桥梁结构腐蚀机理及防护发展趋势

桥梁结构腐蚀机理及防护发展趋势
摘要：目前国内外桥梁腐蚀问题严重。

本文对我国桥梁在不同环境下的病害成因、机理、病害类别等进行了系统的分析研究，并对目前的防护方法进行了归纳总结，提出了桥梁防护发展趋势。

关键词：桥梁、腐蚀机理、防护、趋势
Abstract: at present, the domestic and foreign bridge corrosion problems serious. This paper discusses the bridge in different environment of the disease causes, mechanism, and the disease in system category analysis and research on the current methods of protection has summarized, and puts forward the development trend of bridge protection.
Keywords: Bridges, corrosion mechanism, protection and trends
桥梁作为现代交通的重要组成部分，在推进经济建设、促进社会发展过程中起着重要作用。

然而一向被认为耐久性较好的钢筋混凝土桥梁结构，由于设计、施工、管理方面的原因，使得桥梁在使用若干年后，受环境作用，各种耐久性病害逐步显现出来，影响结构的安全和使用，亡羊补牢而付出的维修、加固费用极为高昂。

这在工业发达、大量基础设施修建已基本完成的西方国家尤为明显。

据统计，在西方发达国家，占建筑工业投资40%以上的份额被用于已有结构的维护与加固，而将不足60%的份额用于新结构的建设，这一现象已引起世界各国科技工作者和政府部门的高度重视。

在我国，服役桥梁大部分是建国以后兴建的，桥龄多在40年以内，但病害问题却日益严重，特别是50年代后期和60年代建造的桥梁，绝大多数由于环境的影响和长期超负荷的使用，出现了材料老化、破损、裂缝等现象，从而导致耐久性和承载能力降低，造成危、旧桥逐年增加，对行车安全的影响越来越大，使桥梁成为公路交通运输的“瓶颈”，严重影响了线路的畅通，并成为交通事故多发地点。

截至2000年底，我国通车的公路总里程为140.3万公里，其中各种各样桥梁共约240630座，累计近9655112延米，其中中、小跨径桥梁约占现有桥梁总数的94.2%（座数百分比）或56.3%（延米数），它们中的61.6%主要分布在技术标准低、通行能力差的公路上。

