盧爾聰1,2 王小動1,2 陳自東1,2 張博婭1,2 陳新芳1,2 陳霄雷3 方 燾3
1. 中鐵十五局集團(tuán)有限公司 上海 200070
2. 中鐵十五局集團(tuán)第五工程有限公司 河南 洛陽 471002
3. 華東交通大學(xué) 江西 南昌 330013
摘要：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)因具有堅固、耐久性強(qiáng)、防火性好、成本低等特點，在國內(nèi)外土木工程中得到了廣泛的應(yīng)用。但鋼筋混凝土在長期服役的過程中普遍出現(xiàn)了混凝土碳化和鋼筋銹蝕等病害，導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性下降，建筑結(jié)構(gòu)的安全性得不到保障。本文對近年來國內(nèi)外鋼筋腐蝕形態(tài)及防護(hù)方法進(jìn)行了綜合性分析，總結(jié)了鋼筋腐蝕中氯離子腐蝕和碳化腐蝕的機(jī)理，對目前防鋼筋腐蝕領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)性闡述，為今后鋼筋混凝土防腐蝕研究提供參考和建議。
關(guān)鍵詞：鋼筋腐蝕；腐蝕形態(tài)；腐蝕機(jī)理；緩蝕劑；防腐涂料
引言
腐蝕會導(dǎo)致鐵路、橋梁、鉆井平臺等鋼筋結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生銹蝕，造成構(gòu)件強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性能下降，在反復(fù)荷載作用下發(fā)生腐蝕疲勞破壞，影響結(jié)構(gòu)的極限承載能力和整體穩(wěn)定性，對結(jié)構(gòu)的正常使用和安全造成危害，大幅縮短結(jié)構(gòu)的服役期限[1]。據(jù)統(tǒng)計，全世界每年有近年產(chǎn)量30%的鋼鐵設(shè)備被腐蝕廢棄，對自然資源造成極大的浪費，并且全世界每90 s就有1 t的鋼鐵銹蝕，而制造1 t鋼鐵所需的能源足夠讓一個家庭使用3個月[2]。我國的工程建筑也經(jīng)常因為鋼筋的腐蝕對結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生破壞，影響人民的生活和安全，并且造成巨大的財產(chǎn)經(jīng)濟(jì)損失。2001年11月，四川宜賓南門大橋由于腐蝕問題導(dǎo)致斷裂；2019年10月，臺灣宜蘭南方澳跨海大橋因鋼筋結(jié)構(gòu)受到腐蝕，發(fā)生坍塌事故[3]。調(diào)查表明[4]，在2014年，我國因腐蝕造成的損失達(dá)到21278.2億元，占國民生產(chǎn)總值的3.34%。
雖然國內(nèi)外學(xué)者運用不同方法、控制不同變量研究鋼筋混凝土的銹蝕及防護(hù)方法，但并沒有形成一個確切的標(biāo)準(zhǔn)，并且鋼筋的種類和鋼筋混凝土所處環(huán)境條件的差異會導(dǎo)致鋼筋混凝土的防護(hù)方式存在許多變數(shù)。本文針對鋼筋混凝土的兩種主要銹蝕因素及防護(hù)方法進(jìn)行總結(jié)分析，以期為今后鋼筋混凝土防腐蝕的研究提供參考和建議。
1 鋼筋腐蝕
