李宏祥 黄思勇
0 引言
2006年，天津滨海新区的开发开放被正式纳入国家总体发展战略。随着滨海新区作为我国北方经济发展引擎地位的确立和经济的快速发展，新区范围内工程建设规模也持续扩大。在这些建设投资中，基础的市政交通工程是初期建设的重点，而这些工程的结构直接接触沿海水土，造成了结构的过早劣化，特别是桥梁，处于最为恶劣的环境，因为，研究本区域的桥梁劣化模式、有针对性地进行应对，是保障桥梁耐久性的关键。
1 侵蚀性地下水对钢筋混凝土的腐蚀
滨海地区侵蚀性地下水对钢筋混凝土结构的腐蚀主要体现在以下几方面。
1.1 地下水对混凝土的腐蚀
地下水对混凝土的侵蚀作用主要可归纳为三种:溶出性侵蚀、结晶性侵蚀和化学侵蚀。
在地下水环境下，使混凝土材料侵蚀或造成损伤的环境作用主要有冻融循环、干湿交替以及水、土中的硫酸盐、镁盐、酸等化学介质的作用。
1)溶出性侵蚀。当混凝土长期与一些暂时硬度较小的水接触时，水泥石中的Ca(OH)2溶解析出，当为静水和无压水时，溶出反应仅限于混凝土表面，影响不大，但在流水及压力水作用下(如结构发生渗漏)，会不断流失，随着浓度不断降低，碱度降低，水泥石中的C-S-H凝胶等随着碱度的降低而不断分解，使得混凝土内的孔隙增加、强度降低直至瓦解，进而造成混凝土中钢筋的腐蚀加剧。
2)结晶性侵蚀。在污水处理池外壁地表附近，由于毛细作用，混凝土孔隙中充满了液体，当地下水位及环境温度变化时，液相中的盐分析出，在一定温度和湿度下转化为体积膨胀的结晶水化物，体积膨胀，从而破坏混凝土结构[1］。
3)化学侵蚀。地下水中的硫酸盐、镁盐还会和混凝土中的CaO·Al2O3和Ca(OH)2反应。
Ca(OH)2+MgSO4+2H2O→CaSO4·2H2O+Mg(OH)2
4CaO·Al2O3·12H2O·2H2O+3CaSO4+20H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O+Ca(OH)2
MgSO4起镁盐和硫酸盐的双重腐蚀作用，Mg(OH)2疏松无胶凝性，同时高硫型水化硫铝酸钙含有大量结晶水，且难溶于水，比原体积膨胀1.5倍以上，在混凝土内产生很大的膨胀应力，从而导致混凝土的开裂。
生成的CaCl2易溶于水，Mg(OH)2疏松无胶凝性。
在温度低于15℃条件下，在硫酸盐、碳酸盐共同作用下，还可能形成碳硫硅钙石(Ca3(SO4)(CO3)[Si(OH)6］×12H2O)，其结果是生成的碳硫硅钙石毫无胶结能力，致使结构破坏。
在京津地区还可能发生的一种反应是碱骨料反应，是指混凝土中的碱或来自地下水中的碱与某些活性骨料发生化学反应，引起混凝土膨胀开裂，甚至破坏。包括碱、硅酸反应和碱、碳酸反应，不同类型碱、骨料反应的共同特征是:骨料发生膨胀和开裂。
1.2 侵蚀性地下水对钢筋的腐蚀
钢筋腐蚀破坏被确认为是导致钢筋混凝土结构过早破坏的一个最主要的原因。
混凝土中钢筋的锈蚀过程是电化学过程，在金属表面进行任何一种化学腐蚀过程都必须具备四个条件:1)金属表面各处之间有电位差;2)组成原电池的电解质溶液的电阻较小;3)阳极区的金属表面处于活性状态，能发生电离阳极反应;4)阳极区金属表面上的电解质具有足够数量的氧化剂(通常是水和氧)，能够进行还原阴极反应。
研究结果表明，氯离子的侵蚀则是引起钢筋腐蚀的首要因素。虽然对氯离子的腐蚀机理还存在许多不同观点，但普遍认为，氯离子半径小，活性大，进入混凝土到达钢筋表面后，对钢筋表面的钝化膜具有破坏作用，促使钢筋表面电化学反应的进行，而氯离子本身在钢筋腐蚀过程中并不参加反应，只是不停地强化离子通道，降低阴极和阳极之间的电阻，加快电化学反应的过程。
滨海环境的地下水，由于受海水的影响，大多富含氯离子、硫酸根离子、镁离子等对钢筋混凝土有害的物质。随着地下水水位的频繁变化，特别是在近海处地下水水位受潮涨潮落变化影响的区域，钢筋混凝土结构受到的腐蚀将最为严重，是结构耐久性设计应该重点考虑和解决的问题。
