中的Ｃａ２ －、Ａｌ３ ＋等成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而使
其耐久性和耐腐蝕性降低，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。其次對于鋼筋的腐蝕
破壞，主要是氯離子引起的，其通過毛細(xì)管、擴(kuò)散、對流、滲透等方式侵
入混凝土結(jié)構(gòu)，擴(kuò)散是最主要的侵入方式［２］。當(dāng)其濃度到達(dá)一定的臨
界值后，從而引起鋼筋的銹蝕。１
混凝土耐久性的研究是一個(gè)十分重要而又迫切需要解決的問題，
特別是位于沿海及近海地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)，由于海洋環(huán)境對混凝土的
腐蝕，尤其是鋼筋的銹蝕造成的結(jié)構(gòu)早期損壞，已成為工程中的主要問
題［３］。目前，對于提高海洋環(huán)境下混凝土中鋼筋的耐腐蝕性能，防止
鋼筋腐蝕的技術(shù)措施有許多種，可歸納為兩大類。其一是提高混凝土
自身的防護(hù)能力，增加混凝土的抗腐蝕能力，如高密實(shí)、抗裂混凝土；其
二被稱作“附加措施”，主要包括：鋼筋阻銹劑、混凝土外涂層、特種鋼筋
（如環(huán)氧涂層鋼筋、不銹鋼筋等）、陰極保護(hù)等。
２　鋼筋防腐蝕措施研究
２．１ 　鋼筋阻銹劑
鋼筋阻銹劑是指一種加入到混凝土中或涂刷在其表面，能有效延
緩或阻止腐蝕發(fā)生的化學(xué)物質(zhì)。其主要是由酯胺混合液和醇胺混合物
等高分子的陽極型阻銹材料組成，作用機(jī)理是通過氯化鐵原子可以使
鋼筋表面形成致密的氧化鐵鈍化膜，或吸附在其表面形成阻礙層，阻止
陽極反應(yīng)的發(fā)生，使鋼筋長期處于鈍態(tài)，其保護(hù)層得到最大限度地提高
和保持，同時(shí)防止氯鹽、鎂鹽的侵蝕，使腐蝕速度大幅度降低［４］。
鋼筋阻銹劑主要優(yōu)點(diǎn)如下：使用壽命長，能滿足５０ 年以上混凝土
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壽命要求；與涂層鋼筋、特種鋼筋、陰極保護(hù)等措施相比，花費(fèi)
最少，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，且施工簡單，方便，節(jié)省勞動(dòng)力，壽命期內(nèi)不需維護(hù)，經(jīng)
濟(jì)效果最優(yōu)；適用范圍廣［５］。
２．２　特種鋼筋
阻止氯離子對鋼筋的腐蝕的有效措施之一，就是在鋼筋表面進(jìn)行
涂層處理。目前環(huán)氧樹脂涂層鋼筋在國內(nèi)外應(yīng)用廣泛。環(huán)氧樹脂涂層
鋼筋有很好的耐蝕性，但與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度明顯降低，適用于處在潮
濕環(huán)境或侵蝕性介質(zhì)中的工業(yè)與民用房屋、一般構(gòu)筑物及道路、橋梁、
港口，碼頭等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中。經(jīng)國內(nèi)外的大量研究和多年的工程
應(yīng)用表明，采用這種鋼筋能有效地防止處于惡劣環(huán)境下的鋼筋腐蝕，從
而大大提高工程結(jié)構(gòu)的耐久性。環(huán)氧樹脂涂層被譽(yù)為鋼筋防腐衛(wèi)士，
其具有化學(xué)穩(wěn)定性高，不與酸、堿等反應(yīng)，延性大、干縮小等特點(diǎn)，與金
屬表面的粘著性好，在鋼筋表面起到了阻隔鋼筋與外界電流接觸的功
能［６］。
試驗(yàn)表明，另一種有效方法是提高鋼筋自身耐腐蝕性能。耐腐蝕
鋼筋在混凝土結(jié)構(gòu)中的使用還是一個(gè)相對較新的課題，目前主要有不
銹鋼筋和纖維塑料筋兩種。各種鋼筋中，不銹鋼筋的耐腐蝕性能最好
的，還具有強(qiáng)度高、耐久性好、使用方便，施工簡單等特點(diǎn)，大大延長了
結(jié)構(gòu)的使用壽命，但是價(jià)格昂貴，成本略有增加。目前奧氏體不銹鋼和
鐵素體不銹鋼因其高強(qiáng)度被廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)中，當(dāng)作為預(yù)應(yīng)力
筋使用時(shí)，其強(qiáng)度可達(dá)８３５ＭＰａ，作為普通鋼筋使用時(shí)，其強(qiáng)度亦可達(dá)
７００ＭＰａ［７］。
纖維塑料筋是指由玻璃纖維、碳纖維及阿拉米德纖維等多股連續(xù)
