混凝土耐久性

提高混凝土耐久性的措施——以迁移型阻锈剂为例

陈小健

(江苏科技大学土木工程与建筑学院，江苏镇江 212003)

摘要：钢筋锈蚀是影响混凝土耐久性的首要因素。简答介绍了钢筋的锈蚀机理、阻锈剂的分类，并以迁移型阻锈剂为例，就其阻锈机理、阻锈效果、对混凝土性能的影响以及应用前景做了详细地说明。事实证明，迁移型阻锈剂作为一种新型阻锈剂能有效提高混凝土的抗冻、抗渗、抗碳化性能。

关键词：混凝土耐久性；钢筋锈蚀；迁移型阻锈剂；阻锈性能

Improvement measures of durability of concrete with migrating corrosion inhibitor for example

CHEN Xiaojian

(School of Architecture and Civil Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

Abstract: The corrosion of steel bars has become the major cause that influences the durability of concrete. The mechanism of corrosion to reinforcing steel bar and the classify of corrosion inhibitor were briefly introduced. Set migrating corrosion inhibitor as an example, protection mechanism, protection effectiveness, the influence of migrating corrosion inhibitor on concrete properties and its application prospect were specified.It has been proved that as a new corrosion inhibitor MCI can improve the frost resistance, impermeability and carbonization of concrete.

Key words: durability of concrete; the corrosion of steel bars; migrating corrosion inhibitor; rust resistance

0 引言

混凝土作为目前土木工程中最重要的建筑材料，广泛应用于桥梁、建筑物、堤坝、隧道以及海洋平台等重要结构中。近年来，由于混凝土耐久性不良而产生的工程事故频发，给人们的生命财产安全造成了巨大的损失，其耐久性也越来越受到人们的关注。在1991年召开的第二届混凝土耐久性国际学术会议上，Mehta 教授曾指出：“当今世界混凝土破坏原因按重要性递减排序是：钢筋锈蚀、寒冷气候下的冻害、侵蚀环境下的物理化学作用。”他明确把钢筋锈蚀作为是影响混凝土耐久性的首要因素[1]。

控制混凝土中钢筋锈蚀的方法有很多，常用的有环氧涂层钢筋、阴极保护、钢筋阻锈剂、碱化和去氯离子等。经过长时间的实验研究和工程应用，美国混凝土协会（ACI）肯定了钢筋阻锈剂的实用效果，确认钢筋阻锈剂、环氧涂层钢筋和阴极保护是三种长期有效的防钢筋锈蚀的措施。

传统的阻锈剂，要求在新拌混凝土时掺入到拌合料中，并随同混凝土一起浇筑。但是对于在役混凝土结构，使用迁移型阻锈剂进行结构修复，可以直接施用

在混凝土表面，不影响原有结构的使用，而且施工周期短，对周围环境的影响小，且具有明显的竞争优势。

1 钢筋的锈蚀机理

通常情况下，混凝土孔隙中充满着Ca(OH)2溶液，因此混凝土具有很高的碱性，其pH值一般大于12.5，在这样高的碱性环境中埋置的钢筋会发生钝化作用，使得钢筋表面产生一层致密的钝化膜，钝化膜能够阻止钢筋的锈蚀[2]。但在外界环境中的CO2、Cl-、硫酸盐等物质的作用下，混凝土会由于中性化或离子直接作用而使钢筋表面钝化膜破坏。一旦钢筋表面的钝化膜破坏，在有水和氧气的条件下，钢筋就会由于电位差的存在而发生电化学反应，并逐渐开始锈蚀。

混凝土中钢筋锈蚀是一个电化学反应过程。当钢筋失去电子生成Fe2+，反应式为2Fe-4e→2Fe2+（阳极反应）。钢筋通过氧的还原反应生成OH-，反应式为2H2O+O2+4e→4OH-（阴极反应）。钢筋生成的Fe2+和阴极生成的OH-结合成为Fe(OH)2，并进一步被氧化成Fe(OH)3（铁锈）。钢筋锈蚀反应机理如图1所示。

