［摘 要］ 论述了混凝土的腐蚀机理及通用的防护方法，介绍了钢筋混凝土结构在桥梁建设中的重要应用。针对我国混凝土桥梁所处的腐蚀环境，指出表面防护涂层是极其有效的一种防腐蚀方法，并分析了作为表面防护体系的封闭漆、中间漆、面漆应具有的特殊性质，举例说明了崖门大桥混凝土结构的表面防护涂层设计。
［关键词］ 混凝土结构；腐蚀机理；桥梁；表面防护涂层
0 前言
19 世纪 20 年代，自英国人 J·阿斯普丁发明波特兰水泥后，以水泥为胶结材料的混凝土便以其广泛的适用性和低廉的造价而成为土木建筑工程中不可缺少的材料，其用量越来越大[1]。1880-1890 年第一批钢筋混凝土结构问世，并首先应用于工业建筑物，目前已经成为世界上使用最多的建筑材料。它不仅被广泛地用于楼房建筑、公路、桥梁、水利设施、隧道等基础设施上，而且广泛应用于海洋开发、地热工程、原子能工程和宇宙开发等特殊工程中。混凝土的生产量约为世界钢产量的 10倍，1997 年我国水泥产量为 5.1×108t，到 2010 年可能超过8×108t[2,3]。
然而，随之而来的钢筋混凝土结构在腐蚀条件下的安全使用和耐久性（主要是钢筋锈蚀）问题也就摆在了人们的面前。钢筋混凝土的腐蚀破坏正在造成巨大的经济损失和对环境的污染，引起了世界各国政府、工程技术界和材料科学界的高度重视[3]。
1 钢筋混凝土结构的防腐机理和破坏的主要因素
混凝土由于水泥水化，产生了大量的 Ca (O H )2·3CaO·2SiO2·3H2O 和 CaO·A l2O3·6H2O 等碱性产物，加上水泥中少量的 K2O 、N a2O ，所以 pH 值可高达 12.5～13.5。钢筋处于该环境中，表面能形成约 200μm ～1000μm 厚的水氧化物 γ-Fe2O3·nH2O 或 Fe2O3·nH2O 组成的致密、稳定的钝化膜层，有效保护了混凝土中的钢筋不被锈蚀。当混凝土中的碱性水化物被溶析，或因碳化降低了混凝土的碱度，钢筋就容易受到侵蚀，当混凝土的 pH <11.8 时，钢筋表面的钝化层已不稳定，并逐渐破坏。
混凝土中钢筋的电化学腐蚀必须满足三个基本条件：1）钢筋表面存在两个具有不同电位值的电极；2）钢筋表面存在有电解质液相薄膜；3）钢筋表面存在氧化性物质（O2）。造成钢筋混凝土结构破坏的主要因素有：混凝土的中性化（主要是碳化）、氯离子的腐蚀、硫酸盐的侵蚀、氧和水的作用以及冻融交替、干湿交替、微生物、碱 -集料反应等。
2 钢筋混凝土结构常见防腐蚀方法
按照国内外相关规程、规范的规定，保护钢筋、提高钢筋混凝土结构物耐久性的技术措施，一般划分为两大类，即“基本措施”和“附加措施”。
“基本措施”包括保证足够的混凝土保护层厚度和使用高性能的混凝土。提高混凝土自身对钢筋的保护能力，是最重要、最根本的防护原则，致力于改善和提高混凝土的密实性、减少裂纹的发生等。其中，高性能混凝土的研究就是重要方面，并取得了可喜进展[4]。但由于混凝土材料的多孔性和施工易产生裂纹等问题是很难彻底解决的，到目前为止，“附加措施”仍然是十分重要和不可缺少的。
“附加措施”主要包括：选择特殊钢筋、阻锈剂、混凝土表面涂层、阴极保护、电化学除盐；在混凝土表面加防护涂层是最常用的方法，其出发点是隔离环境、弥补混凝土多孔性的缺陷。
2.1 目前国内外混凝土结构物防腐蚀方法主要有：
2.1.1 使用优质的混凝土保护层