廣義上的腐蝕是指材料受周圍環(huán)境影響發(fā)生破壞或者變質(zhì)，而對鋼筋腐蝕來說，則是指鋼筋在周圍環(huán)境作用下發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，引發(fā)材料構(gòu)件出現(xiàn)損耗與破壞的過程。鋼筋腐蝕是復(fù)雜的電化學(xué)腐蝕過程，主要發(fā)生在鋼筋與混凝土界面上，可分為陽極區(qū)與陰極區(qū)，在堿性或中性環(huán)境下分別發(fā)生鐵的氧化反應(yīng)和溶解O2的氧化還原反應(yīng)，其中，陰極區(qū)會生成OH-并通過混凝土孔溶液與Fe2+反應(yīng)，生成腐蝕物質(zhì)如Fe3O4和Fe2O3等[5]。
1.1 影響鋼筋腐蝕的因素
1.1.1 氯離子侵蝕
根據(jù)來源不同，混凝土中的氯離子分為摻入型和滲入型[6]。摻入型氯離子是指因原材料或摻合料中含有氯離子，導(dǎo)致混凝土中存在氯離子；滲入型氯離子是氯離子侵蝕的主要形式，其是指在一些特定的環(huán)境中存在氯離子，并侵入混凝土中。根據(jù)氯離子存在形態(tài)不同，混凝土中氯離子可分為自由氯離子和結(jié)合氯離子[7]。自由氯離子是不與其他物質(zhì)反應(yīng)而存在混凝土中的氯離子，結(jié)合氯離子是氯離子與某些水化物結(jié)合形成的。蔣林華等[8]將自由氯離子質(zhì)量占水泥質(zhì)量的百分比作為臨界氯離子濃度。FERREIRA R M[9]發(fā)現(xiàn)海洋環(huán)境中臨界氯離子濃度在0.4%～1%時有可能造成鋼筋腐蝕，濃度在1%～2%時發(fā)生鋼筋腐蝕概率較大，而臨界氯離子濃度在2%以上時一定會出現(xiàn)鋼筋腐蝕現(xiàn)象。
氯離子侵蝕是造成鋼筋腐蝕的主要因素，而氯離子造成的銹蝕屬于局部銹蝕，以點蝕為主，其破壞產(chǎn)生時間短，破壞程度嚴(yán)重[10]，如圖1（a）所示。氯離子會造成鋼筋鈍化膜破壞的機(jī)制主要是滲透、毛細(xì)管吸附、電化學(xué)遷移和擴(kuò)散這四個途徑。滲透是指在壓力作用下，氯離子通過水在混凝土中遷移的過程；毛細(xì)管吸附是在濕度梯度影響下，氯離子通過水的運輸進(jìn)入混凝土內(nèi)部；電化學(xué)遷移是氯離子在電場作用下，通過電解質(zhì)溶 液運輸?shù)倪^程；擴(kuò)散主要發(fā)生在海洋環(huán)境浪濺區(qū)和潮汐區(qū)下，混凝土表面與海水接觸后，海水被蒸發(fā)只留下氯鹽在混凝土表面不斷向內(nèi)部擴(kuò)散[11]。鈍化膜在混凝 土的堿性環(huán)境中形成，且pH值對鈍化膜的影響顯著，其中，pH值為11.5是臨界點，低于該臨界點，鈍化膜表現(xiàn)不穩(wěn)定；當(dāng)pH值為9.8時，鈍化膜逐漸被破壞，鋼筋發(fā)生銹蝕現(xiàn)象[12]。
1.1.2 鋼筋碳化
因鋼筋碳化產(chǎn)生的銹蝕屬于均勻銹蝕，相較于氯離子侵蝕發(fā)生的腐蝕，其破壞時間更長，并且破壞程度較氯離子侵蝕危害更小[10]，如圖1（b）所示。鋼筋碳化會導(dǎo)致混凝土的堿性環(huán)境趨于中性，使鋼筋鈍化膜溶解，失去對鋼筋的保護(hù)，致使鋼筋出現(xiàn)銹蝕[13]。鋼筋碳化主 要是混凝土的高堿性溶液與空氣的CO2發(fā)生反應(yīng)，從而降低溶液的堿性，并且碳化還會和固相水化產(chǎn)物（CH、C-S-H等物質(zhì)）反應(yīng)，對鋼筋的電穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。鋼筋碳化時，CO2通過混凝土孔隙進(jìn)入內(nèi)部并溶解于孔溶液中，產(chǎn)生碳酸，電離出H+、HCO3-、CO32-，這些離子與Ca(OH)2等物質(zhì)反應(yīng)導(dǎo)致生成碳酸鈣、C-S-H凝膠脫鈣，使混凝土的pH值降低[14]。
