混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕及防治

孟李燕 李吉坤 張世兵

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步,人們對(duì)環(huán)境資源的重視,對(duì)建筑質(zhì)量有更高的要求,也越來(lái)越重視建筑工程中的腐蝕現(xiàn)象。腐蝕是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性、可靠性的至關(guān)重要的因素,而關(guān)系民生的諸如大批的中小水廠和加壓工程中的儲(chǔ)水構(gòu)筑物(如清水池);各類建筑物的地基基礎(chǔ)。它們常用的結(jié)構(gòu)形式一般為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),而且都跟地基土或地下水直接接觸。由于某些地基土及地下水對(duì)鋼筋混凝土具有腐蝕作用,為了保證這些建筑結(jié)構(gòu)使用的耐久性,我們必須采用合適的防腐措施。

1 混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕機(jī)理

1)素混凝土結(jié)構(gòu)。素混凝土的基本組成材料是水泥、砂、石和水。影響素混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素為堿—集料的反應(yīng)(混凝土中堿含量超標(biāo),暴露在水或潮濕環(huán)境使用時(shí),其中的堿與堿活性集料間發(fā)生反應(yīng),引起膨脹)。

2)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。從化學(xué)成分來(lái)看,鋼筋的銹蝕物一般為Fe(OH)3,Fe(OH)2,Fe3O4等,其體積比原金屬體積增大2倍～4倍。由于鐵銹膨脹,對(duì)混凝土保護(hù)層產(chǎn)生巨大的輻射壓力,其數(shù)值可達(dá)30 MPa(大于混凝土的抗拉極限強(qiáng)度),使混凝土保護(hù)層沿著銹蝕的鋼筋形成裂縫(俗稱順筋裂縫)。這些裂縫進(jìn)一步成為腐蝕性介質(zhì)滲入鋼筋的通道,加速了鋼筋的腐蝕。鋼筋在順縫中的腐蝕速度往往要比裸露情況快,等到混凝土表面的裂縫開(kāi)展到一定程度,混凝土保護(hù)層則開(kāi)始剝落,最終使構(gòu)件喪失承載能力。

在通常情況下,混凝土空隙中充滿了由于水泥水解時(shí)產(chǎn)生的氫氧化鈣飽和溶液,其堿度很高,pH值在12以上。鋼筋在高堿度的環(huán)境中,表面沉積一層致密的氫氧化鐵薄膜,而轉(zhuǎn)入鈍化狀態(tài),即使有空氣和水分進(jìn)入,也不可能導(dǎo)致鋼筋的腐蝕。當(dāng)混凝土受到外部因素作用而使混凝土的液相堿度降低時(shí),鋼筋由鈍化狀態(tài)轉(zhuǎn)化為活性狀態(tài),此時(shí)若有空氣和水分進(jìn)入,鋼筋便開(kāi)始生銹。造成混凝土液相堿度降低的原因,一般來(lái)說(shuō)是由于酸性氣體

生成的碳酸鈣為微溶的化合物,其飽和溶液pH=9,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼筋保持鈍化狀態(tài)所要求大于11.5的數(shù)值。其他酸性氣體如SO2,H2S,HCl也可以與混凝土中氫氧化鈣作用(稱為混凝土的中性作用)。與混凝土中氫氧化鈣作用的結(jié)果。其反應(yīng)式如下:

2 工程實(shí)例分析

某煤矸石發(fā)電廠,主廠房地下水各種離子濃度如圖1所示,取6個(gè)測(cè)點(diǎn),各測(cè)點(diǎn)的結(jié)果如圖1所示,其中Ca2+,Mg2+,Cl-,SO2-4的濃度單位為mg/L,HCO-3的濃度單位為mmol/L,pH值為無(wú)量綱量。

西南交通大學(xué)韓同春等認(rèn)為:目前傾向于“Ca2+＞1 mg/L,pH＜11.63時(shí)便發(fā)生酸性侵蝕”,由圖1可知本工程滿足該條會(huì)發(fā)生酸性侵蝕。

