混凝土腐蝕的魚(yú)骨圖分析

姜碩 田美靈

[摘要]混凝土腐蝕問(wèn)題一向?yàn)閷W(xué)界關(guān)注的重點(diǎn)，其原因復(fù)雜，相互耦合因素眾多。從魚(yú)骨圖分析入手，逐條分析出造成混凝土腐蝕原因及其主次關(guān)系和相互作用的影響過(guò)程。在魚(yú)骨圖基礎(chǔ)上，最終找出影響混凝土腐蝕的眾多影響因素。

[關(guān)鍵詞]港口；混凝土腐蝕；魚(yú)骨圖；原因分析

[中圖分類(lèi)號(hào)]TU37 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

我國(guó)地域遼闊，處于農(nóng)村地區(qū)的眾多混凝土在經(jīng)年累月的腐蝕環(huán)境下，經(jīng)常處于耐久性失效的狀況。對(duì)混凝土造成腐蝕的影響因素眾多，目前圍繞其耐久性，主要集中在氯離子，硫酸鹽，堿-基骨料反應(yīng)，凍融循環(huán)以及鋼筋銹蝕等幾個(gè)方面。其中又受到溫度，濕度，風(fēng)力大小等多種因素的復(fù)合疊加影響。本文將結(jié)合魚(yú)骨圖這一工具，對(duì)造成混凝土腐蝕的眾多原因進(jìn)行分析，找出其中不同影響因素的重要程度及相互影響的關(guān)系及作用。

1 魚(yú)骨圖分析法

魚(yú)骨圖由日本管理大師石川馨發(fā)明，又名石川圖。是一種發(fā)現(xiàn)問(wèn)題“根本原因”的方法，它也可以稱(chēng)之為“因果圖”。簡(jiǎn)捷實(shí)用，深入直觀。它將問(wèn)題或缺陷（即后果）標(biāo)在“魚(yú)頭”外，在魚(yú)骨上長(zhǎng)出魚(yú)刺，按出現(xiàn)機(jī)會(huì)多寡列出產(chǎn)生問(wèn)題的可能原因，層層分析不同原因?qū)Y(jié)果影響的主次關(guān)系，同時(shí)也說(shuō)明了各個(gè)原因之間是如何相互影響的。

混凝土腐蝕中運(yùn)用魚(yú)骨圖法，利用其分析腐蝕中的各種影響因素和條件，按以下步驟：①第一步找出魚(yú)頭，即明確研究對(duì)象，港口混凝土腐蝕的各關(guān)聯(lián)因素；②畫(huà)出魚(yú)的主干；③列出各相關(guān)聯(lián)因素，作為主要關(guān)聯(lián)因素指向魚(yú)的主骨，即所謂主干，搜索中國(guó)知網(wǎng)以及各種資料，分析出氯離子侵蝕、酸性液體、混凝土自身、外部條件等關(guān)聯(lián)因素；④對(duì)次要相關(guān)聯(lián)因素進(jìn)行分析。確定主因素的基本框架后，將次要因素指向主骨，即是所謂的中骨。⑤利用xmind軟件繪制魚(yú)骨圖。

2 繪制魚(yú)骨圖

利用xmind軟件繪制魚(yú)骨圖如圖1所示。

3 混凝土腐蝕相關(guān)因素分析

3.1 氯離子侵蝕

混凝土腐蝕的眾多影響因素中，氯離子的腐蝕一直是其中的影響因素，鹽分含量較高地區(qū)，在混凝土耐久性檢測(cè)中，關(guān)于氯離子擴(kuò)散系數(shù)的檢測(cè)也一直是其中重要的檢測(cè)指標(biāo)。針對(duì)氯離子侵蝕，分析影響其侵蝕的各個(gè)影響因素，可以針對(duì)性地采取防護(hù)措施，延長(zhǎng)設(shè)施的使用年限。