1.3 冻融和盐冻作用破坏模式
冻融破坏形式是受潮混凝土在负温条件下，由于水分结冰—融化反复作用造成的混凝土的破坏形式。混凝土受冻破坏的原理是水分结冰膨胀和相伴的由于水分迁移形成的渗透压作用。当水分中含有盐分时，这种破坏作用会显著加剧。
盐冻作用是指在负温条件下盐水对混凝土的冻融破坏作用。通常情况下，氯盐对混凝土结构的腐蚀主要是通过腐蚀混凝土中的钢筋形成的，但盐冻作用是氯盐对混凝土本体形成的腐蚀作用。
对于桥梁工程而言，盐冻作用通常是由于冬季雨雪天喷洒化冰盐水造成的，当地下水中氯离子含量较高时，也可能造成盐冻破坏。盐冻破坏和普通的混凝土冻融破坏在原理上并没有本质的区别，破坏的形态也相同，但盐冻作用更为严酷，因为氯离子的存在加速了冻融破坏的进程。可以认为盐冻破坏是混凝土冻融破坏的一种特殊形式。
在天津的大量调查结果表明，如果桥面防水功能不良，由于桥面水下渗，泄水孔外壁缝隙下沿、梁的翼板下沿、腹板水流经处，以及盖梁顶部等处经常处于潮湿状态，为冻融破坏提供了条件。在和天津地区具有基本相同桥梁形式、气候和使用条件的北京地区有关技术人员曾对北京市政桥梁因化冰盐引起的腐蚀情况进行过比较系统的调查，其结果对研究天津地区桥梁受除冰盐腐蚀的状况具有同样的指导性:“通过对北京地区某些立交桥混凝土结构的观测发现，在有落水口或伸缩缝的墩柱处存在钢筋腐蚀阳极区、顺筋裂缝或层裂，墩柱根部也有不同程度的混凝土剥落现象。在负温条件下，以上工程部位可能发生混凝土受冻破坏，以背阳面更为明显。冬季使用化冰盐水时加速了破坏的进程。”
2 提高钢筋混凝土桥梁抗腐蚀性的方法
2.1 合理选择水泥品种
不同品种的水泥，其化学成分及制成混凝土后的性能不同，其耐腐蚀程度也不相同，因此正确选择混凝土的水泥品种十分重要。水泥通常分为5大类:硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和特种水泥(如抗硫酸盐水泥等)。
1)普通硅酸盐水泥和硅酸盐水泥性质基本相同，只是硅酸盐水泥比普通硅酸盐水泥纯度更高。其特点是早期强度高、硬化快，制成的混凝土密实性好、碱度高，对钢筋的保护性好。常用水泥中，普通硅酸盐水泥混凝土的密实性最好，碱度最高，碳化速率最慢。2)矿渣水泥的耐水性和耐硫酸盐性能略高。普通硅酸盐水泥耐硫酸根的浓度为250 mg/L，而矿渣水泥耐硫酸根的浓度为450 mg/L。在常用水泥中，矿渣水泥耐氯化物的性能最好。但矿渣水泥混凝土的早期强度低，密实性差，干缩性大，易开裂，碱度也低于普通硅酸盐水泥。3)火山灰质硅酸盐水泥与矿渣水泥基本相同，但综合性能差。火山灰质硅酸盐水泥混凝土吸水性大，不适用于受冻融的工程，也不适用于干燥地区的结构，在一般有腐蚀的建筑工程中不推荐采用。4)抗硫酸盐水泥由于组成中的铝酸三钙和硅酸三钙低，具有较好的耐硫酸盐性能。抗硫酸盐水泥耐硫酸根的浓度可达2 500 mg/L。适用于有硫酸盐腐蚀的地下和港口工程。其抗冻融和耐干湿交替性能都优于普通硅酸盐水泥，但抗氯盐腐蚀能力较差，在氯盐与硫酸盐并存的环境中(如海水)，防腐蚀效果不好，容易因钢筋锈蚀而破坏，而且抗硫酸盐水泥产量小，价格较贵。
2.2 合理选择混凝土添加剂
在混凝土中掺加减水剂，可以减少拌合水量，可以达到提高混凝土密实性的目的;掺入引气剂，可以在混凝土搅拌过程中产生大量均匀分布的微小气泡，改善混凝土的和易性，提高混凝土的抗渗性能，达到抑制腐蚀的目的。在混凝土中掺入盐类(如CaCl2)，对混凝土具有速凝、快硬作用，但易引起钢筋的锈蚀，特别是对蒸汽养护混凝土。有关资料表明，混凝土中掺有18%的NaCl时，无定电流对钢筋混凝土中钢筋的破坏作用会增加100倍。因此，添加剂种类的选择应该慎重。
在混凝土拌合物中加入外加剂(缓蚀剂)可以有效阻止混凝土中的钢筋锈蚀。亚硝酸钙是目前使用最广的缓蚀剂，其防锈性能很好，用亚硝酸钙与氯离子的摩尔比来表示锈蚀程序，则锈蚀的临界范围在0.07～0.09之间。一般掺混合料的硅酸盐水泥要比纯硅酸盐水泥的抗腐蚀性强，但都不同程度地存在一些缺点，如早期强度偏低，降低混凝土的碱度、自收缩偏大、易开裂等。