影響鋼筋碳化的因素有許多，其中，材料特性及環(huán)境因素是關(guān)鍵。材料特性包括固相水化產(chǎn)物（CH、C-S-H 等物質(zhì)）、外加劑、水灰比、養(yǎng)護(hù)方式、混凝土保護(hù)層厚度等，環(huán)境因素有相對濕度、外界溫度、CO2濃度等。彭建新等[15]研究了氣候變化對鋼筋混凝土碳化的影響，為計算使用時長下混凝土碳化深度和碳化腐蝕的概率，提出了一種同時考慮不同CO2排放、空間變異性、偶然及認(rèn)知不確定性的混凝土碳化腐蝕評估方法，結(jié)果表明，隨著水灰比的增大，混凝土的碳化深度不斷提高，并證明在概率分析中，空間變異性、偶然和認(rèn)知不確定性是不可忽略的因素。張鑫等[16]采用概率法研究了混凝土保護(hù)層厚度對碳化壽命的影響，結(jié)果表明，增加混凝土的保護(hù)層厚度能改善混凝土的耐久性，在耐久年限為50年時，混凝土的保護(hù)層厚度不小于36.7 mm。周書夙等[17]采用電化學(xué)交流阻抗譜、極化曲線分析了檸檬酸和水玻璃對硫氧鎂水泥抗鋼筋腐蝕行為的影響，結(jié)果表明，在碳化作用下，檸檬酸能降低硫氧鎂水泥的鈍化和脫鈍鋼筋的銹蝕速率、銹蝕程度；水玻璃對硫氧鎂水泥的鈍化效果沒有顯著影響。彭建新等[18]結(jié)合碳化深度預(yù)測模型與大氣CO2濃度數(shù)據(jù)，研究了CO2濃度規(guī)律以及對鋼筋混凝土碳化行為的影響，結(jié)果表明，在最高CO2排放策略下的開始腐蝕概率比其在最好CO2排放策略下高720%。
1.2 鋼筋腐蝕破壞的機(jī)理
根據(jù)鋼筋腐蝕的機(jī)理分為電化學(xué)腐蝕和化學(xué)腐蝕。在自然環(huán)境中，發(fā)生的大多數(shù)腐蝕都是電化學(xué)腐蝕，因為只要組成環(huán)境的介質(zhì)中有凝聚態(tài)的水就會進(jìn)行電化學(xué)腐蝕[19]。電化學(xué)腐蝕是鋼筋與電解質(zhì)溶液接觸發(fā)生純化學(xué)作用產(chǎn)生鋼筋腐蝕的現(xiàn)象，在發(fā)生電化學(xué)腐蝕的環(huán)境中，因引起鋼筋腐蝕的有氧分子和氫離子，使其細(xì)分為析氫腐蝕和吸氧腐蝕?；瘜W(xué)腐蝕則是金屬材料與非電解質(zhì)溶液接觸發(fā)生純化學(xué)作用產(chǎn)生鋼筋腐蝕的現(xiàn)象，例如在高溫條件下，鋼鐵表面與氧化氣體作用，生成氧化鐵及脫碳的腐蝕就是化學(xué)腐蝕[20]。
通常情況下，在鋼筋混凝土中，由于鋼筋所處的高堿性環(huán)境導(dǎo)致鋼筋表面會產(chǎn)生一層10 nm左右的氧化物鈍化膜，使鋼筋不受侵蝕。關(guān)于鈍化膜是如何構(gòu)成的，學(xué)術(shù)界有兩種觀點，一種是由KRUGER J[21]提出的，他認(rèn)為鈍化膜是由Fe3O4和Fe2O3構(gòu)成的；另一種觀點是由MANCIO M等[22]提出的，他們研究認(rèn)為鈍化膜分為兩部分，內(nèi)部組成是Cr(OH)3，外部由Fe3O4及FeOOH等成分構(gòu)成。但在鋼筋服役過程中，鋼筋鈍化膜會受外界因素影響，逐漸破壞。目前對鋼筋鈍化膜的破壞機(jī)理還沒有準(zhǔn)確的結(jié)論，但有三個主要的理論假設(shè)，分別為吸附理論、動態(tài)平衡理論和膜破裂理論。
