钢筋阻锈剂的发展与应用

摘　要： 钢筋腐蚀为影响混凝土耐久性的主要因素，为此世界各国已经采取了一系列防止钢筋腐蚀的技术措施，钢筋阻锈剂是重要措施之一。介绍了国内外钢筋阻锈剂的发展情况及其不断扩大的应用现状。

关键词： 钢筋混凝土　腐蚀　耐久性　阻锈剂

 

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

　　

     钢筋腐蚀成为当今世界影响混凝土耐久性的主要因素，特别在氯盐环境中，钢筋腐蚀是首要因素。为此，人们研究开发了一系列防护措施，其中钢筋阻锈剂是重要技术之一。在防止金属腐蚀的方法中， “缓蚀剂”是常用方法之一。缓蚀剂的应用已经有上百年的历史，钢筋阻锈剂是缓蚀剂在混凝土中的应用，是一种既古老又新型的技术。

 

     世界上钢筋阻锈剂的研究与使用已经历了很长的时期。日本作为一个岛国，由于缺乏建筑用河砂，不得不开发利用海砂。因此，既要解决海洋环境中氯盐钢筋腐蚀问题，又要设法防止海砂中氯盐对钢筋的侵害。1973 年在冲绳发电站建设工程中，大量使用了钢筋阻锈剂。此后用量猛增，到1980 年，每年有160 万m3 混凝土使用了钢筋阻锈剂(钢筋阻锈剂年均用量约为1～115 万t) 。1982 年日本制订了《钢筋混凝土用防锈剂》(J ISA 6205) 工业标准，建设部还发布指令文件(597 号文、142 号文等) ，要求使用海砂或环境氯盐可能超标时，必须使用钢筋阻锈剂。

 

     原苏联也是很早使用钢筋阻锈剂的国家之一。于1985年出版了《混凝土中钢筋阻锈剂》专著，并在国标《建筑防腐蚀设计规范》中纳入钢筋阻锈剂内容。

 

     美国于20 世纪70 年代初开始研究、开发、使用钢筋阻锈剂(与环氧涂层钢筋同时) 。早期美国比较重视环氧涂层钢筋的有效性，在最近20 年，钢筋阻锈剂才得到迅速发展。经过了较长时间的试验研究和工程应用， 美国混凝土学会(ACI) 肯定了钢筋阻锈剂的效果，并确认其“是长期有效的防钢筋锈蚀的措施”；1992 年美国公路运输联合会(AASHTO) 等3 个单位编制并颁布的《钢筋混凝土桥梁的防腐蚀手册》，将钢筋阻锈剂定为桥梁防腐蚀的重要措施之一；美国海军工程服务中心(NFESC) 、美国航天局肯尼迪太空中心(NASA KSC)等军工部门，都在大力研究、开发和积极采用钢筋阻锈剂。1995～1998 年，美国曾将其列为国家级研究课题，制订统一的钢筋阻锈剂的评价方法和使用标准。该研究报告指出：“15 年来，钢筋阻锈剂应用日趋普遍，它能长期保护钢筋混凝土、预应力钢筋混凝土结构，如公路桥及其他结构等⋯，本研究结果将被美国公路运输联合会(AASHTO) 采纳，并推荐纳入《混凝土外加剂标准》(AASHTO M194) 。同时纳入美国混凝土学会(ACI) 编制的《混凝土手册》，明确推荐在桥梁及其他结构上使用”。1999 年，美国成立了钢筋阻锈剂联合会(CCIA) 在北美，乃至全世界推广应用钢筋阻锈剂。

 

     除美国、日本之外，加拿大、欧洲各国、澳大利亚、印度等，都在积极开发和应用钢筋阻锈剂；中东国家、韩国、东南亚各国(包括我国台湾省) 等国家、地区也在使用引进的钢筋阻锈剂产品。据悉，1993 年之前，全世界有2000万m³ 的混凝土使用了钢筋阻锈剂，而到了1998年，至少有5亿m³的混凝土使用了钢筋阻锈剂，可见其发展趋势之迅猛。钢筋阻锈剂作为提高混凝土耐久性的重要方法之一，已经成为一项世界性通用技术。

 

     我国在研制、开发钢筋阻锈剂方面起步较早，20 世纪60年代就有人利用亚硝酸钠作为钢筋阻锈的成分，试用于混凝土中，并取得一定经验。但是，单纯亚硝酸钠虽有阻锈作用，同时也存在一定问题，因而没有被推广使用。20 世纪80 年代初，南京水科院和原冶金部建筑研究总院等单位也着手研制新型钢筋阻锈剂。随后，由原冶金部建筑研究总院研制的复合型钢筋阻锈剂(RI - 1 系列) 通过了冶金部部级成果鉴定。1985 年起，在山东三山岛金矿大量使了钢筋阻锈剂，这是我国阻锈剂产品在全国大型重点工程中的首次应用。虽然比日本、美国等国家晚了近10 年，但我国仍是世界上较早将阻锈剂应用于大型工程的少数国家之一。

