鋼筋阻銹劑的發(fā)展與應用
2006-02-16 00:00
摘 要： 鋼筋腐蝕為影響混凝土耐久性的主要因素，為此世界各國已經(jīng)采取了一系列防止鋼筋腐蝕的技術(shù)措施，鋼筋阻銹劑是重要措施之一。介紹了國內(nèi)外鋼筋阻銹劑的發(fā)展情況及其不斷擴大的應用現(xiàn)狀。
關(guān)鍵詞： 鋼筋混凝土 腐蝕 耐久性 阻銹劑
DEVELOPMENT AND USE OF STEEL BAR INHIBITOR
Hong Naifeng
(Central Research Institute of Building and Construction ， MCC Group Beijing 100088)
Abstract ： The corrosion of steel bars in concrete has become the major cause that influences the durability of concrete. A series of technical measures preventing the corrosion of steel bars have been or are being developed internationally ， and the steel bar inhibitor is one of them. It is summarized that the development of steel bar inhibitor and its continuously expanded use both at home and abroad.
Keywords ： reinforced concrete corrosion durability inhibitor
1 概 述
鋼筋腐蝕成為當今世界影響混凝土耐久性的主要因素，特別在氯鹽環(huán)境中，鋼筋腐蝕是首要因素。為此，人們研究開發(fā)了一系列防護措施，其中鋼筋阻銹劑是重要技術(shù)之一。在防止金屬腐蝕的方法中， “緩蝕劑”是常用方法之一。緩蝕劑的應用已經(jīng)有上百年的歷史，鋼筋阻銹劑是緩蝕劑在混凝土中的應用，是一種既古老又新型的技術(shù)。
世界上鋼筋阻銹劑的研究與使用已經(jīng)歷了很長的時期。日本作為一個島國，由于缺乏建筑用河砂，不得不開發(fā)利用海砂。因此，既要解決海洋環(huán)境中氯鹽鋼筋腐蝕問題，又要設(shè)法防止海砂中氯鹽對鋼筋的侵害。1973 年在沖繩發(fā)電站建設(shè)工程中，大量使用了鋼筋阻銹劑。此后用量猛增，到1980 年，每年有160 萬m3 混凝土使用了鋼筋阻銹劑(鋼筋阻銹劑年均用量約為1～115 萬t) 。1982 年日本制訂了《鋼筋混凝土用防銹劑》(J ISA 6205) 工業(yè)標準，建設(shè)部還發(fā)布指令文件(597 號文、142 號文等) ，要求使用海砂或環(huán)境氯鹽可能超標時，必須使用鋼筋阻銹劑。
原蘇聯(lián)也是很早使用鋼筋阻銹劑的國家之一。于1985年出版了《混凝土中鋼筋阻銹劑》專著，并在國標《建筑防腐蝕設(shè)計規(guī)范》中納入鋼筋阻銹劑內(nèi)容。
