海工钢筋混凝土腐蚀机理及防护措施孙瑞华（青岛理工大学土木工程学院2001级 1 班）【摘要】本文分析了海水对钢筋混凝土的腐蚀机理，并针对钢筋混凝土构筑物各部位所受到海水不同腐蚀情况，提出了保护措施及表面涂层防腐技术在海洋混凝土工程结构中的应用。

【关键词】海工混凝土, 腐蚀机理, 防护措施The Corrosion Mechanism of Marine Concrete and Protection MeasuresSun Ruihua(Qingdao Technological University School of Civil Engineering 266033)Abstract: This paper analyzes the corrosion mechanism of sea water to reinforced concrete structures and aims at investigating the different corrosion circumstance of sea water which is in the each part of reinforced concrete structures, putting forward to the protection measure and surface coating antiseptic technique which is applied in the marine concrete structures.Key words: marine concrete, corrosion mechanism, protection measures1 前言沿海地区由于长期处于海水、海风等自然环境中，混凝土遭受破坏的程度特别严重，有其特殊性，因此其耐久性问题更引人关注,已越来越得到工程界的重视。

以往，人们只重视到钢结构的腐蚀，事实上，混凝土及钢筋混凝土在海洋环境中的浪溅区及海洋大气区，其腐蚀亦是相当严重的，由此引起混凝土使用寿命缩短，结构大量返修。

据工业发达国家报道，其损失往往达总投资的40％，可见其危害之大。

下面通过国内外一份海洋结构腐蚀调查实例[1]，说明海洋混凝土结构防腐的重要性：(1)美国标准局1975年的调查表明，美国全年各种腐蚀损失为700亿美元，其中混凝土中钢筋腐蚀损失占40％。

(2)据1984年报道，美国57.5万座钢筋混凝土桥梁，一半以上出现钢筋腐蚀病害。

(3)另据1986年报道，日本运输省检查103座混凝土海港码头发现，凡是有20年以上历史的，都有相当大的顺筋开裂，需要修补。

(4)1981年，对华南地区7个港口的18座桩基梁板码头的调查表明:由于混凝土钢筋锈蚀而导致码头严重损坏或较严重损坏的占77.8％。

(5)1956年建成的湛江港一区码头，由于混凝土水灰比较大，采用了海砂，以及其他施工质量问题等原因，起重机轨道使用了7年后，浪溅区钢筋腐蚀很快，达到0.24～0.42mm/年，不得不进行修补；使用32年后，浪溅区钢筋严重腐蚀，面板露筋，混凝土剥落率高达89％，横梁锈蚀达91％。

因此，如何采取有效的技术对策及技术标准，防止海工混凝土结构过早出现钢筋锈蚀破坏，确保建筑物达到预期的使用寿命是国内外学术界、工程界极为关切的热点。

2 海工混凝土结构的侵蚀破坏海工混凝土结构在海洋环境下，混凝土结构的破坏因素主要有[2]：冻融循环作用，钢筋锈蚀作用，碳化作用，溶蚀作用，盐类侵蚀作用，碱—骨科反应，酸碱腐蚀作用，冲击磨损的机械破坏作用等。

众多海洋工程的资料表明，引起钢筋锈蚀作用的离子中起主导作用的是氯离子。

2.1钢筋的腐蚀机理混凝土中钢筋腐蚀是一种电化学过程,与混凝土中液相介质的不均匀性和钢筋表面本身的不均匀性而引起的阴极区和阳极区有关，其电化学腐蚀过程的反应为:阳极区:2Fe→2Fe2++ 4e-阴极区:2H2O+ O2+ 4e-→ 40H-2Fe+ 2H2O+ O2→ 2Fe2++ 40H-→2 Fe(OH)2通常制备良好的混凝土由于具有高碱性(PH值为12.5～13)，钢筋处在这种高碱性条件下会发生碱腐蚀，在极短的时间内钢筋表面迅速形成一层厚约十至几十埃。

