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1、第六章 阻锈剂,前言,混凝土是全世界各类结构工程建设的首选建筑材料，其耐久性直接决定了建筑物的安全使用寿命。在混凝土工程中，以耐久性为设计目标的设计思想已经得到广大工程设计人员的普遍认可。目前，混凝土因耐久性不良而造成的结构破坏远远多于因承载力不足造成的破坏，混凝土耐久性已成了当今世界的重大问题。,前言,著名专家梅塔教授（P.K.Mehta）总结世界50年混凝土耐久性状况时，认为钢筋腐蚀是影响耐久性的第一因素，世界范围内大量实践证明，氯盐是引起钢筋锈蚀的“元凶”钢筋腐蚀是造成结构破坏和带来巨大经济损失的“罪魁祸首”，而“盐害”则是钢筋腐蚀的首要“杀手”,除了限制、改造氯盐环境外，防护措施可归纳
2、为两大类,高质量、高性能混凝土,混凝土外涂层、特种钢筋（如环氧涂层钢筋、不锈钢钢筋等）、阴极保护及钢筋阻锈剂,Back to school,其一是提高混凝土自身的防护能力,其二被称作“附加措施”,主要内容,1、阻锈剂的定义,混凝土阻锈剂定义为：在钢筋与混凝土组成的材料体系中，加入少量能阻止或减缓钢筋腐蚀的，对混凝土的其他性能无不良影响的化学物质阻锈剂的定义强调的是对钢筋起作用的化学物质，一些能改善混凝土对钢筋防护性能的矿物添加料如硅灰虽也能够改善对钢筋的保护能力，但不能称作为钢筋阻锈剂。钢筋阻锈剂主要是通过化学、电化学作用来改善和提高钢筋的防腐蚀能力,2、钢筋锈蚀机理,钢筋不是单一的金属铁，其
3、中含有碳、硅、锰等各种合金元素和杂质。当钢筋处在介质中，其各组成元素与杂质间电极电位不同，存在着电位差，即在钢筋表面形成许许多多的微电池。一旦具备了腐蚀条件，锈蚀便会发生和发展，因此钢筋的腐蚀过程是一个电化学反应过程。,一般情况下，混凝土孔隙中的水分以饱和的氢氧化钙溶液形式存在。在这样的强碱性的环境中以及钢筋使用前要经过“钝化”处理（即在钢筋表面形成几百“纳米”厚的致密的氧化物膜-Fe2O3），因此，在混凝土严密的包裹之下钢筋不容易发生锈蚀。但是，当混凝土中碱度降低或受到有害物质的侵蚀（如钢筋表面的氯盐浓度高于某一临界值）时，钢筋表面的氧化膜收到破坏，呈活化态的钢筋表面开始进行腐蚀反应。,腐蚀
4、反应包括阳极发生的铁电离反应和阴极发生的溶解态氧的还原反应，其反应式如下： 阳极反应：Fe 2e Fe2+ 阴极反应：O2 + 2H2O + 4e 4OH-,腐蚀过程在钢筋表面析出氢氧化亚铁，该化合物被溶解氧化后生成氢氧化铁Fe(OH)3,并进一步生成红锈（nFe2O3mH2O）,一部分氧化不完全的变成黑锈（Fe3O4）。因相同摩尔质量的铁锈较铁体积增大2.56倍，铁锈生成对周围混凝土产生压力，是混凝土顺钢筋方向发生开裂，并有Fe(OH)33H2O胶体渗出，甚至出现混凝土大块剥落从而导致结构破坏。,当钢筋混凝土结构处于海洋环境中，环境中的氯离子会渗入混凝土，氯离子的存在使钢筋的锈蚀过程大大加速