美國于20 世紀70 年代初開始研究、開發(fā)、使用鋼筋阻銹劑(與環(huán)氧涂層鋼筋同時) 。早期美國比較重視環(huán)氧涂層鋼筋的有效性，在最近20 年，鋼筋阻銹劑才得到迅速發(fā)展。經(jīng)過了較長時間的試驗研究和工程應用， 美國混凝土學會(ACI) 肯定了鋼筋阻銹劑的效果，并確認其“是長期有效的防鋼筋銹蝕的措施”；1992 年美國公路運輸聯(lián)合會(AASHTO) 等3 個單位編制并頒布的《鋼筋混凝土橋梁的防腐蝕手冊》，將鋼筋阻銹劑定為橋梁防腐蝕的重要措施之一；美國海軍工程服務(wù)中心(NFESC) 、美國航天局肯尼迪太空中心(NASA KSC)等軍工部門，都在大力研究、開發(fā)和積極采用鋼筋阻銹劑。1995～1998 年，美國曾將其列為國家級研究課題，制訂統(tǒng)一的鋼筋阻銹劑的評價方法和使用標準。該研究報告指出：“15 年來，鋼筋阻銹劑應用日趨普遍，它能長期保護鋼筋混凝土、預應力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，如公路橋及其他結(jié)構(gòu)等⋯，本研究結(jié)果將被美國公路運輸聯(lián)合會(AASHTO) 采納，并推薦納入《混凝土外加劑標準》(AASHTO M194) 。同時納入美國混凝土學會(ACI) 編制的《混凝土手冊》，明確推薦在橋梁及其他結(jié)構(gòu)上使用”。1999 年，美國成立了鋼筋阻銹劑聯(lián)合會(CCIA) 在北美，乃至全世界推廣應用鋼筋阻銹劑。
除美國、日本之外，加拿大、歐洲各國、澳大利亞、印度等，都在積極開發(fā)和應用鋼筋阻銹劑；中東國家、韓國、東南亞各國(包括我國臺灣省) 等國家、地區(qū)也在使用引進的鋼筋阻銹劑產(chǎn)品。據(jù)悉，1993 年之前，全世界有2000萬m3 的混凝土使用了鋼筋阻銹劑，而到了1998年，至少有5億m3的混凝土使用了鋼筋阻銹劑，可見其發(fā)展趨勢之迅猛。鋼筋阻銹劑作為提高混凝土耐久性的重要方法之一，已經(jīng)成為一項世界性通用技術(shù)。
2 我國鋼筋阻銹劑的研究與發(fā)展
我國在研制、開發(fā)鋼筋阻銹劑方面起步較早，20 世紀60年代就有人利用亞硝酸鈉作為鋼筋阻銹的成分，試用于混凝土中，并取得一定經(jīng)驗。但是，單純亞硝酸鈉雖有阻銹作用，同時也存在一定問題，因而沒有被推廣使用。20 世紀80 年代初，南京水科院和原冶金部建筑研究總院等單位也著手研制新型鋼筋阻銹劑。隨后，由原冶金部建筑研究總院研制的復合型鋼筋阻銹劑(RI - 1 系列) 通過了冶金部部級成果鑒定。1985 年起，在山東三山島金礦大量使了鋼筋阻銹劑，這是我國阻銹劑產(chǎn)品在全國大型重點工程中的首次應用。雖然比日本、美國等國家晚了近10 年，但我國仍是世界上較早將阻銹劑應用于大型工程的少數(shù)國家之一。
在那個時期，國外(特別是美國) 鋼筋阻銹劑的研制和發(fā)展十分迅速。相對而言，國內(nèi)發(fā)展緩慢。是由于國內(nèi)在此時期之前對混凝土耐久性、鋼筋腐蝕危害等認識不足和重視不夠，旨在提高耐久性的項目一時難以開展，包括鋼筋阻銹劑在內(nèi)的相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品很難打開市場。曾有一段時期，國內(nèi)很少有單位進行鋼筋阻銹劑的研制與開發(fā)。