 

     在那个时期，国外(特别是美国) 钢筋阻锈剂的研制和发展十分迅速。相对而言，国内发展缓慢。是由于国内在此时期之前对混凝土耐久性、钢筋腐蚀危害等认识不足和重视不够，旨在提高耐久性的项目一时难以开展，包括钢筋阻锈剂在内的相关技术和产品很难打开市场。曾有一段时期，国内很少有单位进行钢筋阻锈剂的研制与开发。

 

     近几年来我国钢筋阻锈剂事业发生了明显的变化，钢筋阻锈剂逐步得到一定程度的重视，社会已经开始重新认识和接纳这一技术措施，市场走向也看好，多本规程、规范也已经将其纳入；不仅国内已经有数种钢筋阻锈剂产品问世，而且已有几家国外产品进入我国市场。我国现正处于大规模的基础设施建设时期，国家对重要工程的使用年限(耐久性) 越来越重视，并提出明确的要求。2000 年国务院发布了《建设工程质量管理条理》(中华人民共和国国务院第279 号令) ，实际上是贯彻实施基础设施工程的“全寿命责任制”，其意义是重大而深远的。国内对于混凝土耐久性、钢筋腐蚀危害的认识的提高，是促进钢筋阻锈剂发展、扩大应用的动力。然而，市场开拓仍然是有难度的，因为钢筋阻锈剂仅仅是钢筋防腐蚀、提高耐久性的技术措施之一，是高性能混凝土的“附加措施”，不是单靠钢筋阻锈剂就能够解决一切问题。在国内，包括技术、学术界对钢筋阻锈剂的评价与定位、使用范围与必要性等方面，尚有一个研讨过程。此外，对其阻锈效能的试验检验方法、有效年限等，也需要通过工程实例和时间的考验。

 

     另外应该注意的是，随着钢筋阻锈剂市场的发展，国内外钢筋阻锈剂的品种也将不断增加，会出现“真伪难辨”的情况，会对市场的形成与发展带来负面影响。

 

     钢筋阻锈剂是对钢筋起作用的化学物质，其较小的剂量就能达到阻止或减缓钢筋锈蚀的目的。一些矿物掺合料(如硅灰) 等虽然也能提高对钢筋的保护能力，但不属于钢筋阻锈剂范畴。

 

     目前国际上对钢筋阻锈剂还没有统一的分类标准。其化学成分复杂，有无机型、有机型和混合型(由有机和无机化学物质组成) ；按作用机理可划分为阴极型、阳极型、混合型等。为了便于使用者区分，通常按使用方式和工程对象分为掺入型与渗透型两大类。

 

3.1 　掺入型(Darex Corrosion Inhibitor 简称DCI)

     掺入型是研究开发早、技术比较成熟的阻锈剂种类，即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) 。在美国、日本和原苏联等国，已经有30 多年的应用历史，我国也有20 多年大型工程应用历史。虽然作用原理复杂并说法不尽一致，但“成膜理论”是主要论点。以亚硝酸盐为例，它在钢筋发生作用的表达式：

Fe^{+ +} + OH^- + NO^-2 = NO +γFeOOH              (1)

    

     亚硝酸根(NO^-2 ) 促使铁离子(Fe^{+ +}) 生成具有保护作用的钝化膜(γFeOOH) 。当有氯盐存在时，氯盐离子(Cl^- ) 的破坏作用与亚硝酸钠的成膜修补作用竞争进行，当“修补”作用大于“破坏”作用时，钢筋锈蚀便会停止。

 

     目前世界上，掺入型阻锈剂的组成中，亚硝酸盐占据重要地位。它属于“阳极型”，为克服亚硝酸盐的不利影响，还需要配合其他成分。美国、日本均开发了一批以亚硝酸钙为主体，复合其他成分的钢筋阻锈剂品种，称作亚钙基产品(Nitrite Based Inhibitor) 。如美国格雷斯(Grace) 公司的DCI - S产品，Axim 公司的Cataexcol1000CI 产品，俄罗斯的ACI 产品，日本近期的一些产品等。国内原冶金建筑研究总院研制开发的RI - 1 产品，也基本属于亚钙复合型阻锈剂品种。

 

     美国长期工程验证和对比试验表明，在相关钢筋阻锈剂产品中，亚钙基产品是效果最可靠的，相关应用规范也是以亚钙基产品为基础制订的。我国《钢筋阻锈剂使用技术规范》(YBPT 9231 - 98) 也是如此。