且十分致密的Fe304和Fe2O3膜，即钝化膜，将保护钢筋免遭进—步腐蚀。

只有钢筋表面的钝化膜遭到破坏，钢筋才可能进一步腐蚀。

其腐蚀速度与混凝土构件所处的部位有极大关系，根据腐蚀程度的不同又可分为4个区域：(1) 水下区；(2) 水位变动区；(3) 浪溅区；(4) 大气区[5]。

浪溅区是腐蚀最为严重的区域，这是因为结构物在高潮时被海浪溅湿，低潮时水分蒸发，混凝土表层孔隙液中的氯离子浓度增高，并不断向混凝土内扩散，使钢筋周围孔隙液的氯离子浓度较易增大到破坏钢筋钝化膜的临界浓度，同时又处于含盐雾潮湿大气中，混凝土具有足够湿度，但又不饱水，具备钢筋腐蚀所必需的条件。

水下区饱水混凝土由于缺氧阴极反应困难而腐蚀较轻。

处于间接暴露环境的钢筋混凝土结构遭受空气中的氯盐粒子和大气湿度的腐蚀，混凝土密实度和保护层厚度在阻止氯离子侵入和延迟腐蚀开始发生的时间上起着重要的作用。

2.2冻融循环作用在寒冷气候中，冰冻是末受保护的混凝土开裂和剥落最常见的一个原因。

在高纬度海域，气温常低于零度，而大洋暖流的存在使得海洋表层之下的海水不会结冰。

每日两次潮汐作用使得潮差区和浪溅区受到两次冻融循环。

这样，这些地区的混凝土构筑物的下部结构就会发生最严重的破坏。

冰冻是引起混凝土的劣化与膨胀主要原因，其膨胀机理如下：当混凝土毛细胞孔中的水开始结冰，其体积的增大引起毛细孔的体积也有9％的增大，或能将多余的水通过边界挤压出去，或两者兼之。

资料表明，只有当饱和水泥浆中每一个毛细孔与“逸出边界”的距离均小于6×10-3～8×l0-3mm时，才不会产生具破坏力的水压。

正确使用加气剂是形成如此紧密间距的“逸出边界”条件[6]。

另一个对混凝土抗冻性有很大影响的控制因素是混凝土的抗渗性。

养护良好，低水灰比及高水泥用量的混凝土可被看作不易被水饱和及难以渗透的。

然而混凝土构筑物在使用中所遇到的冷热循环、干湿循环都会增大败的渗透性，随之也就增大了混凝土被水饱和的程度。

若无恰当的含气量，就无法缓解冰冻所引起的进一步开裂。

抗渗性差，强度低的混凝土极易遭到物理、化学等因素的破坏，如硫酸盐腐蚀、碱-骨料反应、钢的腐蚀等。

在寒冷海域中进行的暴露实验表明:干湿循环和冻融循环所产生的热冲击引起了混凝土的微细开裂，并增大了水的饱和程度，混凝土的表面层被破坏，因而更易遭受各类物理、化学因素的侵蚀。

图1是冻融作用对混凝土破坏机理的示意图[7]。

图1 暴露于冻融循环热冲击中的混凝土的破坏机理示意图2.3化学腐蚀作用2.3.1碳化作用空气中所含CO2的平均值约为0.03％，但越接近海区C02含量越高。

由于空气中水的存在，二氧化碳渗入与氢氧化钙反应，产生碳酸盐和水，使混凝土碱度降低到PH值8.5～9，低于了保持钝化膜所需要的碱度环境，通常称之为“碳化”[8]。

当沿海地区潮湿环境中CO2浓度高且持久作用时，碳化会继续进行而直到钢筋的表面，使钢筋附近的混凝土的碱度大幅度下降，从而加速了钢筋的腐蚀速度。

混凝土表面被腐蚀的现象，也是由于已碳化的混凝土表面受海水中二氧化碳的作用变成可溶性的碳酸氢钙，经海浪冲击而随水冲定，造成表面被腐蚀而形成麻面或蜂窝状，这些情况往往多发生在潮汐涨落区。