近幾年來我國鋼筋阻銹劑事業(yè)發(fā)生了明顯的變化，鋼筋阻銹劑逐步得到一定程度的重視，社會已經(jīng)開始重新認識和接納這一技術(shù)措施，市場走向也看好，多本規(guī)程、規(guī)范也已經(jīng)將其納入；不僅國內(nèi)已經(jīng)有數(shù)種鋼筋阻銹劑產(chǎn)品問世，而且已有幾家國外產(chǎn)品進入我國市場。我國現(xiàn)正處于大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)時期，國家對重要工程的使用年限(耐久性) 越來越重視，并提出明確的要求。2000 年國務(wù)院發(fā)布了《建設(shè)工程質(zhì)量管理條理》(中華人民共和國國務(wù)院第279 號令) ，實際上是貫徹實施基礎(chǔ)設(shè)施工程的“全壽命責任制”，其意義是重大而深遠的。國內(nèi)對于混凝土耐久性、鋼筋腐蝕危害的認識的提高，是促進鋼筋阻銹劑發(fā)展、擴大應用的動力。然而，市場開拓仍然是有難度的，因為鋼筋阻銹劑僅僅是鋼筋防腐蝕、提高耐久性的技術(shù)措施之一，是高性能混凝土的“附加措施”，不是單靠鋼筋阻銹劑就能夠解決一切問題。在國內(nèi)，包括技術(shù)、學術(shù)界對鋼筋阻銹劑的評價與定位、使用范圍與必要性等方面，尚有一個研討過程。此外，對其阻銹效能的試驗檢驗方法、有效年限等，也需要通過工程實例和時間的考驗。
另外應該注意的是，隨著鋼筋阻銹劑市場的發(fā)展，國內(nèi)外鋼筋阻銹劑的品種也將不斷增加，會出現(xiàn)“真?zhèn)坞y辨”的情況，會對市場的形成與發(fā)展帶來負面影響。
3 鋼筋阻銹劑的分類與作用原理
鋼筋阻銹劑是對鋼筋起作用的化學物質(zhì)，其較小的劑量就能達到阻止或減緩鋼筋銹蝕的目的。一些礦物摻合料(如硅灰) 等雖然也能提高對鋼筋的保護能力，但不屬于鋼筋阻銹劑范疇。
目前國際上對鋼筋阻銹劑還沒有統(tǒng)一的分類標準。其化學成分復雜，有無機型、有機型和混合型(由有機和無機化學物質(zhì)組成) ；按作用機理可劃分為陰極型、陽極型、混合型等。為了便于使用者區(qū)分，通常按使用方式和工程對象分為摻入型與滲透型兩大類。
3.1 摻入型(Darex Corrosion Inhibitor 簡稱DCI)
摻入型是研究開發(fā)早、技術(shù)比較成熟的阻銹劑種類，即將阻銹劑摻加到混凝土中使用，主要用于新建工程(也可用于修復工程) 。在美國、日本和原蘇聯(lián)等國，已經(jīng)有30 多年的應用歷史，我國也有20 多年大型工程應用歷史。雖然作用原理復雜并說法不盡一致，但“成膜理論”是主要論點。以亞硝酸鹽為例，它在鋼筋發(fā)生作用的表達式：
Fe+ + + OH- + NO-2 = NO +γFeOOH (1)
亞硝酸根(NO-2 ) 促使鐵離子(Fe+ +) 生成具有保護作用的鈍化膜(γFeOOH) 。當有氯鹽存在時，氯鹽離子(Cl- ) 的破壞作用與亞硝酸鈉的成膜修補作用競爭進行，當“修補”作用大于“破壞”作用時，鋼筋銹蝕便會停止。
目前世界上，摻入型阻銹劑的組成中，亞硝酸鹽占據(jù)重要地位。它屬于“陽極型”，為克服亞硝酸鹽的不利影響，還需要配合其他成分。美國、日本均開發(fā)了一批以亞硝酸鈣為主體，復合其他成分的鋼筋阻銹劑品種，稱作亞鈣基產(chǎn)品(Nitrite Based Inhibitor) 。如美國格雷斯(Grace) 公司的DCI - S產(chǎn)品，Axim 公司的Cataexcol1000CI 產(chǎn)品，俄羅斯的ACI 產(chǎn)品，日本近期的一些產(chǎn)品等。國內(nèi)原冶金建筑研究總院研制開發(fā)的RI - 1 產(chǎn)品，也基本屬于亞鈣復合型阻銹劑品種。
美國長期工程驗證和對比試驗表明，在相關(guān)鋼筋阻銹劑產(chǎn)品中，亞鈣基產(chǎn)品是效果最可靠的，相關(guān)應用規(guī)范也是以亞鈣基產(chǎn)品為基礎(chǔ)制訂的。我國《鋼筋阻銹劑使用技術(shù)規(guī)范》(YBPT 9231 - 98) 也是如此。