 

     混凝土中掺入钢筋阻锈剂能起到两方面的作用：一方面推迟钢筋开始生锈的时间；另一方面，减缓了钢筋腐蚀发展的速度。混凝土越密实，掺用钢筋阻锈剂后的效果就越好。使用得当将能期望达到设计年限的要求。

 

3.2 　渗透型(Migrating Corrosion Inhibitor 简称MCI)

     渗透型阻锈剂是近些年国外发展起来的新型阻锈剂类型，即将阻锈剂涂到混凝土表面，使其渗透到混凝土内并到达钢筋周围。主要用于老工程的修复。该种阻锈剂已经进入我国市场，我国也有单位在研制开发。该类阻锈剂的主要成分是有机物(脂肪酸、胺、醇、酯等) ，它们具有挥发、渗透的特点，能够渗透到混凝土内部；这些物质可通过“吸附”、“成膜”等原理保护钢筋，有些品种还具有使混凝土增加密实的功能。

 

     当前，中国是世界建筑规模最宏大的国家(占世界水泥用量的55 %) ，而一些发达国家新建工程很少，目前主要是老工程的修复工作。国外劳务费高，“破损型”修复费用大，因此，非破损型修复得到重视和发展。于是，渗透型阻锈剂便应运而生。国外腐蚀监控、检测技术应用较普遍，当发现混凝土中钢筋开始“脱钝”，或氯离子浓度将达到“临界值”的时候，在混凝土表面(非破坏) 涂刷渗透型阻锈剂，期望达到阻止、减缓钢筋锈蚀的目的，同时也是省工、省力、节俭的方法。

 

     如果钢筋已经严重破坏、混凝土开裂、剥落，此时“渗透型”方式的优越性就难以突现了。修复时，在混凝土中掺入钢筋阻锈剂更为适合。

 

     渗透型阻锈剂的效能、检验方法、长期有效性等，仍是各国研究探讨的课题，主要是在渗透深度、药剂挥发与留存时间、作用检验指标等，还有一些不尽相同的认识，对不同品种、型号的产品，国外也存在不尽一致的评价结果。

 

4 　相关规程、规范及RI - 1 系列钢筋阻锈剂的工程应用

4.1 　相关规程、规范

     目前，世界上还没有一致公认的钢筋阻锈剂标准、规范。一些国家有产品标准，如日本的《混凝土用防腐剂》(JISA6025) 、美国的《混凝土阻蚀剂》(10 号Memorandum) 和《阻锈剂产品技术规定》(Grace 03315) ；一些国家有使用技术规定，如美国《亚钙基阻锈剂使用规定》(EI 02 - 004) 和《阻蚀剂》(BDC99S - 021) 、我国《钢筋阻锈剂使用技术规范》( YBPT 9231 -98) 。

 

     大多数情况是在其他规程、规范中纳入了钢筋阻锈剂内容，如美国混凝土学会编制的《金属在混凝土中的腐蚀》(ACI222R - 1) 、公路联合会编制的《钢筋混凝土桥梁防腐蚀手册》、《混凝土外加剂标准》(AASHTO M194) 、美国混凝土学会编制的《混凝土手册》以及美国腐蚀工程师协会编制的《混凝土中钢筋防腐蚀设计规范》等，均将钢筋阻锈剂及其应用做出规定。

 

     我国已将其纳入的规范包括：《工业建筑防腐蚀设计规范》(GB 50046 - 95) 、《海工混凝土结构技术规范》、《海工混凝土防腐蚀规范》(JTJ275 - 2000) 、《盐渍土建筑规范》和《公路外加剂规范》等。最近出版的《混凝土结构耐久性设计与施工指南》(中国工程院项目) 也把钢筋阻锈剂作为防腐蚀措施的组成部分纳入其中。

 

     关于钢筋阻锈剂的适用范围，国外规定用于腐蚀环境(以氯盐为主) 中的钢筋混凝土、预应力混凝土、后张应力灌注砂浆等。我国相关规范( YBPT 9231 - 98) 对使用钢筋阻锈剂的环境和条件作了如下规定：

1) 海洋环境：海水侵蚀区、潮汐区、浪溅区及海洋大气区；

2) 使用海砂作为混凝土用砂，施工用水含氯盐超出标准要求；

3) 采用化冰(雪) 盐的钢筋混凝土桥梁等；

4) 以氯盐腐蚀为主的工业与民用建筑；

5) 已有钢筋混凝土工程的修复；

6) 盐渍土、盐碱地工程；

7) 采用低碱度水泥或能降低混凝土碱度的掺合料；

8) 预埋件或钢制品在混凝土中需要加强防护的场合。

 