混凝土內(nèi)埋藏著鋼筋，由于在混凝土在進(jìn)行水化反應(yīng)時(shí)，形成了氫氧化鈣等堿性物質(zhì)，鋼筋表面被氧化，形成了一層薄而致密的鈍化膜，混凝土內(nèi)鋼筋在鈍化膜的保護(hù)下，能隔絕水和空氣的侵入。因此，即便在酸性環(huán)境下，混凝土內(nèi)鋼筋也不易發(fā)生腐蝕。但是，若鋼筋表面的氯離子濃度達(dá)到了臨界值，鋼筋表面的鈍化膜會(huì)因?yàn)殡娀瘜W(xué)反應(yīng)而破壞，從而直接腐蝕鋼筋。

鋼筋受腐蝕時(shí)，表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)生成Fe2+，F(xiàn)e2+在混凝土內(nèi)部反應(yīng)時(shí)和OH-反應(yīng)生成Fe（OH）2。Fe（OH）2不穩(wěn)定，和氧氣反應(yīng)又進(jìn)一步生成四氧化三鐵，在此過(guò)程中，氯離子雖然參與反應(yīng)，但本身并不被消耗，只是起到了催化劑的作用，由于氯離子的催化作用，使得反應(yīng)能夠周而復(fù)始地循環(huán)進(jìn)行，從而加速了反應(yīng)的進(jìn)行。具體電化學(xué)反應(yīng)式如下：

在腐蝕電池的運(yùn)行過(guò)程中，離子所構(gòu)成的通路是必備的條件之一。混凝土中的氯離子能夠有效減小腐蝕電池間的電阻，對(duì)離子電路進(jìn)行強(qiáng)化，從而大大提高了腐蝕效率，加快了腐蝕電池對(duì)混凝土的腐蝕速度。

氯離子不僅在對(duì)鋼筋的腐蝕中起著重要作用，其本身也可以與混凝土中的鋁酸三鈣反應(yīng)生成結(jié)合氯離子而影響混凝土中自由氯離子濃度，其反應(yīng)產(chǎn)物為Friedel鹽，但Friedel鹽本身為化學(xué)結(jié)合的氯離子，并不穩(wěn)定，在某些情況下能釋出氯離子，改變混凝土內(nèi)自由氯離子濃度，影響鋼筋腐蝕的臨界濃度值，從而影響混凝土的腐蝕狀況。

3.2 混凝土自身

混凝土自身組分材料的不同也能對(duì)混凝土腐蝕產(chǎn)生一定影響。

不同的摻和料會(huì)對(duì)混凝土的耐久性產(chǎn)生不同程度的影響。例如摻入硅灰的混凝土水泥漿中會(huì)相應(yīng)減少毛細(xì)孔，在28天齡期時(shí)超過(guò)0.1微米的大孔會(huì)趨近于沒(méi)有，比之于不摻硅灰的混凝土，其水泥漿中會(huì)有0.225mL/g的大孔。相應(yīng)的防滲標(biāo)號(hào)亦會(huì)有所提高。

混凝土內(nèi)PH值對(duì)混凝土腐蝕的影響，主要在于其對(duì)鋼筋鈍化膜的形成與破壞。研究表明，鈍化膜在PH值為9.8時(shí)逐漸形成，及至PH升高至11.5以上時(shí)，鈍化膜完全形成。與之相對(duì)，鈍化膜在PH值小于11.5時(shí)不再穩(wěn)定，完全破壞時(shí)的PH值為9～10，此時(shí)鋼筋脫鈍，很有可能發(fā)生銹蝕破壞。PH值的下降主要與碳化反應(yīng)于硫酸鹽的侵蝕有關(guān)，因?yàn)榭諝庵械亩趸紩?huì)與氫氧化鈣反應(yīng)：

