高溫高濕腐蝕環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕機(jī)制研究

黃滿剛 薛學(xué)濤 王軍柯

河南省建筑工程質(zhì)量測(cè)試中心站有限公司，中國·河南 鄭州 450053

河南省建筑科學(xué)研究院有限公司，中國·河南 鄭州 450053

在社會(huì)各行業(yè)當(dāng)中，冶金行業(yè)一直以來都是與國計(jì)民生息息相關(guān)的行業(yè)。在冶金企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過程中，伴隨生產(chǎn)所產(chǎn)生的物體包括有害的液態(tài)或者是氣體的介質(zhì)，并且在高溫的炙烤環(huán)境下，材料本身的腐蝕現(xiàn)象非常普遍，對(duì)于冶金企業(yè)的生產(chǎn)安全來講產(chǎn)生了非常嚴(yán)重的威脅。因此，在論文中針對(duì)冶金行業(yè)當(dāng)中，高溫高濕腐蝕環(huán)境下或凝土結(jié)構(gòu)被腐蝕機(jī)理進(jìn)行論述研究，并就腐蝕作用提出相關(guān)對(duì)策進(jìn)行解決。

高溫高濕；混凝土結(jié)構(gòu)；腐蝕；機(jī)制

1 引言

對(duì)于冶金企業(yè)來講，在實(shí)際生產(chǎn)過程中混凝土結(jié)構(gòu)被腐蝕的現(xiàn)象是普遍存在的，這主要是因?yàn)樵趯?shí)際使用過程中，混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了物理、化學(xué)和生物三種作用，在三者功能作用下，混凝土結(jié)構(gòu)本身的結(jié)構(gòu)特性被破壞，因此遭破壞之后的混凝土結(jié)構(gòu)在繼續(xù)使用過程中，會(huì)導(dǎo)致冶金企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)安全性大大降低，造成不必要的安全事故發(fā)生。因此，論文針對(duì)現(xiàn)如今冶金企業(yè)當(dāng)中，高溫高濕腐蝕環(huán)境下和凝土結(jié)構(gòu)被腐蝕發(fā)生過程以及相關(guān)機(jī)制進(jìn)行論述，并提出相應(yīng)對(duì)策進(jìn)行解決。

2 分析對(duì)象與方法

2.1 分析對(duì)象

論文所研究的對(duì)象主要是在高溫高濕腐蝕性氣體影響下，某冶金工程所應(yīng)用的混凝土框架結(jié)構(gòu)，就該結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期使用過程中所出現(xiàn)的腐蝕現(xiàn)象進(jìn)行分析。通過觀察發(fā)現(xiàn)所選擇結(jié)構(gòu)，其本身在長(zhǎng)期腐蝕環(huán)境下的保護(hù)層已經(jīng)疏松開裂，甚至是出現(xiàn)剝落的現(xiàn)象，混凝土本身內(nèi)部所包含的鋼筋出現(xiàn)了大量銹蝕。這種情況下，混凝土結(jié)構(gòu)本身的物理性能已經(jīng)被大大破壞，在使用過程中安全隱患將增加[1]。

2.2 分析研究方法

第一，是進(jìn)行抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)?？箟簭?qiáng)度的實(shí)驗(yàn)主要是針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)本身物理性能當(dāng)中的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，在現(xiàn)場(chǎng)針對(duì)所選起結(jié)構(gòu)來進(jìn)行部分的混凝土芯樣鉆取，將所選取的樣品經(jīng)過切割以及磨平干燥處理之后，在壓力試驗(yàn)機(jī)上對(duì)樣品本身的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。

第二，是對(duì)混凝土樣本當(dāng)中腐蝕性介質(zhì)成分進(jìn)行分析。介質(zhì)分析工作需要進(jìn)行多次分析，并且保證分析的全面性，所以需要對(duì)所選取的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行多個(gè)位置的腐蝕性介質(zhì)樣品采集，通過化學(xué)方法以及分光光度計(jì)方法，對(duì)介質(zhì)含量以及成分進(jìn)行測(cè)定。以及測(cè)定過程中，主要包括了對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)當(dāng)中所存在鈉離子以及鉀離子和鐵離子等陽離子以及硝酸根和硫酸根等陰離子的測(cè)定[2]。

第三，則是進(jìn)行x 射線衍射分析。該分析方法主要是對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部以及外部的物相變化情況進(jìn)行分析，所以也通過鉆取的方法選擇混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部20～25cm 的混凝土芯樣，將所選擇樣品以每5cm 作為一個(gè)區(qū)間分割開形成不同的樣品，將樣品當(dāng)中所含粗骨粒和粒徑較大的細(xì)骨粒進(jìn)行剔除之后，使用無水酒精對(duì)樣品進(jìn)行脫水處理，使樣品水化作用終止。在結(jié)束之后對(duì)樣品進(jìn)行細(xì)磨處理，然后將細(xì)膜后的樣品粉末在0.045mm 的方孔篩上進(jìn)行篩選，篩選之后剩余率需要小于2%，然后進(jìn)行真空處理，處理之后對(duì)這些粉末進(jìn)行抽濾和干燥，最后進(jìn)行密封保存。X 射線衍射分析是在密封保存之后所進(jìn)行的。