通常采用抗渗防水混凝土、聚合物混凝土或者掺入钢筋阻锈剂以对钢筋进行防护。在混凝土拌合物中直接掺入的钢筋阻锈剂，通过在钢筋表面形成保护膜来抑制电化学反应。
2.1.2 钢筋混凝土表面防腐涂层
在混凝土基底的表面上涂覆涂料，待涂料中的溶剂或水分挥发后，各组分之间通过化学反应，在基底表面形成一层具有一定弹性的防水、防潮、防渗的连续薄膜。该涂料可形成重量轻、无接缝的完整防水膜，特别适用于混凝土结构中形状不规则的复杂表面。
2.1.3 钢筋防腐涂层
对混凝土中的钢筋可采用防腐涂层，但是混凝土中的钢筋防腐涂层要考虑与钢筋的粘结力的因素，国外使用较多的是环氧树脂涂层和聚乙烯缩丁醛涂层。钢筋涂覆层防蚀的性价比较高，但是在施工时很难保证钢筋不受机械损伤、在钢筋涂覆膜不出现遗漏或者涂覆不好的地方，而这将留下巨大的隐患。另外钢筋涂层使对钢筋腐蚀情况的无损检测和腐蚀控制带来了一些困难，使阴极保护技术受到限制。
2.1.4 电化学防腐蚀技术
由于混凝土中钢筋腐蚀都是电化学腐蚀，因此可通过电化学的方式来延缓或制止钢筋的腐蚀。所谓电化学方式，就是根据钢筋腐蚀的电化学机理，抓住阳极反应（钢筋腐蚀）必须同时放出自由电子的电化学本质，不让钢筋表面任何地方再放出自由电子，使其电位等于或低于腐蚀电位，就可使钢筋不能再进行阳极反应（腐蚀）。目前电化学保护技术中应用较多的是阴极保护技术，即钢筋整体成为阴极而被保护。阴极保护对水下区和潮差区的结构物保护效果较好，但对大气区的保护效果较差。
总之，预防混凝土中钢筋腐蚀的措施很多，但是每种方法都有其优势与不足，最为关键的就是要结合钢筋混凝土的使用环境以及潜在的腐蚀源，做到有的放矢，才能达到最佳的防腐效果。
3 混凝土桥梁的腐蚀及其表面涂层防护
由于混凝土结构具有广泛适用性和低廉的造价而广泛应用于桥梁本体、主塔及引桥等重要结构。桥梁自建造伊始，就遭受着大气中的水分、氧气和各种腐蚀介质（盐雾、城市的酸雨、汽车尾气、工业含硫烟尘、大气悬浮物等联合作用）的化学和电化学作用而引起腐蚀，太阳辐射、雨量、雾量及其季节分布也影响着腐蚀速度。
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% 。据 1984 年报导，美国 57.5 万座钢筋混凝土桥，一半以上出现钢筋腐蚀病害；1986 年报道，美国联邦高速公路管理局（FH W A）的报告估计维修桥梁的腐蚀损害需要 200 亿美元，并以每年 5 亿美元的速度增长。
在英国“，许多现代公路、公用与商业用钢筋混凝土结构是60 年代到 80 年代建造的。因为去冰盐透过沥青防水层和2cm ~3cm 厚的混凝土保护层到达钢筋一般要 10~20 年，所以钢筋腐蚀引起混凝土结构的严重破坏发现得比美国晚。但是近几年，这个问题正日益突出。”英国环保部门最近的一份报告估计，“英国建筑工业的年成交额为 500 亿镑，而现在，因腐蚀破坏钢筋混凝土结构年维修费已达 5.5 亿英镑（占其 1.1% ），已成为英国一个沉重的财政负担。”
日本运输省检查 103 座混凝土海港码头状况，发现凡是有20 年历史的，都有相当大的顺筋开裂，需要修补。我国铁道部 2000 年桥隧秋检汇总资料统计，全国铁路混凝土梁较严重裂损等病害共计 6529 孔，占混凝土梁总数的5.67% 。