5、，起到类似催化作用。当氯离子达到钢筋表面并吸附于局部钝化膜处时，会形成酸区从而破坏钝化膜。氯离子对钢筋表面钝化膜的破坏首先发生在局部，使这些部位露出了铁基体，与尚完好的钝化膜区域间构成电位差，形成腐蚀电池。,腐蚀电池作用的结果使钢筋表面产生点蚀或称坑蚀，由于大阴极（钝化膜区）对应于小阳极（钝化膜的破坏点），点蚀发展十分迅速。这就是处于海洋环境中钢筋混凝土结构极易受到破坏的主导原因，也是氯离子对钢筋腐蚀的主要机理。,为了防止Cl-对钢筋锈蚀的发生，应尽量减少混凝土中Cl-含量，为此我国有如下规定：1.预应力混凝土Cl-含量0.06%（占水泥质量）2.普通混凝土Cl-含量1.10%（占水泥质量）3
6、.一般外加剂中不得使用氯盐氯盐型防冻剂：当氯盐掺量为水泥质量的0.5%1.5%时，应加入亚硝酸钠阻锈剂，亚硝酸钠与氯盐之比应大于1；当氯盐掺量为水泥质量的1.5%3%时，亚硝酸钠与氯盐之比应大于1.3,3、阻锈剂的作用机理,阳极型阻锈剂阴极型阻锈剂复合型阻锈剂,阳极型阻锈剂,在钢筋表面所发生的电化学反应中存在阳极区和阴极区。阳极型阻锈剂主要作用是，提高钝化膜抵抗Cl的渗透性，从而达到保护钢筋不被锈蚀的目的。这类物质一般都具有氧化性能，如亚硝酸盐、铬酸盐、硼酸盐、氯化亚锡、苯甲酸钠等。,阳极型阻锈剂,以亚硝酸盐为例，其在阳极作用的表达式为：2Fe2+ + 2OH- + 2NO2- 2NO +-F
7、e2O3 + H2ONO2-与Fe2+相互作用生成具有保护作用的钝化膜-Fe2O3。当有Cl存在时，Cl的破坏作用与NO2-盐的成膜作用同时存在，当NO2-量大于Cl量时，抑制反应迅速进行，钝化膜封闭了Cl离子深入的锈蚀作用， 钢筋锈蚀就会停止。但如果NO2-离子不够多，就不能阻止锈蚀作用，相反还会刺激了局部的腐蚀（也叫深孔腐蚀）,阴极型阻锈剂,阴极型钢筋阻锈剂主要作用于阴极区。其主要作用机理是这类物质大都是表面活性物质，它们选择性吸附在阴极区，形成吸附膜，从而阻止或减缓电化学反应的阴极过程。也有一些无机盐类阻锈剂可作用于阴极区，它们可在阴极区生成难溶于水的物质覆盖住阴极区而抑制腐蚀的发生，但
8、掺量较大而且效果不如表面活性剂类阴极阻锈剂,复合型阻锈剂,复合型阻锈剂对阴极、阳极反应均有抑制作用，它的作用是提高了阴、阳极间的电阻，使电化学反应受到抑制，使阴、阳极腐蚀作用减缓甚至中止,阻锈剂的作用实质在于阻止阴极过程、阳极过程或增大阴、阳极之间阻力，其实际功能不是阻止环境中有害离子进入混凝土中，而是当有害离子不可避免的进入混凝土内部之后，由于钢筋阻锈剂的存在，使有害离子丧失侵害能力，抑制和延缓钢筋腐蚀的电化学过程，从而达到延长混凝土使用寿命的目的,4、阻锈剂的分类,（1）按形态分为 水剂型：约含70%的水；国外主要是水剂型； 粉剂型：固体粉末体，大多数溶于水；国内主要是粉剂型,（2）按化学
9、成分分为 无机型：主要由无机化学物质组成； 有机型：主要由有机化学物质组成； 混合型：由有机和无机化学物质组成。,（3）按使用方式和工程对象分为 掺入型：将阻锈剂掺加到混凝土中使用，主要用于新建工程（也可用于修复工程）。目前世界上掺入型阻锈剂的组成中，亚硝酸盐占重要地位。 渗透型：也被称作迁移性阻锈剂，即将阻锈剂涂到混凝土表面，使其向混凝土内部渗透并达到钢筋周围，主要用于老工程的修复,该类阻锈剂的主要成分是有机物，它们具有挥发、渗透的特点，能够渗透到混凝土内部；这些物质主要通过“吸附”、“成膜”等原理保护钢筋，有些品种还具有是混凝土密实性增加的功能,（4）在技术、学术方面，通常按照其作用原理分