第四，進(jìn)行孔結(jié)構(gòu)分析。和上文論述相同，同樣選擇樣品，然后以5cm 為一區(qū)間將其分為不同的樣品，然后再從混凝土內(nèi)部進(jìn)行砂漿的鑿取，將這些砂漿破碎之后形成3～5mm的小塊，利用無水酒精對(duì)這些小塊進(jìn)行脫水處理之后再進(jìn)行真空抽濾干燥，然后進(jìn)行密封保存?？捉Y(jié)構(gòu)分析是在密封保存工作結(jié)束之后所進(jìn)行的，實(shí)際分析時(shí)所分析的孔徑范圍是在40～4000 納米之間。

第五，是掃描電子顯微鏡分析。同上文論述相同，混凝土結(jié)構(gòu)外部之內(nèi)部選擇樣品之后，將其以5cm 作為一個(gè)區(qū)間進(jìn)行不同樣品的處理。然后鑿取內(nèi)部的砂漿，將其進(jìn)行破碎處理，使破碎后的小塊粒徑保證在3～5mm，之后同樣是利用無水酒精進(jìn)行脫水終止水化處理，然后進(jìn)行真空抽濾干燥，最后進(jìn)行密封保存。在密封保存結(jié)束之后進(jìn)行掃描電子顯微分析[3]。

3 分析結(jié)果

首先，是混凝土本身的抗壓強(qiáng)度變化。因?yàn)樵诳箟簭?qiáng)度進(jìn)行分析時(shí)，所選擇樣品是從1 層柱以及2 層柱和三層柱以及2 層樓面梁和3 層樓面梁來進(jìn)行分析的，所以也進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試之后，發(fā)現(xiàn)各部位本身的抗壓強(qiáng)度數(shù)值分別為39.4、38.2、40.9、28.6 以及38.8。

其次，是混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕介質(zhì)成分的分析。經(jīng)過分析之后發(fā)現(xiàn)在混凝土腐蝕部位結(jié)構(gòu)當(dāng)中，介質(zhì)主要包含了硫酸根和氯離子，并且所測(cè)試結(jié)構(gòu)部位的ph 值是6.3 呈現(xiàn)弱酸性，所以從這些離子的存在以及ph 值，能夠發(fā)現(xiàn)混凝土有非常明顯的腐蝕作用。

最后，是混凝土中性化測(cè)試。同混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試相同，同樣是針對(duì)這5 個(gè)部位來進(jìn)行中性化測(cè)試，測(cè)試結(jié)果所得碳化深度分別為6mm、12mm、11mm、6mm 和4mm。

4 討論

4.1 腐蝕作用討論

從所得分析結(jié)果來看，因?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)建筑物所存在環(huán)境當(dāng)中有大量的硫酸根離子以及氯離子這些腐蝕性介質(zhì)，所以建筑物本身混凝土和鋼筋非常容易出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。而從宏觀力學(xué)角度來看，被腐蝕部位最嚴(yán)重的是建筑物結(jié)構(gòu)的2 層樓面梁，該部位的混凝土強(qiáng)度在將表面所存在的疏松層進(jìn)行剔除之后進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)度相比較與其他構(gòu)件本身的混凝土強(qiáng)度來講，強(qiáng)度性能要下降25%以上，而且有一些部位的鋼筋已經(jīng)被腐蝕的非常嚴(yán)重，完全喪失了相應(yīng)強(qiáng)度[4]。

腐蝕作用發(fā)生的整個(gè)過程是帶有腐蝕性介質(zhì)的液體從混凝土表面流過之后，液體會(huì)在混凝土表面上留存，并且逐漸滲透到混凝土內(nèi)部所存在縫隙當(dāng)中，這些液體會(huì)與混凝土當(dāng)中的水化鋁酸鹽以及氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)。而整個(gè)反應(yīng)發(fā)生的過程又分別為內(nèi)部反應(yīng)以及外部反應(yīng)，在混凝土外部所發(fā)生反應(yīng)生成的物質(zhì)包括了碳酸鈣以及單碳鋁酸鈣和二水石膏。碳酸鈣以及單碳鋁酸鈣是因?yàn)闅溲趸}和水化鋁酸鹽與空氣當(dāng)中所存在的二氧化碳出現(xiàn)碳化反應(yīng)所形成的，這和混凝土中性化所測(cè)試的結(jié)果是一致的。而后者主要是所流經(jīng)混凝土表面當(dāng)中的液體存在的硫酸根離子和水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣反應(yīng)所形成的，這些所生成的二水石膏在進(jìn)行電子顯微分析時(shí)能夠從照片當(dāng)中觀測(cè)的非常明顯，主要體現(xiàn)為許多粒狀晶體。