纖維，采用聚酰胺樹脂、聚乙烯樹脂、環(huán)氧樹脂等基底材料，通過膠合，
后經(jīng)過擠壓、拉拔成型的特殊材料［８］。纖維塑料筋的主要優(yōu)點(diǎn)有：抗
拉強(qiáng)度高、抗腐蝕性能良好、密度小。但其也存在彈性模量小、脆性大、
抗剪強(qiáng)度低和與混凝土之間粘結(jié)力小等缺點(diǎn)。
２．３　陰極保護(hù)
電化學(xué)保護(hù)是使金屬極化至腐蝕免疫區(qū)或鈍化區(qū)而得到保護(hù)［９］。
鋼筋腐蝕時(shí)將會(huì)同時(shí)發(fā)生失電子的陽極反應(yīng)和得電子的陰極反應(yīng)。發(fā)
·７·
２０１５ 年第１３ 期（總第１６６ 期）　　　　　　　　　　　　　　江西建材　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　應(yīng)用研究
生反應(yīng)時(shí)，陽極鐵失去兩個(gè)電子成為鐵離子（Ｆｅ２ ＋），鐵離子進(jìn)入溶液，
進(jìn)一步反應(yīng)生成腐蝕產(chǎn)物。陰極得到陽極鐵失去的電子，并與水中的
氧氣發(fā)生陰極反應(yīng)生成的ＯＨ －，之后與溶液中的鐵離子反應(yīng)生成鐵
銹［６］。
犧牲陽極和外加電流是陰極保護(hù)的兩種方式。犧牲陽極的原理是
兩種金屬的腐蝕電位不同，常用的犧牲陽極金屬是鋅或鋁塊，以及熱噴
鋅或鋅鋁銦合金。外加電流法則是連接被保護(hù)金屬與外加直流電源的
負(fù)極，使金屬電位負(fù)移，自腐蝕電流下降，從而使金屬得到保護(hù)［９］。
３　混凝土抗腐蝕措施研究
防止鋼筋腐蝕的有效措施是保證混凝土的良好質(zhì)量。在滿足其強(qiáng)
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，提高結(jié)構(gòu)
的密實(shí)度，從而提高其抗?jié)B、抗凍性能，具有良好的膠凝孔結(jié)構(gòu)，減緩腐
蝕速度，根本上提高混凝土本身護(hù)筋性能［１０］。
３．１ 　混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)
馬志鳴等［１１ ］做了七組不同配合比的混凝土試件，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)
２８ 天后，取兩個(gè)相對側(cè)面為試驗(yàn)用面，其余四面用環(huán)氧樹脂密封，保證
硫酸鹽侵蝕為一維擴(kuò)散。將試件置于海洋暴露試驗(yàn)區(qū)規(guī)定區(qū)域，用分
光光度計(jì)法測量不同深度硫酸根離子含量。研究表明，混凝土結(jié)構(gòu)在
海洋環(huán)境干濕循環(huán)作用下，離子侵入速率加快，硫酸根離子的侵蝕程度
隨暴露齡期的增加而增加，隨水膠比的增加而減少，當(dāng)水膠比相同時(shí)，
以一定量的礦物摻合料代替水泥，可以有效提高混凝土試件的抗硫酸
鹽侵蝕性能。
宋立元等［１２］對不同水膠比及摻加粉煤灰、硅灰的高性能混凝土的
氯離子擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，設(shè)置了５ 組混凝土試件進(jìn)行對比試驗(yàn)。
研究表明，適當(dāng)?shù)乃z比及摻加一定量粉煤灰和硅灰等活性集料能明
顯提高海洋混凝土結(jié)構(gòu)抵抗氯離子侵蝕的能力，為混凝土海洋平臺(tái)結(jié)
構(gòu)耐久性評估與設(shè)計(jì)提供了重要的參考價(jià)值。
馬保國等［１３］研究了在混凝土結(jié)構(gòu)中添加不同礦物摻合料對氯離
子滲透能力的抵抗作用，研究表明，在一定范圍內(nèi)，摻加粉煤灰和硅灰
均能提高混凝土的抗氯離子滲透能力，通過壽命預(yù)測，抗氯離子滲透能
力依次為１０％ＳＦ ＞６０％ＳＧ ＞３０％ＦＡ ＞純硅酸鹽水泥。
元成方等［１４］研究了海洋大氣環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)在鹽霧腐蝕及
碳化雙重作用下氯離子侵蝕試驗(yàn)研究，得出了當(dāng)粉煤灰摻量適中時(shí)，其
填充效應(yīng)改善了混凝土結(jié)構(gòu)的孔結(jié)構(gòu)，提高了其密實(shí)性，從而抑制了氯
離子的擴(kuò)散；而碳化反應(yīng)則粗化了混凝土的孔隙，破壞了原有的過濾機(jī)
制，使得環(huán)境中的氯離子更容易滲入，因此，在對海洋大氣環(huán)境下的混
凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行壽命預(yù)測時(shí)，需要考慮碳化反應(yīng)對氯離子侵蝕的影響。