2.3.2氯离子的腐蚀作用水泥水化时有大量的氢氧化钙生成，使混凝土呈碱性，PH=12～14，在这样高碱性环境中，钢筋表面能形成钝化膜(氧化膜)保护钢铁免受锈蚀，但由于海水中氯离子能穿透钢筋表面的钝化膜，再加上前面所述原因，致使混凝土中碱度降低，PH值减小，钢筋钝化膜遭到破坏。

而钢筋本身除含碳外还含其它杂质，它们的电极电位都比快高，—但钢筋与电质海水接触，在Cl－的存在下，钢筋表面便会形成无数微电池，铁为负极，杂质为正极，使钢筋发生电化学府蚀。

氯离子不但能穿破钝化膜，使钢筋遭到腐蚀，且能提高介质的导电率，加强腐蚀电流而加速了钢筋的锈蚀。

锈蚀后的钢筋体积膨胀产生很大的张应力，造成混凝土保护层剥落或顺筋开裂。

3 防护机理及防护措施3.1防护机理由上述腐蚀机理可知，处于海水环境中的混凝土结构发生钢筋腐蚀是由于海水中的氯离子渗入到钢筋周围，当其浓度达到临界值时就会破坏钢筋表面的钝化膜从而发生电化学反应，导致钢筋腐蚀。

因此，从防护机理来说就是采取有效措施阻止或延缓钢筋周围发生阴极或阳极反应，这样就能有效地阻止或延缓混凝土结构出现钢筋腐蚀破坏[7]。

3.2防护措施目前国内外常用的措施有基本措施和补充措施(特殊防腐蚀措施)两类。

3.2.1基本措施又称为第一类措施它的基本内容是通过设计、施工，最大限度的提高混凝土本身的抗氯离子渗透性以限制环境侵蚀介质(氯化物、氧和水等)渗透混凝土，从而预防钢筋腐蚀。

3.2.1.1选用抗海水侵蚀性能好的水泥品种(1) 抗硫酸盐水泥:它的熟料成份主要限制铝酸三钙的含量不大于5％、硅酸三钙的含量不大于50％，铝酸三钙与铁铝酸四钙含量之和不大于22％。

这种水泥抗硫酸盐侵蚀的能力很强，且水化热低，由于不掺混合材料，所以抗冻性也较强。

(2) 普通硅酸盐水泥:掺有活性混合材料，所以氢氧化钙的含量比较少，对抗溶出性和抗硫酸盐侵蚀能力比硅酸盐水泥要强，其它与硅酸盐水泥相同。

3.2.1.2提高混凝土的密实度密实度高的混凝土孔隙率低，抗海水渗入的能力强，使用寿命也就长。

当混凝土材料的配比确定后，水灰比小和施工质量好的混凝土密实度就高，因此，泥凝土浇筑时要严格控制水灰比并认真施工。

3.2.1.3适当提高混凝土强度和水泥用量混凝土抗压强度越高，混凝土的抗渗性能就越好，耐腐蚀性也越好。

另外，适当提高混凝土强度和水泥用量也能提高混凝土的抗碳化性能，混凝土强度高，密实性好，水泥用量多，则碱度高，碳化速度就慢，可以长期保证钢筋表面的碱度，对防止钢筋过早的电化学腐蚀十分有利。

笔者曾对同龄期的混凝土进行碳化检测，发现水泥用量439kg/m3的C30混凝土，其碳化深度只有0～0.5mm，而水泥用量297kg/m3的C20，碳化深度就有2.0～3.0mm[8]。

3.2.1.4 增加钢筋保护层厚度根据结构情况，适当增加钢筋保护层厚度，以延缓氯化物到达钢筋表面的时间[9]。

3.2.1.5防止混凝土开裂或严格控制裂缝的宽度钢筋腐蚀产物—铁锈的体积约为原先铁体积的2.5倍，所产生的膨胀压力会造成混凝上的开裂、剥落，裂缝的产生又会招致更严重的腐蚀实验表明:许多情况下先是由于结构各种裂缝引起钢筋腐蚀，腐蚀的结果使得裂缝扩大、混凝土剥落。