图1 钢筋锈蚀反应机理

由于生成的锈蚀产物而造成体积膨胀，对混凝土保护层产生巨大的压力，其数值可达30Mpa（大于混凝土的极限抗拉强度），从而产生顺筋裂缝。这些裂缝进一步成为腐蚀介质渗入钢筋的通道，加速了钢筋的锈蚀。钢筋在顺缝中的锈蚀速度往往要比裸露情况快，等到混凝土表面的裂缝开裂到一定程度，混凝土保护层开始脱落，最终导致结构丧失承载力。

2 阻锈剂的分类

美国曾按照使用方法，将钢筋阻锈剂分为“掺入型”和“迁移型”；按其形态，还可分为“液体型”和“粉剂型”。在技术、学术方面，通常是按照其作用原理划分类型的，一般分为以下三种类型：

（1）阳极型阻锈剂

混凝土中钢筋腐蚀是一个电化学过程，腐蚀电池分作“阳极区”和“阴极区”。这类阳极型化学物质，是作用于阳极区，促使其生成保护膜，通过阻止或减缓阳

极过程达到钢筋阻锈的目的。典型的物质有亚硝酸盐、铬酸盐、硼酸盐等，一般大都有氧化作用。早期曾使用亚硝酸钠，现在大都用亚硝酸钙作为阳极型阻锈成分。阳极型又称作“危险性”阻锈剂，单纯使用亚硝酸盐容易引发问题，于是要与能减少这种副作用的其他化学物质合并使用。目前，美国、日本均发展了一批以亚硝酸钙为主体的钢筋阻锈剂品种。

（2）阴极型阻锈剂

该类钢筋阻锈剂是在“阴极区”起作用，作用原理有“成膜说”、“吸附说”等，这类化学物质能在“阴极区”形成膜或吸附于阴极表面，从而阻止或减缓电化学反应的阴极过程（如氧的去极化过程）。这类化学物质大都为表面活性剂，如高级脂肪酸的胺盐、磷酸酯类等。

（3）复合型阻锈剂

有些化学物质，对于阴极、阳极反应都有抑制作用，甚至还能提高阴、阳极之间的电阻。但实际中的综合型钢筋阻锈剂，多半是各种功能的化学物质的合理搭配。更确切的应该称作“复合型钢筋阻锈剂”。复合型钢筋阻锈剂兼有单一型的优点，克服其不足，是目前国内外发展的方向。国外不少新品种的钢筋阻锈剂均为“复合型”（“单一型”是早年的产品，现在已很少单独使用）。国内，冶金部建筑研究总院研制的RI系列产品，就是属于复合型钢筋阻锈剂。

3 迁移型阻锈剂（MCI）

迁移型阻锈剂（MCI：migrating corrosion inhibitor）即表面适用型的混凝土阻锈剂，可施于混凝土表面，以气相和液相向混凝土的孔隙内扩散，并达到钢筋周围，在钢筋表面形成单分子层，同时保护钢筋阳极区和阴极区。一般提到的迁移型阻锈剂是指表面应用的链烷醇胺(AMA：alkanolamine)基的有机阻锈剂。目前的产品主要有美国Cortec公司开发的MCI系列、瑞士西卡公司开发的Sika FerroGard系列等。

基于多年的研究工作和在美国、欧洲等地的工程应用实践，迁移型阻锈剂已经被欧洲标准化委员会确认为一种有效的腐蚀控制方法。此外，MCI在美国公路发展战略研究项目中的阻锈剂对比研究中表现出色，并且在美国、日本、意大利和中东等地区进行的实验室和工程应用研究中也通过了测试。

3.1 阻锈机理

迁移型阻锈剂的主要部分是挥发性的，由氨基乙醇等成分构成，能够利用压力差通过混凝土毛细孔向内扩散，并起到搬运作用；另一部分是渗透能力较弱的酸性物质，能够和氨基乙醇生成盐。两种组分共同作用于钢筋时，才能起到较明显的阻锈效果。

MCI通过扩散达到钢筋表面后，含氮的极性基团通过物理或化学吸附排除