吸附理論是由AGAR J N[23]提出來的，他認(rèn)為在鈍化膜上吸附著對鈍化膜有害的陰離子，有害陰離子之間發(fā)生相互排斥反應(yīng)，降低了鈍化膜的表面張力，當(dāng)表面張力降低到一定程度時，鈍化膜破裂。EVANS U R[24]提出了動態(tài)平衡理論，他認(rèn)為鈍化膜一直處于一個動態(tài)平衡的狀態(tài)，鈍化膜的破裂速度和愈合速度是一樣的，當(dāng)存在侵蝕性陰離子時，鈍化膜會破裂；沒有侵蝕性陰離子時，鈍化膜會快速愈合。BURSTEIN G T等[25]認(rèn)為是Cl-或O2-向膜—金屬界面遷移，導(dǎo)致鈍化膜下方形成質(zhì)量過大的氧化物或氯鹽，導(dǎo)致鋼筋鈍化膜破裂。
2 鋼筋防腐蝕的一般方法及其特點
為降低鋼筋腐蝕帶來的損失，防止安全事故的發(fā)生，對鋼筋表面采取一定的保護(hù)措施是非常有必要的，目前常用的防護(hù)方法主要有鋼筋電鍍、改善環(huán)境、添加緩蝕劑和使用防腐涂料等。本文主要研究緩蝕劑和防腐涂料兩種防腐蝕方式。
2.1 緩蝕劑在鋼筋防腐中的應(yīng)用
緩蝕劑是在金屬表面起到腐蝕防護(hù)作用，防止或減緩金屬在腐蝕環(huán)境中銹蝕的一種化學(xué)物質(zhì)或復(fù)合物，以適當(dāng)?shù)臐舛群托问酱嬖谟诮饘僦車沫h(huán)境介質(zhì)里，具有適用范圍廣、使用方便、添加量少、見效快和成本低等特點。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石油、化工、鋼鐵、運輸、新能源等領(lǐng)域，取得了良好的防腐效果，已成為非常重要的 金屬抗腐蝕措施[26]。
2.1.1 緩蝕劑的緩蝕機(jī)理
緩蝕劑種類多樣，難以用單一的理論解釋不同緩蝕劑在鋼筋腐蝕和緩蝕過程中的作用機(jī)理，以下是主要的幾種作用機(jī)理：
（1）電化學(xué)理論。該理論認(rèn)為緩蝕劑抑制金屬腐蝕是通過增加腐蝕的陽極過程或陰極過程的阻力，通?？梢苑譃殛帢O抑制型緩蝕劑和陽極抑制型緩蝕劑。陰極型緩蝕劑又稱安全緩蝕劑[27]，是通過抑制陰極的反應(yīng)，使陰極極化曲線斜率增大，進(jìn)而抑制金屬的腐蝕，如磷酸鋅、聚磷酸鹽等。陽極型緩蝕劑也被稱為危險緩蝕劑[28]，是通過在金屬表面形成一層致密的氧化膜抑制陽極的反應(yīng)，使陽極極化曲線斜率變大，進(jìn)而抑制金屬的腐蝕，如硅酸鹽、鉻酸鹽、正磷酸鹽等。當(dāng)緩蝕劑用量過少時，金屬表面形成的氧化膜會不完整，進(jìn)而加快活性溶解，或者造成穿孔、點蝕現(xiàn)象。
（2）吸附理論[29]。該理論認(rèn)為緩蝕劑的分子或離子通過物理作用或化學(xué)作用吸附在金屬表面形成吸附保護(hù)膜，減少金屬表面與腐蝕介質(zhì)的接觸，進(jìn)而延緩金屬的腐蝕。物理作用吸附是指緩蝕劑的分子或離子因為分子間作用力和靜電引力吸附在金屬表面，化學(xué)作用吸附是指緩蝕劑與金屬表面發(fā)生反應(yīng)形成配位鍵吸附在金屬表面。
2.1.2 緩蝕劑防鋼筋腐蝕研究