混凝土中摻入鋼筋阻銹劑能起到兩方面的作用：一方面推遲鋼筋開始生銹的時間；另一方面，減緩了鋼筋腐蝕發(fā)展的速度?；炷猎矫軐崳瑩接娩摻钭桎P劑后的效果就越好。使用得當將能期望達到設(shè)計年限的要求。
3.2 滲透型(Migrating Corrosion Inhibitor 簡稱MCI)
滲透型阻銹劑是近些年國外發(fā)展起來的新型阻銹劑類型，即將阻銹劑涂到混凝土表面，使其滲透到混凝土內(nèi)并到達鋼筋周圍。主要用于老工程的修復。該種阻銹劑已經(jīng)進入我國市場，我國也有單位在研制開發(fā)。該類阻銹劑的主要成分是有機物(脂肪酸、胺、醇、酯等) ，它們具有揮發(fā)、滲透的特點，能夠滲透到混凝土內(nèi)部；這些物質(zhì)可通過“吸附”、“成膜”等原理保護鋼筋，有些品種還具有使混凝土增加密實的功能。
當前，中國是世界建筑規(guī)模最宏大的國家(占世界水泥用量的55 %) ，而一些發(fā)達國家新建工程很少，目前主要是老工程的修復工作。國外勞務(wù)費高，“破損型”修復費用大，因此，非破損型修復得到重視和發(fā)展。于是，滲透型阻銹劑便應運而生。國外腐蝕監(jiān)控、檢測技術(shù)應用較普遍，當發(fā)現(xiàn)混凝土中鋼筋開始“脫鈍”，或氯離子濃度將達到“臨界值”的時候，在混凝土表面(非破壞) 涂刷滲透型阻銹劑，期望達到阻止、減緩鋼筋銹蝕的目的，同時也是省工、省力、節(jié)儉的方法。
如果鋼筋已經(jīng)嚴重破壞、混凝土開裂、剝落，此時“滲透型”方式的優(yōu)越性就難以突現(xiàn)了。修復時，在混凝土中摻入鋼筋阻銹劑更為適合。
滲透型阻銹劑的效能、檢驗方法、長期有效性等，仍是各國研究探討的課題，主要是在滲透深度、藥劑揮發(fā)與留存時間、作用檢驗指標等，還有一些不盡相同的認識，對不同品種、型號的產(chǎn)品，國外也存在不盡一致的評價結(jié)果。
4 相關(guān)規(guī)程、規(guī)范及RI - 1 系列鋼筋阻銹劑的工程應用
4.1 相關(guān)規(guī)程、規(guī)范
目前，世界上還沒有一致公認的鋼筋阻銹劑標準、規(guī)范。一些國家有產(chǎn)品標準，如日本的《混凝土用防腐劑》(JISA6025) 、美國的《混凝土阻蝕劑》(10 號Memorandum) 和《阻銹劑產(chǎn)品技術(shù)規(guī)定》(Grace 03315) ；一些國家有使用技術(shù)規(guī)定，如美國《亞鈣基阻銹劑使用規(guī)定》(EI 02 - 004) 和《阻蝕劑》(BDC99S - 021) 、我國《鋼筋阻銹劑使用技術(shù)規(guī)范》( YBPT 9231 -98) 。
大多數(shù)情況是在其他規(guī)程、規(guī)范中納入了鋼筋阻銹劑內(nèi)容，如美國混凝土學會編制的《金屬在混凝土中的腐蝕》(ACI222R - 1) 、公路聯(lián)合會編制的《鋼筋混凝土橋梁防腐蝕手冊》、《混凝土外加劑標準》(AASHTO M194) 、美國混凝土學會編制的《混凝土手冊》以及美國腐蝕工程師協(xié)會編制的《混凝土中鋼筋防腐蝕設(shè)計規(guī)范》等，均將鋼筋阻銹劑及其應用做出規(guī)定。