以上的数据表明，预防钢筋混凝土结构的病害和延长它们的使用寿命，已经成为越来越紧迫的任务。在所有的防腐蚀方法中，应用到大型混凝土桥梁上最具优势的是制备表面防护涂层，其出发点是隔离环境、弥补混凝土多孔性的缺陷。
3.1 混凝土桥梁表面涂层的防护作用
表面涂层防护在混凝土桥梁完全养护完毕后进行，针对旧混凝土桥梁的维修往往是在对疏松孔隙处进行完表面预处理后再涂装，这样既不影响熟化期混凝土的排水、排气，也能有效阻止腐蚀介质在混凝土使用过程中侵入。钢筋混凝土桥梁表面涂层是阻止腐蚀介质进入混凝土的第一道防线，在混凝土表面形成一层耐侯、抗渗、耐久的涂层，这无疑是一种成本低廉、施工方便、效果理想的方案。特别对于肆虐我国华北混凝土建筑物中的碱集料反应，使用保护涂层是唯一有效的方法，混凝土表面防护涂层近年来在各国的桥梁工程上获得普遍使用，它能使混凝土的使用寿命延长 15-30 年，大大减少混凝土的维护费用。混凝土表面涂层按作用机理分为封闭型和隔离型两大类型。工程应用时往往将封闭和隔离作用联合起来使用，其防护效果将大大提高。
混凝土表面涂装的目的有以下几点：
（1）装饰作用———遮盖混凝土表面众多的缺陷，美化颜色不均、色彩古板的混凝土外观，点缀环境，使混凝土结构成为一道景观；
（2）防水作用———阻止水浸入混凝土内部引起钢筋锈蚀和混凝土劣化；
（3）防潮作用———在潮湿环境能保持混凝土内部处于干燥状态，有利于提高混凝土的使用寿命；
（4）防腐蚀作用———防止混凝土碳化、氯离子侵蚀、化学介质腐蚀、阻止钢筋锈蚀，延长混凝土构件的使用寿命。
在混凝土表面涂装时，涂层体系的上述四种作用是相辅相成的，而防腐蚀作用是首要的。
3.2 钢筋混凝土结构表面涂层体系说明
作为混凝土表面的防护体系，应该具有以下特点：憎水、耐水；防止水的渗透；抑制水蒸气的扩散；耐常用化学和生物制剂；在宽广的温度范围内具有良好的柔韧性等特性。适合涂装体系的封闭漆，必须具有以下几个特点：具有良好的渗透性能，能够有效的防止有害物质的侵入；具有致密的结构，能有效的阻挡小分子或离子的入侵；具有良好的耐碱性。
耐碱性是封闭漆能否长期使用和保持与混凝土良好结合力的重要指标；具有良好的柔韧性；与复合体系的其它部分具有良好的结合力；便于施工。
封闭漆的技术指标有：固体含量、低温稳定性、初期干燥抗裂性、粘结强度、耐水性、耐碱性、耐洗刷性、干燥时间、耐冻融循环性。
中间漆必须有以下几个特点：具有良好的屏蔽和抗渗透性；与底层和面层涂料有良好的配套性（层间附着力好）；具有抗冲击性；具有相对大气气候的稳定性。中间漆的技术指标有：固体含量、低温稳定性、初期干燥抗裂性、粘结强度、耐水性、耐碱性、耐洗刷性、干燥时间、耐人工老化、耐冻融循环性、细度、遮盖力。
面漆必须具有优良的耐候性。其技术指标有：在容器中的状态、固体含量、低温稳定性、粘结强度、耐水性、耐碱性、耐洗刷性、干燥时间、耐人工老化、耐冻融循环性、细度、遮盖力、外观颜色、耐沾污性、耐候性。
以广东珠海崖门大桥为例，该桥全长 1296 米，宽 26.8 米，通航净高 48 米，塔高 128 米，主跨 338 米，跨径在我国同类桥梁中排行第一、亚洲第二。由于当地腐蚀环境比较恶劣，需对主塔混凝土进行防腐蚀，延长使用寿命，为满足表面防护体系的所有要求，最终确定的防腐蚀方案如表 1 所示。
3.3 钢筋混凝土结构表面防护涂层应用实例及防护必要性