在各種防腐蝕方式中，添加緩蝕劑是最有效的方式之一，具有操作簡單、價格低、使用量少等優(yōu)點，并且緩蝕劑對環(huán)境無污染，是可降解的物質(zhì)，已成為首選目標(biāo)[30]。因此國內(nèi)外學(xué)者對緩蝕劑的研究也愈加深入。何靜等[31]通過失重實驗、電化學(xué)抗阻譜研究了水溶性緩蝕劑對建筑管道Q235鋼腐蝕的影響，結(jié)果表明，隨著緩蝕劑濃度的增加，鋼的耐腐蝕性越好，并在水溶性緩蝕劑濃度為25 mg/L時達(dá)到最大值。徐帆等[32]選用硫代羰基咪唑作為有機(jī)緩蝕劑，通過失重實驗、電化學(xué)實驗、吸附等溫方程和量子化學(xué)計算分析其對碳鋼腐蝕行為的影響，結(jié)果表明，硫代羰基咪唑的緩蝕性能顯著，在強(qiáng)酸下的極性吸附作用提升了緩蝕效果。李永娟等[33]為開發(fā)綠色緩蝕劑制備了長春花提取物（CR-E），研究其在0.5 mol/L的H2SO4溶液中對Q235碳鋼的緩蝕性能及緩蝕機(jī)理，結(jié)果表明，CR-E緩蝕劑能減少Q(mào)235碳鋼在腐蝕溶液中鐵的溶解，抑制腐蝕過程，可作為候選綠色緩蝕劑。仇莉等[34]通過失重試驗、電化學(xué)試驗及微觀分析研究了椰油酸二乙醇酰胺（CDEA）在三氯乙酸溶液中對冷軋鋼的腐蝕性的影響，結(jié)果表明，CDEA在三氯乙酸溶液中能顯著抑制腐蝕進(jìn)程，是一種通過“幾何覆蓋效應(yīng)”作用的混合抑制型緩蝕劑。陽清正等[35]制備了雙子型咪唑啉季銨鹽緩蝕劑，研究了緩蝕劑的緩蝕性能和腐蝕機(jī)理，并對緩蝕劑和腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行了表征，結(jié)果表明，雙子型咪唑啉季銨鹽緩蝕劑屬于混合抑制型緩蝕劑，該緩蝕劑能在N80碳鋼表面形成吸附膜以減緩腐蝕，當(dāng)濃度為100 mg/L時，緩蝕率達(dá)90.74%。肖灑等[36]研究了溫度、H2S分壓、流速對L80鋼的腐蝕影響，并分析了緩蝕劑LH-11的抗腐蝕性能，結(jié)果表明，緩蝕劑LH-11可降低L80鋼的腐蝕效率至0.1 mm/a，緩蝕率達(dá)到87.05%，耐溫180 ℃。韓瞳等[37]基于分子模擬計算制備了三種緩蝕劑SDH-1、SDH-2和SDH-3，采用電化學(xué)實驗和靜態(tài)失重法研究了在30 ℃、1 mol/L鹽酸的環(huán)境下緩蝕劑對P110鋼的腐蝕性為，結(jié)果表明，SDH-1、SDH-2和SDH-3的緩蝕率分別為90.33%、75.64%和92.71%，其中，SDH-2由于緩蝕劑水相體系穩(wěn)定性低于理論預(yù)期導(dǎo)致效果不理想，而SDH-3在強(qiáng)酸作用下提升了緩蝕劑的作用效果。圖2和圖3分別為靜態(tài)失重試驗裝置和電化學(xué)測試樣品封裝示意圖。
2.2 防腐涂料在防腐中的應(yīng)用
防腐涂料保護(hù)法是在金屬表面涂覆一層無機(jī)或有機(jī)的物質(zhì)形成有效的保護(hù)膜，是目前最為常見的保護(hù)方法。防腐涂料主要包括達(dá)克羅涂料、油性防腐涂料和水性防腐涂料等，其中，達(dá)克羅涂料和油性防腐涂料因為對生態(tài)環(huán)境不夠友好以及不利于人的健康安全，所以其推廣和使用受到了一定的影響；水性防腐涂料以水作為分散劑和溶劑，生產(chǎn)過程無有害物質(zhì)揮發(fā)，整個工藝過程基本上對環(huán)境無污染，因而得到了發(fā)展及廣泛的應(yīng)用。 此外，防腐涂料具有施工方便、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點，也促進(jìn)了其在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。目前常用于鋼筋腐蝕的水性防腐涂料主要有水性環(huán)氧樹脂涂料、水性無機(jī)富鋅涂料、氟碳涂料、聚脲涂料等[38]。