据不完全统计，截至2000年底，我国公路桥梁共查出危桥5176座，达186632延米。

我国铁路自1985～1994年用于整治桥梁病害的费用已达15亿元人民币。

由此可见，对目前国内外桥梁的腐蚀环境、病害成因、病害机理进行深入分析与研究，并预防病害、提出防护措施将具有重要意义。

本文对我国桥梁在不同环境下的病害成因、机理、病害类别等进行了系统的分析研究，并对目前的防护
方法进行了归纳总结，提出了桥梁防护发展趋势。

一、不同使用环境下的桥梁的病害成因、腐蚀机理
我国地域辽阔，从面到北跨越亚热带到寒带区段，具有海洋性气候、大陆性气候，本文根据不同的气候条件对桥梁腐蚀进行分类。

1海洋气候条件和大气腐蚀环境
中国有超过1万km的海岸线，在这些地区建造有大量的钢结构、钢筋混凝土结构桥梁。

因此研究海洋性气候条件下的桥梁病害及其防护具有重要意义。

钢筋混凝土桥梁病害是一个复杂的问题，与混凝土原来的质量和工作环境有很大关系。

水泥胶浆的多孔性，它的化学与物理特性，低张力强度和脆性等是混凝土病害的关键因素。

混凝土原料的质量、设计的不完善和浇筑及养护过程中出现的问题也是病害产生的重要原因。

对于海洋环境条件下的大气腐蚀，桥梁的破坏最主要的是氯离子引起的钢筋锈蚀破坏。

除了氯离子引起钢筋锈蚀外，还要考虑冻融破坏、碳化等因素引起的桥梁病害。

正常情况下，钢筋周围的混凝土为高碱性，会在钢筋表面形成一层致密的钝化膜，它对钢筋具有很强的保护能力，使得钢筋不遭受腐蚀。

而当钢筋混凝土处于海洋气候环境时，来自于海雾中的具有极强穿透能力的氯离子会透过混凝土毛细孔到达钢筋表面。

当钢筋周围的混凝土液相中的氯离子含量达到临界值时，同时氧气和水通过混凝土结构中的毛细孔进入桥梁中的钢筋位置附近，钢筋钝化膜就会局部破坏，从而引起钢筋锈蚀。

钢筋腐蚀后，其腐蚀产物体积膨胀（约为钢筋体积的2-6倍）会导致混凝土结构性能的劣化，如混凝土顺钢筋开裂、“握裹力”下降与丧失、钢筋断面损失以及钢筋应力腐蚀断裂等，最终导致混凝土桥梁的破坏。

这种由于氯离子的侵入导致的钢筋锈蚀，从而引起混凝土桥梁的破坏，称为“盐害”。

当混凝土结构内部的相对湿度达到40%时，锈蚀开始。

相对湿度达到70%～80%时，锈蚀速度达到最大。

当相对湿度超过70%～80%或整个混凝土结构完全浸没在水里时，由于氧的供应量不足，因此锈蚀速度反而下降。

氯离子造成的钢筋混凝土结构的破坏是从内部钢筋锈蚀开始的，比较隐蔽，不易发现，初期在混凝土表面形成点状或块状锈斑，而后产生顺筋裂缝，混凝土涨裂脱落，发生严重的破坏。

根据以上机理，要从根本上防止钢筋锈蚀，必须破坏氯离子引起钢筋锈蚀发生的条件：阻止氯离子、氧气、水分任何一种成分的进入混凝土内部钢筋表面附近。

而对于氯离子已经引起腐蚀的混凝土桥梁，则必须先去除桥梁内部的氯离子，再破坏氯离子引起钢筋锈蚀发生的条件。

海洋环境下，在氯离子引起钢筋锈蚀的同时，通常伴随有碳化引起的钢筋腐蚀。

碳化反应主要是二氧化碳气体在混凝土孔隙和毛细管内扩散并溶解在液相中，生成碳酸，再与水泥中的石灰发生的中和反应。

由于混凝土中和后其PH≤9，当中和层抵达钢筋时，使存在于PH≥11.5环境中的钢筋钝化保护膜受到破坏，钢筋失去保护，以至发生锈蚀。

同时碳化反应也会加剧由于氯离子渗入而导致的锈蚀。

研究表明，海洋环境下，在“盐害”发生的同时，碳化对钢筋锈蚀的影响也是非常严重的。

由以上机理可知，阻止碳化的关键也是阻止CO2进入混凝土桥梁
内部。

海洋环境下大气腐蚀时，桥梁的另外一种病害是冻融破坏。

海洋环境下空气中的湿度相对于一般环境下要高的多，因此这些水汽渗透进入桥梁混凝土的速度就大的多。

当混凝土内部孔隙处于饱水状态并遇到负温时，水分冻结，体积膨胀，导致孔隙的周壁上产生相当大的内部压力，产生难于恢复的塑性变形。

反复的冻融，使得孔隙逐次加大，冻结逐次加深，当作用在孔隙的拉应力超过混凝土强度时就开始出现微细裂缝。

随着冻融循环次数增多，裂缝逐渐扩展并连接起来，致使表面混凝土破坏，剥落，并逐渐发展到混凝土内部，混凝土内含水形式及含水程度对混凝土冻害的影响很大。

综上所述，虽然混凝土的腐蚀病害的产生有各种不同的腐蚀机理，但是混凝土的密实度，即腐蚀介质（或腐蚀产生的必要条件）的可渗入性，是决定是否产生腐蚀、腐蚀程度的关键因素。