10、为 阳极型：作用于“阳极区”，促使其生产保护膜以阻止或减缓阳极过程而达到钢筋阻锈的目的 阴极型：在“阴极区”起作用，通过吸附或成膜来阻止或减缓阴极过程的物质。 复合型：有些物质能提高阳极与阴极之间的电阻，从而阻止锈蚀的电化过程,阳极型,亚硝酸钠：是黄色的斜方晶体，水溶液呈碱性，能从空气中吸收氧气逐步变为硝酸钠。在混凝土中无氯盐时，掺量为水泥质量的1%2%，用于常温和蒸汽养护混凝土中能有效阻止钢筋锈蚀；在有氯盐存在时，掺量应大于2.0%。亚硝酸钠有毒，2g就可致人死亡，皮肤接触亚硝酸钠溶液的极限浓度为1.5，大于此浓度时皮肤会发炎，出现斑疹。,阳极型,亚硝酸钙：白色结晶体，逐步取代亚硝酸钠成为新
11、一代阻锈剂。在混凝土中还有早强作用，抑制碱-骨料反应作用，但掺量较亚硝酸钠高。硝酸钙：可作为早强剂及阻锈剂使用，其掺量为水泥质量的2%4%，根据用途而定,阳极型,铬酸钠和铬酸钾：其掺量为水泥质量的2%4%，绿色晶体，防钢筋锈蚀作用与亚硝酸钠非常相似。 氯化亚锡：用于砂浆或混凝土中有氯盐存在的情况下，显示出良好阻锈的效果。掺量为水泥质量的2%3%时，可防止钢筋锈蚀并具有早强作用。实验表明，掺量为水泥质量0.4%时，即使有氯盐存在时，也可立即使钢筋钝化。,阴极型,表面活性剂类物质：高级脂肪酸铵盐、磷酸脂等，成本较高，效果不如阳极型好，但安全。无机盐类：碳酸钠、磷酸氢钠、硅酸盐等有一定的阻锈作用，但
12、掺量较大。,复合型,使用较多的复合型为多种阻锈成分的配合使用，取长补短，其综合效果大大优于单一组分的阻锈剂。实际上目前使用的阻锈剂均为复合型。含有多种成分的阻锈剂，也有兼有阻锈和其他作用的复合剂，如早强、减水、防冻等。,5、阻锈剂在工程中的应用,阻锈剂在混凝土中的作用，不是阻止环境中的有害离子进入混凝土中，而是当有害物质不可避免地进入混凝土之后，利用其阻锈作用，使有害离子丧失或减少其腐蚀能力，使钢筋锈蚀的电化过程受到抑制，从而延缓了腐蚀的进程，使混凝土延长了使用寿命。,阻锈剂的应用范围,以氯盐为主的腐蚀环境情况下，如海洋环境、海水浸蚀区、沿海潮差区、浪溅区；使用海沙地区，以含盐水施工混凝土；内
13、陆盐碱地区，盐湖地区；受防冰盐侵害的路、桥；在氯盐腐蚀性气体环境下的钢筋混凝土建筑物；已被腐蚀的建筑物的修复；使用低碱水泥或低碱掺合料的混凝土。,阻锈剂的应用效果和限制,一次性掺入，效果能保持50年左右。而且施工简单、方便、节省工时、费用很低。与环氧涂层钢筋保护法、阴极保护相比，效果明显，经济上最合算。使用范围广泛，可用于工业建筑、海工及水工工程、立交桥、公路桥、盐碱地建设工程、已有建筑物修复。,阻锈剂的应用效果和限制,不宜在酸性环境中使用。使用效果与混凝土本身质量有关，优质混凝土能更好发挥阻锈功能，相反，质量差的混凝土既使加阻锈剂也很难耐久。此外钢筋阻锈剂主要使用亚硝酸盐、不适合在饮用水系统应用，使用过程中也容易发生中毒事件，使用中必须加强防护。阳极型阻锈剂多为氧化剂，在高温时易氧化自燃，且不易灭火，存放必须注意防火,