３．２　提高保護(hù)層厚度
海洋對混凝土的各種破壞腐蝕都直接或間接作用于混凝土保護(hù)
層。保護(hù)層是防止鋼筋銹蝕的第一道屏障，必須保證其有足夠的厚
度［１０］。《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》規(guī)定海水環(huán)境鋼筋最
小保護(hù)層厚度５０ｍｍ，預(yù)應(yīng)力鋼筋最小保護(hù)層厚度７５ｍｍ，其中浪濺區(qū)最
小保護(hù)層厚度９０ｍｍ。加大保護(hù)層厚度對提高構(gòu)筑物耐久性具有顯著
效果。試驗(yàn)表明：結(jié)構(gòu)的耐久壽命與保護(hù)層厚度的平方成正比。當(dāng)保
護(hù)層厚度增加到一定程度之后，隨著厚度的增加，耐久壽命將會(huì)大幅度
提高，但其增加幅度是有一定限度的。當(dāng)保護(hù)層過厚時(shí)，將減小截面受
壓區(qū)高度，降低結(jié)構(gòu)的承載能力；保護(hù)層處混凝土受內(nèi)部鋼筋約束減
小，在受力或凍融時(shí)裂縫更易開展，有害離子、氣體易侵入，因而達(dá)不到
增厚保護(hù)層的預(yù)期作用［１１ ］。
３．３　混凝土表面涂層保護(hù)
表面涂層是指為了減少或阻斷海洋腐蝕離子向混凝土的滲透擴(kuò)
散，提高構(gòu)筑物的使用壽命，在混凝土表面涂上防腐涂料［１５］。世界各
國的防腐蝕實(shí)踐證明：表面涂層防腐蝕是最有效、最經(jīng)濟(jì)、應(yīng)用最普遍
的方法［１６］。混凝土防腐涂料種類繁多，廣泛應(yīng)用的主要有聚氨酯、環(huán)
氧樹脂、氯化橡膠和丙烯酸樹脂等，它們都有優(yōu)良的防腐性能。但其缺
點(diǎn)是適應(yīng)性不強(qiáng)，沒有滿足高性能要求，且揮發(fā)性有機(jī)物較多，對生態(tài)
環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅，今后環(huán)保，高性能，功能化是混凝土防腐涂層發(fā)展
的重點(diǎn)方向。
４　結(jié)語
海洋大氣環(huán)境中，空氣中相對濕度較大，且海水、鹽霧對鋼鐵具有
很強(qiáng)的腐蝕性，因此如何減輕腐蝕的影響和減低維護(hù)費(fèi)用，成為設(shè)計(jì)和
施工中必須考慮的重要問題。且隨著陸地資源的日漸枯竭，開發(fā)海洋
資源引起世界各國的普遍重視。因此對其相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的研究刻不容
緩，尤其是海洋混凝土耐久性、耐腐蝕性、防腐的防治與控制，都是亟需
解決的問題。大量試驗(yàn)研究表明，改變水膠比，摻加礦物摻合料等措施
對提高海洋混凝土護(hù)筋性能效果顯著；對于鋼筋防腐蝕，采用防腐涂
層，耐腐蝕鋼筋，電化學(xué)保護(hù)等措施效果顯著。
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作者簡介：徐國強(qiáng)，男，華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，工學(xué)博士，副
教授。
于慶坤，男，華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，建筑與土木工程專業(yè)，在
讀碩士。
楊小杰，女，華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，土木工程專業(yè)，在讀碩
士。
劉曉偉，男，華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，土木工程專業(yè)，在讀本
科。
基金項(xiàng)目：河北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（１３２７３８０９）；河北省高等學(xué)校
科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（ＺＤ２０１４０２１ ）；唐山市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)
目（１４１３０２２９Ｂ ）；國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目
（２０１４１００８１００８）。
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