我國已將其納入的規(guī)范包括：《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計規(guī)范》(GB 50046 - 95) 、《海工混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》、《海工混凝土防腐蝕規(guī)范》(JTJ275 - 2000) 、《鹽漬土建筑規(guī)范》和《公路外加劑規(guī)范》等。最近出版的《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與施工指南》(中國工程院項目) 也把鋼筋阻銹劑作為防腐蝕措施的組成部分納入其中。
關(guān)于鋼筋阻銹劑的適用范圍，國外規(guī)定用于腐蝕環(huán)境(以氯鹽為主) 中的鋼筋混凝土、預應力混凝土、后張應力灌注砂漿等。我國相關(guān)規(guī)范( YBPT 9231 - 98) 對使用鋼筋阻銹劑的環(huán)境和條件作了如下規(guī)定：
1) 海洋環(huán)境：海水侵蝕區(qū)、潮汐區(qū)、浪濺區(qū)及海洋大氣區(qū)；
2) 使用海砂作為混凝土用砂，施工用水含氯鹽超出標準要求；
3) 采用化冰(雪) 鹽的鋼筋混凝土橋梁等；
4) 以氯鹽腐蝕為主的工業(yè)與民用建筑；
5) 已有鋼筋混凝土工程的修復；
6) 鹽漬土、鹽堿地工程；
7) 采用低堿度水泥或能降低混凝土堿度的摻合料；
8) 預埋件或鋼制品在混凝土中需要加強防護的場合。
總體說來，鋼筋阻銹劑已經(jīng)成為一項通用技術(shù)，但由于發(fā)展快、品種多、成分復雜等，國內(nèi)外檢驗方法、質(zhì)量控制及規(guī)程、規(guī)范的研究、編制等，仍然是一項艱巨的任務(wù)。
4.2 RI - 1 系列鋼筋阻銹的工程應用
RI - 1 系列鋼筋阻銹劑是國內(nèi)開發(fā)最早、工程應用最廣的產(chǎn)品，20 年來經(jīng)歷了坎坷的發(fā)展歷程，為國內(nèi)出現(xiàn)阻銹劑良好發(fā)展勢頭，起到一定帶動作用。RI - 1系列鋼筋阻銹劑已經(jīng)在數(shù)百個工程應用，并部分出口用于海外工程。以下是在海洋環(huán)境、北方撒鹽環(huán)境、西部鹽漬土環(huán)境中的典型工程應用實例。
1) 山東三島金礦工程：國家重點工程，始建于1985 年，大量混凝土使用了RI 阻銹劑。不僅解決了使用海砂、施工用水含鹽超標等現(xiàn)實問題，而且在海洋環(huán)境中，使用RI 鋼筋阻銹劑確實起到了十分良好的防護作用(20 年的實際考驗所證明) 。本工程也是我國首次大量使用海砂的建筑群體，證明使用鋼筋阻銹劑可以使海砂“變廢為寶”，為海砂資源的開發(fā)利用提供了成功先例。
2) 天津、青島、上海、寧波、廈門、深圳、湛江等沿海城市和地區(qū)的海工、水工及使用海砂(如寧波) 的民用建筑，都已經(jīng)或正在使用鋼筋阻銹劑。近期，廣東佛山高速公路橋、粵海鐵路樞紐立交橋橋梁、海南三亞等工程和建設(shè)中的青島海濱公路工程等，已經(jīng)或正在使用RI - 1C2 型鋼筋阻銹劑。
3) 北京地區(qū)的橋梁建設(shè)：四環(huán)、五環(huán)、六環(huán)以及北京外沿的高速公路中，數(shù)百座橋已經(jīng)和正在使用RI - 1C2 型鋼筋阻銹劑(以阻止或減緩化冰鹽的腐蝕危害) 。鑒于北京地區(qū)橋梁遭破壞的經(jīng)驗教訓(如西直門橋等) ，市政、公路部門的設(shè)計單位，參照國內(nèi)外規(guī)范的要求和規(guī)定對化冰鹽環(huán)境中的橋梁進行防護。
4) 南疆鐵路跨越鹽堿地的區(qū)段橋梁等均采用了鋼筋阻銹劑。是鐵路部門大量使用鋼筋阻銹劑的典型工程之一。