2一般气候条件
一般气候环境下，钢筋混凝土桥梁病害与海洋气候产生的病害的类型和机理相似。

混凝土的病害主要包括以下几类：钢筋锈蚀；碱骨料反应；冻融循环。

该环境下，钢筋的锈蚀仍然是主要的病害形式，撒除冰盐和碳化是引起桥梁钢筋锈蚀的主要原因。

但是由于氯离子浓度和空气中水的浓度相对于其它两种环境要小的多，钢筋的锈蚀速度要低于其它环境。

因此桥梁的使用寿命要远远长于其它两种环境，桥梁中碱骨料反应和冻融破坏引起桥梁破坏的可能性要比其它两种环境大的多。

各种因素导致桥梁的破坏机理和海洋环境下的破坏机理相同。

修补防护措施也基本相似。

3浪溅区和潮差区（直接暴露环境）
该环境下，海水直接与桥梁接触。

浪溅区和潮差区处于干湿交替的环境中，供氧充分，相对于其它环境，桥梁受腐蚀的程度最大，速度最快，因此是海洋气候环境下桥梁病害最为严重的环境。

影响该环境下的桥梁病害的因素主要有以下五个：钢筋锈蚀、冻害、化学腐蚀、盐类结晶压力、海洋微生物作用。

另外，流水、波浪侵袭力的磨损与冲刷，加强了腐蚀介质的渗透力量；荷载作用下结构的应力状态给腐蚀破坏创造了方便的条件。

二、对桥梁腐蚀病害进行处理的表面防护材料与施工技术
国内外的研究人员根据以上机理，对桥梁的病害（腐蚀）防护进行了大量的研究。

事实上目前对桥梁的防护主要包括两个部分：（1）对钢筋的防护；（2）对混凝土的防护。

对钢筋的防护方法主要有电化学除氯法、阴极保护法、电化学重碱法、使用阻锈剂等。

对混凝土的防护主要包括使用高性能混凝土或砂浆修补材料、在旧混凝土表面涂覆盖层。

1对钢筋的防护
70年代美国将电化学除氯法应用于桥梁的病害的防治。

其处理原理主要是负离子（如氯离子）向阳极的移动，因此能在较短的时间内除掉混凝土内部的大部分氯离子。

由于该方法的原理和阴极保护法基本相似，因此国内外对该方法的研究逐渐转向阴极保护法。

目前国内外关于桥梁中钢筋的防护研究比较多的是阴极保护法。

阴极保护是向被保护金属表面通入足够的阴极电流使其阴极极化以减小或防止金属腐蚀的一种电化学防腐蚀保护技术。

2对混凝土的防护
各种病害机理（氯离子渗透、碳化、冻融破坏、碱骨料反应、硫酸盐侵蚀）导致的混凝土病害表现在桥梁上时，是混凝土产生的裂缝。

因此对混凝土的防护主要是对混凝土桥梁中混凝土的裂缝进行修补防护。

传统的钢筋混凝土修补方法是采用局部打补丁修补，即在混凝土破坏部位凿除胀裂、剥落的混凝土，露出其中的钢筋并进行清理，再用新的优质混凝土或聚合物改性水泥砂浆修补恢复其原貌。

对钢筋混凝土结构采用局部打补丁修补往往效果很差或是无效的。

因为，即使修补材料的防腐蚀性能高，渗透性和导电率较低，修补混凝土与老混凝土之间的粘结良好，但是由于没有消除海洋环境中钢筋混凝土产生腐蚀的根本原因——混凝土中存在的氯离子、氧和湿气，因此这些有害物质仍有可能通过修补混凝土或原有混凝土的其它部位进入桥梁内部。

同时在未凿除的混凝土中仍然存在高浓度的氯离子，在这些区域腐蚀仍然进行。

最为主要的是采用局部修补后，形成了新的腐蚀电池，老混凝土中的钢筋成为腐蚀电池的阳极，修补混凝土中的钢筋成为腐蚀电池的阴极，加速了老混凝土中钢筋的腐蚀，结果造成修补混凝土周围的老混凝土很快破坏。