根据不同情况，通常采用的涂层由憎水性材料、油漆涂料、防腐饰面和衬垫等组成。日本长大桥公司总结了其二十多年建造桥梁的防腐蚀经验，认为从设计上看，处理钢筋混凝土免遭腐蚀的最好对策是涂漆，其防锈以环氧树脂类涂料的性能最佳。1994 年英国里兹大学用库仑法快速测定氯离子对不同混凝土涂层的渗透性，认为环氧类涂料在抗氯离子渗透和对混凝土的总体保护效果上均很优秀。
因此，国内外的混凝土桥梁纷纷采用环氧类涂料进行表面涂装防护。如广东汕头海湾大桥、厦门海沧大桥、武汉军山长江大桥、南京长江二桥、江阴长江大桥、天津海河大桥、珠江大桥、重庆万县大桥、广东西部沿海高速公路崖门大桥、浙江舟山大陆连岛工程桃夭门大桥、长沙环线及银北立交桥等混凝土结构表面防腐涂装均采用了环氧类涂料体系。
近年来，混凝土表面防护涂层受到各国的普遍使用，美国对混凝土涂层防护年限工业试验结论中，采用二层环氧涂层及采用一道封闭底漆加两层面漆均可达 15～50 年的防护年限。根据大面积的施工经验，钢筋混凝土表面防护涂层费用仅为总工程费用的 2% ～3% ，其经济意义是相当显著的。“立足前期措施、着眼长远效益”是美国经过正反两个方面的经验教训所得出的可贵结论，美国学者用“五倍定律”形象说明了桥梁初期设计对钢筋混凝土结构耐久性的重要性，设计时，对新建项目每节省 1 美元防腐费用，就意味着发现锈蚀时采取措施多追加 5 美元，顺筋开裂时多追加 25 美元，严重破坏时多追加 125美元[5]。
目前，世界各国对钢筋混凝土结构的防腐涂装特别重视，特别是在美国，混凝土涂装已列入与钢结构同等重要地位，除了有大量应用实例和较长应用历史外，并以法规形式制定很多标准，对混凝土所处腐蚀环境分类、涂层设计、施工工艺、涂层性能检测、甚至涂层使用寿命等都进行严格的规定。而我国的混凝土表面涂装业刚刚起步，市场没有规范，施工过程控制没有标准可循。因此，表面保护工作者应进一步宣传对钢筋混凝土实施腐蚀控制的重要性和紧迫性，促使有关官员、市政工程界和材料科学界人士引起重视，并参考发达国家已有的规范、标准，建立和完善规划、设计、施工中的防护和监督、腐蚀检测评估以及维护保养制度。
4 结语
混凝土结构的表面防护技术是一项关系国民经济是否健康发展的重大科学技术问题，国内外专家称之为“上万亿元的机会”。发达国家走过的路已经表明，如果不重视混凝土结构的耐久性问题，将付出极大的经济代价，目前美国用建四座桥的费用维持一座桥的运行就是典型实例。
钢筋混凝土是由混凝土和钢筋组成的复合材料，它既可被视为是用钢筋强化了的混凝土, 又可被视为覆盖了混凝土层作为表面保护的钢筋来进行研究。材料腐蚀和表面保护工作者,可以一方面继续探讨钢筋混凝土在使用环境中的腐蚀破坏机理，从而研制新型的复合材料；另一方面可充分利用已有的成果，在新建及旧混凝土桥梁的维修中积极推广新颖有效的腐蚀控制技术，最大限度地减少腐蚀破坏的损失和对环境的污染、对生态的不良影响。
作为发展中国家，我国目前正在加大基础设施的建设，大型、特大型混凝土桥梁不断涌现，为了有效延长其使用寿命，在混凝土表面制备一层耐侯、抗渗、耐久的表面防护涂层，不但能够有效减少混凝土的维护费用，同时还可以起到美化环境的作用，对我国的经济建设具有积极重大的意义。
[参考文献]略
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