对于污水处理厂的给排水构筑物，平面尺寸经常会超出规范伸缩缝的允许尺寸，设计上为防止混凝土开裂，有时会要求在混凝土中添加膨胀剂。不同使用目的下多种添加剂并用时，一定要采取谨慎的态度，根据施工现场试验结果决定添加剂的种类和配比，以期达到最佳的工程效果。
另外，试验证明在混凝土中掺用抗氯离子腐蚀和硫酸盐腐蚀的防腐剂是抑制微生物腐蚀和地下水腐蚀的有效措施。
2.3 严格控制氯离子含量
氯离子是破坏钢筋表面钝化膜，引起钢筋腐蚀的重要原因。混凝土中钢筋腐蚀的氯离子临界浓度与pH值存在着一定的关系，混凝土孔隙溶液的pH值低，则钢筋腐蚀的氯离子临界浓度也低。当混凝土外加剂、骨料、水等原材料的氯离子含量超标时，不得使用，否则必须采取技术措施。而外部环境的渗透则靠提高混凝土密实度、提高抗渗性、加大保护层厚度等措施来防止。
2.4 严格控制水胶比、水泥用量，提高混凝土耐久性能
同一水泥品种的混凝土抗侵蚀性随着水胶比的减小而增强。水泥水化时所需的结合水，一般只占水泥质量的23%左右，混凝土硬化后，多余的水分就残留在混凝土中形成水泡或蒸发形成毛细孔，因此水胶比过大，则混凝土密实性降低，但水胶比过小，则无法保证混凝土浇筑质量，易出现蜂窝、麻面等质量问题。滨海环境受侵蚀性地下水作用的钢筋混凝土构筑物，混凝土的水胶比不宜大于 0.5，最好不大于 0.45。
2.5 加大保护层厚度
保护层厚度直接影响钢筋的使用寿命，同样条件下(环境介质、水泥用量、水胶比、水泥品种、添加剂、振捣和养护方法等)加大混凝土保护层，能延缓钢筋混凝土的腐蚀。但应当注意，加大保护层厚度意味着加大了结构断面的尺寸，同时当保护层超过一定厚度时，还应采取防止混凝土表面裂缝的构造措施。
2.6 用环氧树脂涂层钢筋
环氧树脂涂层具有很高的化学稳定性和耐腐蚀性，且膜层具有不渗透性，能阻止水、氧、氯盐等腐蚀介质与钢筋接触。且环氧树脂涂层的弹性和耐摩擦性良好。GB 50011-2002混凝土结构设计规范规定:“三类环境下，钢筋混凝土结构宜采用环氧树脂涂层钢筋”。
2.7 混凝土表面涂覆防腐涂层
根据混凝土的高碱性、含水性和多孔性特点，防腐涂层应具备耐碱性、耐久性和浸渍性的性能并且与混凝土有良好的结合力，同时涂料必须是安全、无毒和环保型的，如高渗透改性环氧树脂，改变了以往常规环氧树脂易收缩、不渗透等缺点，在污水处理厂、雨水泵站、地铁等工程的防水防腐得到了广泛应用。
2.8 从系统论角度考虑结构耐久性问题
混凝土耐久性是一个复杂的问题，科学的材料配比是基础，而针对性的施工工艺则是关键，合理的养护制度是保障。针对具体工程，结合工程特点、地域环境等，制定专项工程的《设计、施工、验收规程》，从设计之初，将耐久性问题通盘考虑，实行全过程的质量监控，执行事前控制，事中监控、调整，事后鉴证是最为经济、可靠的措施，在这方面，我们已经取得了很多有益的经验。
3 结语
由于钢筋混凝土结构的复杂性及环境影响因素的不确定性，其腐蚀过程是非常复杂的。目前，随着研究工作的不断深入，混凝土已经从粗放转向精细的定量化设计，污水环境下的混凝土腐蚀与防护技术已经取得了阶段性的成果。耐久性观念已经开始深入人心，并落实到工程的设计、施工、管理等规范中去。污水处理厂等工程耗资巨大，直接影响人们的健康生活，以整体论的角度考虑结构耐久性，是保证结构长期安全健康运营的必要前提，必须引起足够重视。
[1]金伟良，赵羽习.混凝土结构耐久性[M］.北京:科学出版社，2002.
[2]重庆建筑工程学院，南京工学院.混凝土学[M］.北京:中国建筑工业出版社，1981.
[3]杨全兵.去冰盐对混凝土腐蚀的机理[J］.上海建材学院学报，1991(4):95-97.
[4]张 恺.桥梁混凝土结构钢筋锈蚀的重要原因——除冰盐[Z］.