4.2 X 射線衍射結(jié)果討論

對(duì)于中外部混凝土，也就是建筑結(jié)構(gòu)外部約5～10cm 深的混凝土來講，這些混凝土內(nèi)部存在非常多的硫酸根離子和氯離子與鋁酸鹽礦物共同作用下所形成的產(chǎn)物，并且在x 射線衍射圖上該礦物產(chǎn)物的眼色峰值非常明顯。不僅僅在x 射線顏色圖上能夠發(fā)現(xiàn)該礦物的峰值，在掃描電子顯微鏡照片當(dāng)中也能夠觀測(cè)到該晶體。這一現(xiàn)象說明硫酸根離子和氯離子對(duì)于混凝土的滲入深度已經(jīng)達(dá)到5～10cm，這已經(jīng)超過了混凝土對(duì)內(nèi)部鋼筋的保護(hù)層深度，所以在這種情況下，混凝土內(nèi)部鋼筋會(huì)被大面積的腐蝕以及銹蝕，對(duì)于混凝土建筑結(jié)構(gòu)的安全來講會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。而對(duì)于外層的混凝土結(jié)構(gòu)來講，混凝土碳化反應(yīng)所形成的碳酸鈣會(huì)與鋁酸鹽礦物產(chǎn)生直接反應(yīng)進(jìn)而形成單碳鋁酸鈣，會(huì)使混凝土結(jié)構(gòu)當(dāng)中的鋁酸鹽礦物被大量消耗，而利酸鹽礦物的消耗則又會(huì)使混凝土本身內(nèi)部結(jié)構(gòu)相關(guān)晶體出現(xiàn)大量消失，進(jìn)而使混凝土結(jié)構(gòu)遭到破壞。混凝土內(nèi)部10cm 以上的結(jié)構(gòu)，在分析過程中發(fā)現(xiàn)其在本質(zhì)上并未受到腐蝕性介質(zhì)的影響，因此其內(nèi)部的腐蝕作用非常小[5]。

4.3 混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕對(duì)策

首先，是混凝土原材料水泥的選擇，因?yàn)閷?duì)于混凝土來講，水泥是最主要的成分，所以混凝土本身的耐久性以及抗腐蝕性都受到水泥性質(zhì)的影響。根據(jù)所處腐蝕環(huán)境的不同，需要對(duì)混凝土制備過程中水泥品種進(jìn)行合理的選擇。對(duì)于混凝土內(nèi)部的鋼筋來講，水泥當(dāng)中所存在的堿性物質(zhì)是能夠在鋼筋表面形成鈍化膜的，這也是混凝土內(nèi)部鋼筋能夠被保護(hù)不被銹蝕的最主要因素。所選擇水泥本身的ph 值應(yīng)該盡可能大于11.5，因?yàn)楫?dāng)大于11.5 時(shí)，水泥本身所含有的堿含量會(huì)急劇增加，在這個(gè)時(shí)候其本身所出現(xiàn)的鈍化狀態(tài)以及鈍化作用會(huì)非常的完整。如果不能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水泥ph 值的控制，那么則應(yīng)該盡可能的降低水泥當(dāng)中的鉀離子以及鈉離子，這樣能夠使混凝土本身的高堿環(huán)境得到保證。

其次，則是就混凝土內(nèi)部使用鋼筋需要進(jìn)行涂層的增加，主要包括了鋼筋阻銹劑以及環(huán)氧涂層鋼筋。這種方法主要是通過對(duì)鋼筋的保護(hù)，來降低混凝土本身對(duì)鋼筋的保護(hù)作用。在新入軍的混凝土建筑物當(dāng)中，特種鋼筋的應(yīng)用數(shù)量非常多，因?yàn)樘胤N鋼筋本身的耐腐蝕性能要非常好，相比較與普通鋼筋來講，具有非常大的優(yōu)勢(shì)，尤其是在一些高溫高濕環(huán)境當(dāng)中[6]。

最后，是增加外加劑來提升混凝土的性能。對(duì)于混凝土的制備來講，外加既屬于一種增加含量極小，但是對(duì)混凝土性能能夠產(chǎn)生巨大影響的材料，也是在現(xiàn)如今進(jìn)行高性能混凝土制備過程當(dāng)中不可缺少的成分。雖然其擁有的優(yōu)點(diǎn)非常多，但是仍然存在一些缺點(diǎn)，因此在實(shí)際應(yīng)用外加劑時(shí)，需要就實(shí)際的使用情況以及后期工作激勵(lì)來進(jìn)行外加劑的選擇和添加，對(duì)于外加劑的有害雜質(zhì)含量要進(jìn)行嚴(yán)格的控制，并且積極就外加劑進(jìn)行產(chǎn)品的創(chuàng)新。

5 結(jié)語

綜上所述，對(duì)于冶金行業(yè)當(dāng)中的混凝土建筑物結(jié)構(gòu)來講，腐蝕作用的存在是不可避免的。我們需要做的是就腐蝕作用發(fā)生機(jī)理進(jìn)行分析，然后在此基礎(chǔ)之上，對(duì)腐蝕作用所產(chǎn)生影響進(jìn)行判定，然后采取針對(duì)性的措施對(duì)復(fù)試作用進(jìn)行防范。通過對(duì)腐蝕作用的作用影響降低，以提升混凝土建筑物本身的使用年限以及使用質(zhì)量，保證冶金生產(chǎn)的安全性。