2.2.1 水性環(huán)氧涂料
水性環(huán)氧防腐涂料是以一定比例的親水性胺類固化劑和疏水性環(huán)氧樹脂混合而成的雙組分防腐涂料，其性能主要由環(huán)氧樹脂與胺類固化劑的比例以及環(huán)氧樹脂的乳化程度決定[39]。環(huán)氧樹脂具有高硬度、高附著力等優(yōu)點，以及優(yōu)秀的耐溶劑性、耐腐蝕性、耐化學(xué)品性。自20世紀(jì)60年代以來，國外學(xué)者已開始對環(huán)氧樹脂的水化性進(jìn)行研究，環(huán)氧樹脂的水化性從一開始的外加乳化劑發(fā)展到了自行乳化和水稀釋型，不僅克服了之前存在的一些缺點，而且還延長了水性環(huán)氧的使用周期，完善了水性環(huán)氧涂料的耐水性。
目前對水性環(huán)氧涂料的研究愈加深入，劉雷等[40]制備了硅化苯胺三聚體（SAT），使用SAT修飾納米SiO2制得SAT-SiO2復(fù)合材料用于改性水性環(huán)氧涂料，通過對改性水性環(huán)氧涂料結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，結(jié)果表明，適量SAT-SiO2的添加可以增強(qiáng)環(huán)氧涂層的耐腐蝕性和機(jī)械性能。劉巧賓等[41]在水性環(huán)氧樹脂乳液EP203中添加石墨烯漿料，制備石墨烯-環(huán)氧復(fù)合防腐涂料，通過耐鹽霧試驗、電化學(xué)檢測、力學(xué)性能檢測等試驗，研究了石墨烯漿料摻量對水性環(huán)氧樹脂防腐性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)石墨烯漿料摻量為0.9%時，其耐腐蝕性能最佳，涂層附著力好。朱科等[42]制備了氧化石墨烯-水性環(huán)氧樹脂固化劑（TGO-WPEA），并將其與環(huán)氧樹脂乳液復(fù)合制得氧 化石墨烯改性水性環(huán)氧樹脂防腐涂料（TGO-EP），采用FTIR、XPS和XRD對材料進(jìn)行表征，通過電化學(xué)測試和鹽霧實驗對其防腐性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明，TGO-EP復(fù)合涂料具備較好的分散穩(wěn)定性，良好的防腐性能。易盼等[43]研究了高導(dǎo)熱物質(zhì)與水性環(huán)氧富鋅涂料防腐性能的關(guān)系，通過3D激光顯微鏡對試樣進(jìn)行表征，采用鹽霧試驗分析了防護(hù)性能，結(jié)果表明，適量高導(dǎo)熱物質(zhì)可以提高涂料的耐蝕性和防腐性能。王雷等[44]研究了各助劑、防銹顏料和抗閃銹劑對水性環(huán)氧涂料性能的影響，結(jié)果表明，添加8%的磷酸鋅和2%的鉬酸鋅復(fù)配而成的防銹顏料以及0.9%的防閃銹劑ZT-706會使水性環(huán)氧涂料具有優(yōu)異的耐水、耐介質(zhì)和耐鹽霧性，且不出現(xiàn)閃銹和基材附著力強(qiáng)等優(yōu)點。
2.2.2 水性無機(jī)富鋅涂料
