混凝土桥梁的腐蚀特性

混凝土是现代紧重要的建筑材料之一，广泛用于大坝、桥梁、地板、贮槽和建筑等。坚硬的混凝土本身也耐腐蚀的材料，经常用于钢结构的保护，但是混凝土也有反应性，比如说在酸性环境中，所以它的表面也需要涂料的保护。
混凝土是由硅酸盐水泥、填充骨料、水和助剂等混合后经水合浇注而成。水泥的基本化学组成为3CaO•SiO2和β-2CaO•SiO2，以及少量的3CaO•Al2O3、4CaO•Al2O3•Fe2O3或者是一些铁相的固体溶液MgO、CaO以及其痕量化合物。除了加入骨料增强其耐磨性，还使用钢筋骨架来增加混凝土构件的强度，这种混凝土叫作钢筋混凝土。
混凝土的固化通常经过28天后可以达到最初的物理性能，国外有时候采用蒸汽来加速水合反应，混凝土构件的固化通常只要几个小时就可以完成。
混凝土涂层需具备防护和装饰两方面功能。由于暴露於日晒、雨淋、大气污染等的长期作用下，钢筋混凝土的腐蚀如果不引起重视和采取措施，就会带来严重后果。
引起混凝土内加强钢筋腐蚀最为主要的原因是混凝土的碳化和氯化物的渗透量。
1. 混凝土的碳化
钢筋混凝土的发明与发展的主要因素之一是水泥浆具有保护钢筋免受腐蚀的能力。钢筋混凝土中水泥的水化产物——氢氧化钙是一种高碱性物质，pH值在12.5以上，混凝土中钢筋与该溶液接触，表面会形成氧化亚铁面膜，它可以钝化钢筋，阻止氧接触钢筋，对钢筋起到保护作用。这种钝化作用在碱性环境中是很稳定的。当水份通过孔洞形态的混凝土,在里面形成氢氧化钙。氢氧化钙是一个碱性环境，由于外来的酸性气体，如二氧化碳渗入混凝土与氢氧化钙发生化学反应，变成碳酸钙，整个反应称为碳化作用。
CO2+H2O+Ca(OH) →CaCO3+2H2O

混凝土内钢筋的腐蚀
    当大量的碳酸钙形成时，混凝土内部碱性环境受到破坏，达到一定程度时，如pH在9以下时，钝态铁的保护层就失去作用，混凝土内的钢筋因为没有受到碱性环境的保护而产生锈蚀。
混凝土的碳化因素很多，例如，水泥本身的质量，施工时水分及水泥比例，固化时间及环境等等。而多孔的混凝土比一般混凝土碳化速度快，有时甚至快十倍，此外施工也是一个十分重要的问题，例如水泥层外层与钢筋之间的距离（水泥壁）过小等。
2. 氯化物的渗透
混凝土施工时往往会加入一些含有氯化物的预混合料，例如污染的水源，砂石等等。混凝土固化后，在大气环境中的氯化物污染是难以避免。
为了防止冰雪对车辆行驶造成的事故危害，二十世纪50~60年代，以美国为主的西方国家开始大量使用防冰盐，当时对“盐害”认识不足，70~80年代，防冰盐所带来的腐蚀破坏大量表现出来，美国56.7万座高速公路桥已有半数以上遭腐蚀和需要修复，至少已有50座桥出现了应力腐蚀断裂现象，为修复道路、桥梁等，美国已花费上千亿美元。至本世纪末还需花费400亿美元，因修复和不安全等带来的间接损失就难以预计了。英国为修复因防冰盐腐蚀破坏的桥梁，已花费62亿英磅，德国每年花费4亿马克，北欧、加拿大等国，均有受氯离子是一种穿透力极强的腐蚀介质，当接触到钢铁表面，便迅速破坏钢铁表面的钝化层，即使在强碱性环境中，氯离子Cl-引起的点锈腐蚀依然会发生，同时由于不论是气态还是液态的水往往会渗透到混凝土里面，而这种水并非纯水，而是含有一些杂质的电解液，电化学作用导致锈蚀加快进行。当氯离子渗透到达钢筋表面，氯离子浓度较高的局部保护膜破坏，成为活化态．在氧和水充足的条件下，活化的钢筋表面形成 一个小阳极，未活化的钢筋表面成为阴极，结果阳极金属铁溶解，形成腐蚀坑，一般称这种腐蚀为点腐蚀．这个过程主要有下列反应：
Fe2++2Cl-+2H2OFe(OH)2+2HCl
4Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3(铁锈)
Fe(OH)3若继续失水就形成水化氧化物FeOH(即为红锈)，一部分氧化不完全的变成Fe3O4(即为黑锈)，在钢筋表面形成锈层。由于铁锈层呈多孔状，即使锈层较厚，其阻挡进一步腐蚀的效果也不大，因而腐蚀将不断向内部发展。
国际上还没有一致公认的引起混凝土中钢筋腐蚀的氯化物界限值，当结构处于干湿交替状态下或常年湿度大于80%时，通常认为在氯化物含量与混凝土的重量比达到0.2％以上时，就比较危险。
第五节  桥梁的腐蚀防护措施
一.涂料保护
钢铁的大敌就是腐蚀，而涂料正是钢铁桥梁防腐蚀的最方便有效的方法之一。比如悉尼港口大桥在建设时的涂漆工作量就相当繁重，每度漆约有80000公升，涂装面积相当于60个足球场那么大。
从电化学腐蚀的原理分析，我们可以了解到钢铁发生电化学腐蚀必须具备几个基本条件：
（1） 钢铁作为腐蚀阳极，其电位最低
（2） 低电阻的电解质溶液，从外面渗入或残存在底漆与钢铁的界面上
（3） 足够的氧气参与腐蚀过程，并维持在一定水平上
采用涂料来保护钢铁，就是要提高其腐蚀电位，由腐蚀阳极成为阴极，隔绝电解质以免形成腐蚀电池。漆膜的耐腐蚀性一个重要原因就是涂层作为一种高聚物薄膜，能够不同程度地阻缓腐蚀因子水、氧所和离子的透过，从而发挥防锈防腐蚀的作用。此外，涂层漆膜对腐蚀介质的稳定性，与底材的附着力以及相应的机械性能对于涂层的防腐蚀性能都有着重要的影响。
涂料对钢铁的保护作用主要有有三种，屏蔽作用、缓蚀作用和阴极保护作用。
1. 屏蔽作用
涂料经过良好的施工，覆盖在钢铁表面，能有效地隔绝钢铁与外界腐蚀环境的接触。也就是说，涂料阻止了大气中的氧气、水汽和其它腐蚀性离子对钢铁的侵蚀。
所有涂料都有着基本的屏蔽作用。
2. 缓蚀作用
防锈底漆的防锈作用在很大程度上依靠防锈颜料的作用。铬酸锌、磷酸锌和红丹等对钢铁有着缓蚀作用。以磷酸锌为例，它具有形成碱式络合物的能力，可以与漆基的极性基团（羟基或羧基）进一步络合，生成稳定的交联络合物，不仅增强了漆膜的耐水性和附着力，同时在钢铁表面形成了牢固的铁－锌－磷酸盐络合物，阻止锈蚀的形成和发展，降低钢铁的腐蚀速度。
有关这一类防锈颜料的作用，请参考第二章《桥梁重防腐涂料》中有关“防锈颜料”的说明。
3. 阴极保护作用
利用锌粉的阴极保护作用，制成的环氧富锌漆和无机硅酸富锌漆最具有最好的防锈作用，是重防腐涂料体系中的首选底漆。高含量的锌粉与钢铁紧密接触，由于锌的电位比钢铁低，腐蚀电流就会从锌流向钢铁，锌粉首先被腐蚀从而就保护了钢铁。锌粉在大气中的腐蚀产物为难溶碱式盐，它们会填没涂层中的空隙，也具有保护作用。
二. 阴极保护
电化学保护根据其原理，有阳极保护和阴极保护两种。
阳极保护主要是对钢铁进行钝化，保护其在强氧化性质中不受腐蚀。例如在硝酸中，钢铁一般会强烈腐蚀，但是当硝酸浓度达到35%时，腐蚀速度就会显著减小，达到60%时，几科不受腐蚀。此时，钢铁变得十分稳定。这就是是阳极保护。
阴极保护是使用钢铁成为阴极并极化，以减小防止腐蚀。它可以分成牺牲阳极保护和外加电流保护。
牺牲阳极保护法，是采用一种比所要保护金属的电位要负，即化学性质更为活泼的金属或合金，与被保护的金属联结在一起，依靠该金属或合金不断的腐蚀牺牲掉所产生的电流使其它金属获得阴极极化而受到保护。因而，这种自身腐蚀的金属或合金，称之为牺牲阳极。常见的牺牲阳极材料有锌基合金，铝基合金。
外加电流阴极保护是由直流电源通过辅助阳极对被保护体施加保护电流，使被保护体成为阴极并获得极化，从而免受腐蚀的一种保护技术。