一般將SO2-4的侵蝕濃度下限定為250 mg/L,pH定為10.24。因此本工程SO2-4不會(huì)侵蝕混凝土。

由圖2及根據(jù)現(xiàn)行GB 50021-2001巖土工程勘察規(guī)范中腐蝕性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn):主廠房地段的三個(gè)地下水樣的侵蝕性CO2含量以49.4 mg/L～62.8 mg/L為主;煙囪地段地下水樣的侵蝕性CO2含量(測(cè)點(diǎn)5)為15.7 mg/L;西側(cè)小河河水樣的侵蝕性CO2含量(測(cè)點(diǎn)6)為 24.7 mg/L。游離CO2的含量均大于侵蝕性 CO2含量。CO2和HCO-3與Ca2+或Ca(OH)2長(zhǎng)期作用易生成碳酸鈣沉淀,導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低、裂隙擴(kuò)大、結(jié)構(gòu)疏松。從混凝土的表面和縫隙中析出Ca(OH)2,隨著析出量的增大并與空氣中的CO2不斷反應(yīng),脫水后大多形成潔白美麗的石花狀或鐘乳狀CaCO3結(jié)晶[2,3]。

綜合評(píng)定主廠區(qū)地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具強(qiáng)腐蝕性,對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋無(wú)腐蝕性。

3 混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕的防治措施

1)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土保護(hù)層厚度直接影響構(gòu)件的耐久性。當(dāng)構(gòu)件混凝土保護(hù)層厚度加大到一定值時(shí),鋼筋腐蝕程度極輕微甚至不被腐蝕,混凝土保護(hù)層亦不出現(xiàn)裂縫。

2)國(guó)內(nèi)外大量暴露試驗(yàn)結(jié)果表明,主要構(gòu)件裂縫寬度宜限制在不大于0.2 mm。適當(dāng)限制主要承重構(gòu)件裂縫寬度為0.1 mm～0.2 mm,將有利于提高構(gòu)件本身在腐蝕介質(zhì)環(huán)境中的耐久性。

3)構(gòu)件的密實(shí)度與混凝土強(qiáng)度等級(jí)、水灰比有關(guān)。提高混凝土標(biāo)號(hào)與適當(dāng)降低水灰比,可提高構(gòu)件的抗?jié)B能力,減緩構(gòu)件的腐蝕速度。

4)采用混凝土密封劑進(jìn)行鋼筋混凝土的防腐。施工前應(yīng)除去混凝土或砂漿基層表面的浮土、松動(dòng)殘?jiān)?、污油等雜物。對(duì)縫隙、破損部位采用同標(biāo)號(hào)的水泥砂漿或混凝土修復(fù),用低壓噴霧器將密封劑均勻噴在基層表面。

5)前期對(duì)地質(zhì)環(huán)境,尤其是水文地質(zhì)及地下水化學(xué)性質(zhì)的詳細(xì)評(píng)價(jià)是非常重要的,在混凝土的主要原材料(水泥的標(biāo)號(hào)及成分)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方案中,要考慮環(huán)境水對(duì)混凝土的侵蝕影響。

6)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)混凝土的監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后及時(shí)采取措施。徹底剔除已完全遭受腐蝕侵害部分的混凝土,重新澆筑抗環(huán)境水侵蝕的混凝土,對(duì)剛開(kāi)始發(fā)生腐蝕侵害的部位,可采用抗環(huán)境水侵蝕的水泥灌漿或其他加固處理措施予以治理。

7)通過(guò)對(duì)混凝土機(jī)理的研究和與環(huán)境的分析,通過(guò)試驗(yàn),確定了通過(guò)摻入外加劑進(jìn)行有機(jī)補(bǔ)償和施工合理的控制,對(duì)增強(qiáng)混凝土的耐久性,延長(zhǎng)混凝土建筑物使用壽命具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

4 結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]中規(guī)定了一系列鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)防護(hù)方法及措施,若設(shè)計(jì)人員能熟知腐蝕性介質(zhì)在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的一般腐蝕機(jī)理,并結(jié)合所提供的生產(chǎn)環(huán)境因素按結(jié)構(gòu)特征作主要設(shè)防,采取較經(jīng)濟(jì)合理的防腐蝕結(jié)構(gòu)和處理手段,就能有效地防止或減輕各類腐蝕介質(zhì)對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕作用。

[1] 張信鵬,王德森.耐腐蝕混凝土[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1989.

[2] 盛東勁,霍加慶.四川崇州某水電站引水隧洞混凝土腐蝕原因分析及防治建議[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2003(4):20.

[3] 李樹(shù)林.地下混凝土結(jié)構(gòu)防腐抗?jié)B探討[J].南京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2001(3):20-22.

[4] 蘇芝芳,賴都成.防腐混凝土在工程施工中的應(yīng)用[J].資源環(huán)境與工程,2007(2):28-30.

[5] GB 50046-95,工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)規(guī)范[S].