5) 杭州灣大橋是我國最大的跨海橋工程，該橋也使用RI - 1C2 型鋼筋阻銹劑。
6) 大量冶金、化工、醫(yī)藥、紡織工業(yè)廠房的修復工程以及部分海工、水工的修復工程等，均使用了RI - 103 型鋼筋阻銹劑。
7) 部分出口到非洲、中東地區(qū)，海工工程和使用海砂的工程也采用了RI - 1 系列鋼筋阻銹劑。
5 小 結(jié)
1) 當今世界，鋼筋腐蝕成為影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主導因素。以基礎(chǔ)設(shè)施為主體的大量結(jié)構(gòu)的破壞以及其修復工程，已造成巨大的經(jīng)濟損失。在眾多腐蝕因素中，氯鹽是引起大范圍鋼筋腐蝕破壞的最主要因素。我國存在著廣泛的氯鹽環(huán)境，特別是正在進行的大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，應更加強氯鹽腐蝕的防護工作。
2) 防止鋼筋銹蝕有多種措施。在任何情況下混凝土質(zhì)量都是最重要的，在高質(zhì)量混凝土的基礎(chǔ)上摻加鋼筋阻銹劑，被認為是長期保護鋼筋不發(fā)生腐蝕破壞、實現(xiàn)設(shè)計壽命的最簡單、最經(jīng)濟和效果良好的技術(shù)措施。國外已經(jīng)有30年使用鋼筋阻銹劑的經(jīng)驗，近些年來，鋼筋阻銹劑在國際上得到更迅速地發(fā)展。在國內(nèi)以RI - 1 為代表的鋼筋阻銹劑產(chǎn)品也已有近20 多年的應用實踐。隨著我國大規(guī)模建設(shè)和面對眾多老建筑物的修復工程，鋼筋阻銹劑作為提高結(jié)構(gòu)耐久性的有效措施之一，還將得到更大的發(fā)展。
3) 鋼筋阻銹劑只是提高混凝土耐久性的技術(shù)措施之一，仍有待發(fā)展和提高。目前國內(nèi)出現(xiàn)良好發(fā)展勢頭，但由于品種繁多、品質(zhì)不一，業(yè)界應該正確引導和培育良好的市場氛圍。工程應用者應該了解、分析國內(nèi)外發(fā)展應用情況及相關(guān)規(guī)程、規(guī)范的內(nèi)容，綜合考慮、合理選用，以使鋼筋阻銹劑正確發(fā)揮其效能。
參考文獻
1 Neal S Berke. Protection Against Chloride Induced Corrosion. Concrete International ，1988 (12)
2 NACE Standard RP0187 - 96 Design Considerations for Corrosion Control of Reinforcing Steel in Concrete
3 洪乃豐. 國外鋼筋阻銹劑概述. 工業(yè)建筑，1998 (11)
4 洪乃豐. 鋼筋混凝土橋梁防護與鋼筋阻銹劑. 公路，2002 (4)
5 洪乃豐. 基礎(chǔ)設(shè)施腐蝕防護和耐久性問與答. 北京：化學工業(yè)出版社. 2003.
6 陳肇元. 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與施工指南. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004
編輯：
監(jiān)督：0571-85871667
投稿：news@ccement.com
本文內(nèi)容為作者個人觀點，不代表水泥網(wǎng)立場。聯(lián)系電話：0571-85871513，郵箱：news@ccement.com。