     总体说来，钢筋阻锈剂已经成为一项通用技术，但由于发展快、品种多、成分复杂等，国内外检验方法、质量控制及规程、规范的研究、编制等，仍然是一项艰巨的任务。

 

4.2 　RI - 1 系列钢筋阻锈的工程应用

     RI - 1 系列钢筋阻锈剂是国内开发最早、工程应用最广的产品，20 年来经历了坎坷的发展历程，为国内出现阻锈剂良好发展势头，起到一定带动作用。RI - 1系列钢筋阻锈剂已经在数百个工程应用，并部分出口用于海外工程。以下是在海洋环境、北方撒盐环境、西部盐渍土环境中的典型工程应用实例。

 

     1) 山东三岛金矿工程：国家重点工程，始建于1985 年，大量混凝土使用了RI 阻锈剂。不仅解决了使用海砂、施工用水含盐超标等现实问题，而且在海洋环境中，使用RI 钢筋阻锈剂确实起到了十分良好的防护作用(20 年的实际考验所证明) 。本工程也是我国首次大量使用海砂的建筑群体，证明使用钢筋阻锈剂可以使海砂“变废为宝”，为海砂资源的开发利用提供了成功先例。

 

     2) 天津、青岛、上海、宁波、厦门、深圳、湛江等沿海城市和地区的海工、水工及使用海砂(如宁波) 的民用建筑，都已经或正在使用钢筋阻锈剂。近期，广东佛山高速公路桥、粤海铁路枢纽立交桥桥梁、海南三亚等工程和建设中的青岛海滨公路工程等，已经或正在使用RI - 1C2 型钢筋阻锈剂。

 

     3) 北京地区的桥梁建设：四环、五环、六环以及北京外沿的高速公路中，数百座桥已经和正在使用RI - 1C2 型钢筋阻锈剂(以阻止或减缓化冰盐的腐蚀危害) 。鉴于北京地区桥梁遭破坏的经验教训(如西直门桥等) ，市政、公路部门的设计单位，参照国内外规范的要求和规定对化冰盐环境中的桥梁进行防护。

 

     4) 南疆铁路跨越盐碱地的区段桥梁等均采用了钢筋阻锈剂。是铁路部门大量使用钢筋阻锈剂的典型工程之一。

 

     5) 杭州湾大桥是我国最大的跨海桥工程，该桥也使用RI - 1C2 型钢筋阻锈剂。

 

     6) 大量冶金、化工、医药、纺织工业厂房的修复工程以及部分海工、水工的修复工程等，均使用了RI - 103 型钢筋阻锈剂。

 

     7) 部分出口到非洲、中东地区，海工工程和使用海砂的工程也采用了RI - 1 系列钢筋阻锈剂。

 

     1) 当今世界，钢筋腐蚀成为影响钢筋混凝土结构耐久性的主导因素。以基础设施为主体的大量结构的破坏以及其修复工程，已造成巨大的经济损失。在众多腐蚀因素中，氯盐是引起大范围钢筋腐蚀破坏的最主要因素。我国存在着广泛的氯盐环境，特别是正在进行的大规模的基础设施建设，应更加强氯盐腐蚀的防护工作。

 

     2) 防止钢筋锈蚀有多种措施。在任何情况下混凝土质量都是最重要的，在高质量混凝土的基础上掺加钢筋阻锈剂，被认为是长期保护钢筋不发生腐蚀破坏、实现设计寿命的最简单、最经济和效果良好的技术措施。国外已经有30年使用钢筋阻锈剂的经验，近些年来，钢筋阻锈剂在国际上得到更迅速地发展。在国内以RI - 1 为代表的钢筋阻锈剂产品也已有近20 多年的应用实践。随着我国大规模建设和面对众多老建筑物的修复工程，钢筋阻锈剂作为提高结构耐久性的有效措施之一，还将得到更大的发展。

 

     3) 钢筋阻锈剂只是提高混凝土耐久性的技术措施之一，仍有待发展和提高。目前国内出现良好发展势头，但由于品种繁多、品质不一，业界应该正确引导和培育良好的市场氛围。工程应用者应该了解、分析国内外发展应用情况及相关规程、规范的内容，综合考虑、合理选用，以使钢筋阻锈剂正确发挥其效能。

 

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 　洪乃丰. 国外钢筋阻锈剂概述. 工业建筑，1998 (11)

4 　洪乃丰. 钢筋混凝土桥梁防护与钢筋阻锈剂. 公路，2002 (4)

5 　洪乃丰. 基础设施腐蚀防护和耐久性问与答. 北京：化学工业出版社. 2003.

6 　陈肇元. 混凝土结构耐久性设计与施工指南. 北京：中国建筑工业出版社，2004