水性無機(jī)富鋅防腐涂料是以硅酸鹽、磷酸鹽、重鉛酸鹽等無機(jī)聚合物作為基料，球狀或片狀鋅粉為顏填料，添加一些涂料助劑制備而成的一種雙組分涂料，主要用作保護(hù)鋼鐵的底漆。其防腐蝕機(jī)理可以分為以下四部分[45]：
（1）腐蝕介質(zhì)中的陰離子與溶解出來的鋅離子結(jié)合形成鋅鹽及鋅的絡(luò)合物，生成極難溶解的穩(wěn)定化合物沉積在涂層表面以及涂層的空隙中，使涂膜之間緊密地結(jié)合起來，阻礙鋼鐵表面與水、氧以及其他腐蝕介質(zhì)的進(jìn)一步接觸，使涂層對腐蝕介質(zhì)起到物理屏蔽作用。
（2）鋅粉顏料對鋼鐵的電化學(xué)保護(hù)作用。當(dāng)外界環(huán)境存在電化學(xué)腐蝕的條件時，鋅和鐵能夠形成以鋅為陽極，鋼鐵為陰極的電池。在這種狀態(tài)下，金屬鋅作為陽極首先被腐蝕，而鐵作為陰極受到了保護(hù)。
（3）涂層在使用過程中不可避免地會出現(xiàn)機(jī)械損傷或破壞導(dǎo)致的裂紋，當(dāng)水性無機(jī)富鋅涂層出現(xiàn)表面破損時，防蝕電流會流向裸露出來的鋼鐵表面，生成鋅的腐蝕產(chǎn)物沉積在鋼鐵表面起到保護(hù)作用。
（4）涂層對鋼鐵有良好的鈍化作用，涂料成膜時會有水分的蒸發(fā)，涂層的pH值也隨之發(fā)生變化。硅酸鹽溶液呈強(qiáng)堿性，強(qiáng)堿在高溫環(huán)境下可以起到強(qiáng)氧化劑的作用，在鋼鐵表面生成鈍化膜。
水性無機(jī)富鋅防腐涂料與有機(jī)富鋅涂料相比有很多優(yōu)點，比如在耐高溫、耐酸堿性、耐蝕性、耐水性等方面有很大的優(yōu)勢，其應(yīng)用和發(fā)展前景廣闊，目前已在工業(yè)生產(chǎn)、海洋等行業(yè)成功應(yīng)用，比如海上鋼結(jié)構(gòu)的橋梁、采油平臺、信號塔、橋梁建筑等金屬構(gòu)件防腐工程[46]。影響無機(jī)富鋅防腐涂層耐蝕性能的因素很多，其中，涂層 基料的模數(shù)問題、防腐過程中的涂層缺陷問題以及涂層對鋼鐵的附著力是影響涂層防腐作用效果比較重要的三個因素。王石青等[47]研究了模數(shù)對無機(jī)富鋅涂層電化學(xué)行為的影響，利用交流阻抗和電路擬合技術(shù)系統(tǒng)分析了不同模數(shù)涂層的電化學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)提高硅酸鹽溶液的模數(shù)，可以提高涂層固化后的硬度、附著力，當(dāng)模數(shù)為6.0 時，涂層具有最佳防腐性能。裴嵩峰等[48]研究了模數(shù)對無機(jī)富鋅涂料和涂層性能的影響，發(fā)現(xiàn)模數(shù)的提高可以增強(qiáng)涂層的耐水能力，模數(shù)為5.0的涂層具有最佳附著力及耐磨、耐鹽水性能。DIN R U等[49]利用極化曲線，電化學(xué)阻抗譜技術(shù)及中性鹽霧試驗研究了不同模數(shù)的基料對HDG鋼的防護(hù)性能，結(jié)果表明，模數(shù)為3.5時，對碳鋼 具有最佳防護(hù)性能。魏向陽等[50]在常見的水性無機(jī)富鋅涂料中添加了有機(jī)成膜基料和緩蝕性材料，改善了一般水性無機(jī)富鋅涂料受施工環(huán)境影響較大的缺點，提高了涂膜的附著力、致密性、抗老化性和抗滑移性。