因此单一地采用打补丁修补法对海洋环境下的桥梁进行防护效果是不理想的。

目前在国内只是在桥梁局部病害（病害不严重区域且病害部位少、较小时）采用此方法对混凝土桥梁进行修补。

三、现有技术分析及发展趋势
1钢筋混凝土桥梁病害的有效修复需要建立科学的整体设计和多种材料与技术优化
钢筋混凝土桥梁的修复，通常并不是采用某一种材料进行修复就可以解决问题。

例如，如果不消除海洋环境中钢筋混凝土产生腐蚀的根本原因——混凝土中存在的氯离子、氧和湿气，这些有害物质仍有可能通过修补混凝土或原有混凝土的其它部位进入桥梁内部。

同时在未凿除的混凝土中仍然存在高浓度的氯离子，在这些区域腐蚀仍然进行。

尤其是是采用局部修补后，在新落混凝土中的钢筋间形成了新的腐蚀电池，加速了老混凝土中钢筋的腐蚀，结果造成修补混凝土周围的老混凝土很快破坏。

因此，有效的修复需要同时采取除氯、增碱和阴极保护等电化学措施等其它技术手段的配合。

2高致密混凝土研制是混凝土修复材料的一个重要方向
从上述各种病害的腐蚀作用机理可以知道，密实的混凝土是防治腐蚀的最关键的手段之一。

桥梁发生病害的最主要内在原因是由于混凝土本身不密实，导致环境中的有害物质（氯离子、水分、氧气、二氧化碳等等）通过毛细孔隙进入混凝土内部，从而引起混凝土桥梁的各种病害，足够密实的混凝土可以阻止各种腐蚀介质和水、氧气等物质的进入，从而消除了腐蚀产生的必要条件。

因此钢筋混凝土修复材料的重要的发展方向之一是制备高密实性的修复材料。

高密实、高强、高韧、高耐久性的RPC材料的经济化和实用化将是可行的技术途径。

3解决新老混凝土收缩变形协调是充分利用现有高性能混凝土技术的前提
虽然对于混凝土耐久性的研究相当充分，提出了应对不同腐蚀机理的高耐久性的各种高性能混凝土。

但是针对耐久性修复材料的研究并不多。

而现有的一般高性能混凝土并不能直接有效的用于病害混凝土的修复。

因为，原有混凝土已经完成了各种收缩变形，而新加的修复混凝土一般都会产生相当的收缩变形，这种新旧混凝土变形的不协调，影响新旧混凝土间的结合，并会产生裂隙，为腐蚀介质提供通道。

因此，研究开发无收缩变形的高性能混凝土修复材料也具有重要的价值。

4高效耐久的次阳极材料是提高阴极保护效率和耐久性的技术关键
钢筋锈蚀是钢筋混凝土桥梁的主要病害形式，采用电化学方法是治理钢筋锈蚀的重要方法。

电化学方法治理的效率很大程度上取决于次阳极的质量。

现有的次阳极技术，如导电漆、导电沥青等技术，存在耐久性不良、抗冲刷磨损能力差或施工困难等缺点。

因此有必要研究开发性能优异的次阳极材料。

5对桥梁病害科学有效的治理需要有防护材料的性能指针体系与施工方法、质量控制与检测方法
在对钢筋混凝土桥梁病害进行防护前，必须要清楚其现在的结构技术状况，有无病害，或者病害的程度及其原因，清楚结构当前的耐久性状态。

这能为桥梁结构的病害防护提供依据，并在其基础上选用合适的材料和工艺，最大限度的保护结构，延长其使用寿命。

因此在对桥梁进行防护前对其耐久性进行检测具有重要意义。

同时对表面防护材料而言，必须注意其性能指针、施工方法、质量控制及防护效果的检测等。

而目前国内关于此方面的没有统一的标准。

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