混凝土保護(hù)層是指混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)最外層的外緣至混凝土表面的部分。其厚度對(duì)于混凝土抗腐蝕的能力有著重要影響。它能有效隔絕外部因素對(duì)混凝土及鋼筋的不良影響。有研究顯示，混凝土保護(hù)層越厚，外部侵入混凝土內(nèi)部的不良離子等有害物質(zhì)就越少。但如果保護(hù)層過(guò)厚又會(huì)降低混凝土的抗彎和抗沖切能力。因此，關(guān)于保護(hù)層的厚度并非越厚越好，而應(yīng)該取一個(gè)合適值。目前的國(guó)家規(guī)范針對(duì)不同的混凝土情況對(duì)保護(hù)層厚度都做了具體要求。

3.3 外部條件

眾所周知，化學(xué)反應(yīng)中溫度通常會(huì)影響化學(xué)反應(yīng)的速率。溫度升高，化學(xué)反應(yīng)速率會(huì)加快。在混凝土的腐蝕中，溫度同樣深入地影響著其他腐蝕因素的速率快慢。當(dāng)溫度增加時(shí)，電阻率會(huì)相應(yīng)減小，孔隙液中的氧氣會(huì)逸出，孔隙溶液的PH值也會(huì)相應(yīng)改變，同時(shí)也改變了自由氯離子的含量和化學(xué)反應(yīng)速率，這又導(dǎo)致了混凝土腐蝕和鋼筋銹蝕的快慢程度相應(yīng)改變。有研究表明，混凝土碳化及氯離子的腐蝕能力在溫度僅僅提高10度時(shí)上升了0.45倍和2.19倍。

環(huán)境中所含水分，即濕度，會(huì)直接影響混凝土內(nèi)孔隙水的飽和度。混凝土所構(gòu)成腐蝕電池的電化學(xué)反應(yīng)需要水的參與。若水分充足，則陰極反應(yīng)能較為順暢地進(jìn)行。同時(shí)，水分的存在使得混凝土導(dǎo)電性提高，降低了混凝土的電阻率。增大了腐蝕速度。若環(huán)境條件較位干燥，則因?yàn)槿狈﹃帢O反應(yīng)所必需的條件，導(dǎo)致反應(yīng)無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。但是，當(dāng)混凝土內(nèi)孔隙水飽和度大到一定程度乃至全飽和時(shí)，會(huì)擠出氧氣所占體積，使氧氣含量減少，導(dǎo)致反應(yīng)所需條件不足，降低了腐蝕反應(yīng)的速度。同樣的研究表明，混凝土碳化及氯離子的腐蝕能力在濕度提高10%時(shí)上升了1.58和1.16倍。

混凝土中鋼筋銹蝕的陰極反應(yīng)需要氧氣的參與，氧氣濃度自然成為影響混凝土腐蝕的重要影響因素之一?；炷猎诎l(fā)生鋼筋腐蝕時(shí)需要充分接觸氧氣，相比與無(wú)法接觸到氧氣的混凝土部分而言，氧氣濃度高的區(qū)域腐蝕程度更深，腐蝕速度更快。正是因?yàn)槠淠艹浞纸佑|氧氣，而無(wú)法接觸氧氣的混凝土部分，雖然有構(gòu)成腐蝕電池的水和氯離子等各項(xiàng)條件，但因?yàn)槿狈ρ鯕?，自然難以發(fā)生腐蝕反應(yīng)。

3.4 酸性液體

當(dāng)混凝土受到污染時(shí)，污水中含有許多氫離子，此時(shí)污水呈現(xiàn)酸性，由于氫離子的存在，污水的游離離子會(huì)使得污水導(dǎo)電性增強(qiáng)，使得電化學(xué)反應(yīng)速率大大加快，從而使得混凝土受腐蝕的程度進(jìn)一步加深。具體化學(xué)反應(yīng)式如下：