謝炎坤等[51]為解決硅丙乳液在硅酸鉀溶液中的均勻分散性差問題，采用四甲基氫氧化銨對硅丙乳液催化水解，把適度水解后的硅丙乳液加入硅酸鉀溶液中，制得一種改性后的水性無機(jī)硅酸鉀富鋅涂料，結(jié)果表明，改性后的涂料物理性能和耐蝕性能優(yōu)異。CHENG L等[52]發(fā)現(xiàn)把石墨烯加入水性無機(jī)富鋅涂料中，可以大幅度降低鋅粉的腐蝕速率，延長鋅粉在涂層中的陰極保護(hù)作用，進(jìn)而提高涂層的耐蝕性能。趙旭等[53]以玻璃鱗片和云母氧化鐵為顏料分別制得水性無機(jī)硅酸鹽涂料，通過對涂層附著力、鉛筆硬度、耐沖擊性及交流阻抗的測試，得出了玻璃鱗片為顏料的涂層的防腐效果優(yōu)于云母氧化鐵為顏料的涂層，且玻璃鱗片為顏料的涂層的防腐能力隨著玻璃鱗片含量的增多而增大的結(jié)論。溫靜等[54]在水性無機(jī)硅酸鋅涂料用磷鐵粉、高嶺土和膨潤土代替了部分鋅粉含量，研究發(fā)現(xiàn)，替換了部分鋅粉顏料的涂層不僅具有良好的耐腐蝕性，其抗腐蝕介質(zhì)滲透的能力也得到了提高，相比純鋅粉顏料涂層，降低了近30%的成本；而片狀鋅粉在無機(jī)富鋅涂料中易發(fā)生沉降。李三喜等[55]在涂料加入了有機(jī)改性后的蒙脫石作為抗沉劑，結(jié)果表明，其抗沉降效果明顯，鋅粉在硅酸鹽基料中分布更加均勻，涂層的附著力、細(xì)度、柔韌性和耐蝕性能得到了明顯的提升。
總結(jié)與展望
鋼筋混凝土中的鋼筋銹蝕已成為非常普遍的現(xiàn)象，是影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物耐久性的主要原因之一，因此，研究鋼筋銹蝕破壞機(jī)理以及防腐蝕方法有助于解決鋼筋混凝土在使用年限尚未到來之前耐久性失效的問題。本文對鋼筋腐蝕的主要原因及其防腐蝕方法進(jìn)行了分析和闡述，對未來鋼筋銹蝕及其防護(hù)方法的發(fā)展方向進(jìn)行以下總結(jié)：
（1）鋼筋腐蝕根據(jù)腐蝕方式的不同，其導(dǎo)致腐蝕的機(jī)理、破壞形式也有所差異，主要的破壞形式有氯離子腐蝕和碳化腐蝕。目前鋼筋腐蝕的最主要原因是鋼筋表面的鈍化膜受到破壞，然而對鈍化膜破壞的原因?qū)W術(shù)界有多種觀點，其中，最受認(rèn)可的是吸附理論。
（2）目前關(guān)于緩蝕劑的研究主要集中在常溫條件下通過添加不同種類的緩蝕劑，測試其對鋼材腐蝕行為的影響。然而，現(xiàn)有研究缺乏對復(fù)雜環(huán)境條件因素的考慮，并且由于使用不同種類的鋼材，無法得出通用的結(jié)論。因此，在未來的研究中，應(yīng)重點關(guān)注緩蝕劑的效率問題，而不是只集中在制備方面開展研究。
（3）防腐涂層作為最常用的防腐蝕方法，具備施工方便和適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點。目前，國內(nèi)外學(xué)者的研究重點正在從物理阻隔的被動防腐轉(zhuǎn)向主動防腐和被動防腐相結(jié)合的方向，但有關(guān)提高防腐涂層耐蝕性能和延長使用壽命的相關(guān)研究還相對較少。因此，如何進(jìn)一步提高防腐涂層的使用年限是一個值得進(jìn)行深入研究的問題。今后，學(xué)術(shù)界和業(yè)界可以探索提高防腐涂層的方法，增強(qiáng)防腐涂層的耐蝕性能，并延長其使用壽命，為實際應(yīng)用帶來更大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。
參考文獻(xiàn)