污染水體中的硫酸鹽本身亦能對(duì)混凝土構(gòu)成腐蝕，例如污染水體中的重金屬鹽類(lèi)可以與鐵單質(zhì)構(gòu)成電化學(xué)腐蝕電池，從而不斷加深化學(xué)腐蝕的速度和深度。此時(shí)，鐵被氧化成二價(jià)鐵離子，銅被還原成單質(zhì)：

此外硫酸鹽能和混凝土中水化反應(yīng)的產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生鈣釩石，石膏等產(chǎn)物，這些產(chǎn)物自身體積會(huì)增大，從而使得混凝土內(nèi)部膨脹開(kāi)裂，出現(xiàn)裂縫。硫酸鹽自身也能滲入混凝土中，孔隙液飽和后，硫酸鹽能結(jié)晶析出，產(chǎn)生壓力，致使混凝土內(nèi)部出現(xiàn)開(kāi)裂。

當(dāng)污水中存在其他物質(zhì)時(shí)，他們能使污水酸化，原理是他們能與污水反應(yīng)產(chǎn)生大量氫離子，例如氧氣，溶解二氧化碳，廢棄的硫酸溶液等。此時(shí)水的導(dǎo)電性大大增強(qiáng)，電化學(xué)反應(yīng)速度不斷增加。

4 結(jié)語(yǔ)

魚(yú)骨圖法在分析造成混凝土腐蝕的多種影響因素時(shí)，能條理清晰地找出各影響因素間的主次關(guān)系和各影響因素間的相互作用聯(lián)系。

混凝土腐蝕是個(gè)復(fù)雜的多因素綜合的耦合過(guò)程。涉及導(dǎo)溫濕度，氯離子含量，硫酸鹽以及混凝土自身材料特性等多種因素的影響與作用。氯離子和硫酸鹽能和混凝土自身發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，加快鋼筋腐蝕，同時(shí)又受到溫濕度的影響而呈現(xiàn)出不同的反應(yīng)速度。運(yùn)用魚(yú)骨圖對(duì)造成混凝土腐蝕的多種原因進(jìn)行分析比較，找出其中不同影響因素間的相互作用和重要程度，對(duì)于有針對(duì)性地為混凝土防護(hù)提供多種措施，延長(zhǎng)混凝土使用壽命，增強(qiáng)混凝土的抗腐蝕性能有著積極意義。值得深入持續(xù)探討。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 仲偉秋，貢金鑫.氯離子侵蝕環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性評(píng)估[J].混凝土，2002（11）：3-4.

[2] 郝曉麗.氯腐蝕環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)耐久性與壽命預(yù)測(cè)[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2004.

[3] 王軍陣，郭琛，孟羽韋.淺析鋼筋銹蝕機(jī)理及主要影響因素[J].中國(guó)住宅設(shè)施，2017（2）：98-99.

[4] 王立久.建筑材料學(xué)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2008.

[5] 中國(guó)建筑科學(xué)研究院.混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

[6] Villagrán Zaccardi Y A， Fullea García J，Huélamo P， et al. Influence of temperature and humidity on Portland cement mortar resistivity monitored with inner sensors[J]. Materials & Corrosion，2015，60（4）：294-299.

[7] 徐宗強(qiáng).銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件疲勞性能的試驗(yàn)研究[D].青：山東科技大學(xué)，2009.

[8] 江見(jiàn)鯨.混凝土結(jié)構(gòu)工程學(xué)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1998.

[9] 鄭順，鄭永來(lái)，朱鵬宇.腐蝕性離子對(duì)港口水工結(jié)構(gòu)耐久性能的影響[J].港口科技，2014（9）：14-16.

[10] Shi C，Wang D，Behnood A.Review of Thaumasite Sulfate Attack on Cement Mortar and Concrete[J].Journal of Materials in Civil Engineering，2012，24（12）：1450-1460.

[11] 袁斌，牛荻濤，王家濱，等. 混凝土硫酸鹽侵蝕及防護(hù)研究進(jìn)展[J].混凝土，2017（3）：59-62.