混凝土結構的腐蝕及防治

孟李燕 李吉坤 張世兵

隨著社會的不斷進步,人們對環境資源的重視,對建筑質量有更高的要求,也越來越重視建筑工程中的腐蝕現象。腐蝕是影響混凝土結構耐久性、可靠性的至關重要的因素,而關系民生的諸如大批的中小水廠和加壓工程中的儲水構筑物(如清水池);各類建筑物的地基基礎。它們常用的結構形式一般為鋼筋混凝土結構,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鋼筋混凝土具有腐蝕作用,為了保證這些建筑結構使用的耐久性,我們必須采用合適的防腐措施。

1 混凝土結構的腐蝕機理

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

2)鋼筋混凝土結構。從化學成分來看,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,對混凝土保護層產生巨大的輻射壓力,其數值可達30 MPa(大于混凝土的抗拉極限強度),使混凝土保護層沿著銹蝕的鋼筋形成裂縫(俗稱順筋裂縫)。這些裂縫進一步成為腐蝕性介質滲入鋼筋的通道,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展到一定程度,混凝土保護層則開始剝落,最終使構件喪失承載能力。

在通常情況下,混凝土空隙中充滿了由于水泥水解時產生的氫氧化鈣飽和溶液,其堿度很高,pH值在12以上。鋼筋在高堿度的環境中,表面沉積一層致密的氫氧化鐵薄膜,而轉入鈍化狀態,即使有空氣和水分進入,也不可能導致鋼筋的腐蝕。當混凝土受到外部因素作用而使混凝土的液相堿度降低時,鋼筋由鈍化狀態轉化為活性狀態,此時若有空氣和水分進入,鋼筋便開始生銹。造成混凝土液相堿度降低的原因,一般來說是由于酸性氣體

生成的碳酸鈣為微溶的化合物,其飽和溶液pH=9,遠遠小于鋼筋保持鈍化狀態所要求大于11.5的數值。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果。其反應式如下:

2 工程實例分析

某煤矸石發電廠,主廠房地下水各種離子濃度如圖1所示,取6個測點,各測點的結果如圖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值為無量綱量。

西南交通大學韓同春等認為:目前傾向于“Ca2+＞1 mg/L,pH＜11.63時便發生酸性侵蝕”,由圖1可知本工程滿足該條會發生酸性侵蝕。

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不會侵蝕混凝土。

由圖2及根據現行GB 50021-2001巖土工程勘察規范中腐蝕性評價標準:主廠房地段的三個地下水樣的侵蝕性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(測點5)為15.7 mg/L;西側小河河水樣的侵蝕性CO2含量(測點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長期作用易生成碳酸鈣沉淀,導致混凝土強度降低、裂隙擴大、結構疏松。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,脫水后大多形成潔白美麗的石花狀或鐘乳狀CaCO3結晶[2,3]。

綜合評定主廠區地下水對混凝土結構具強腐蝕性,對混凝土結構中的鋼筋無腐蝕性。

3 混凝土結構腐蝕的防治措施

1)鋼筋混凝土結構的混凝土保護層厚度直接影響構件的耐久性。當構件混凝土保護層厚度加大到一定值時,鋼筋腐蝕程度極輕微甚至不被腐蝕,混凝土保護層亦不出現裂縫。

2)國內外大量暴露試驗結果表明,主要構件裂縫寬度宜限制在不大于0.2 mm。適當限制主要承重構件裂縫寬度為0.1 mm～0.2 mm,將有利于提高構件本身在腐蝕介質環境中的耐久性。

3)構件的密實度與混凝土強度等級、水灰比有關。提高混凝土標號與適當降低水灰比,可提高構件的抗滲能力,減緩構件的腐蝕速度。

4)采用混凝土密封劑進行鋼筋混凝土的防腐。施工前應除去混凝土或砂漿基層表面的浮土、松動殘渣、污油等雜物。對縫隙、破損部位采用同標號的水泥砂漿或混凝土修復,用低壓噴霧器將密封劑均勻噴在基層表面。

5)前期對地質環境,尤其是水文地質及地下水化學性質的詳細評價是非常重要的,在混凝土的主要原材料(水泥的標號及成分)標準設計方案中,要考慮環境水對混凝土的侵蝕影響。

6)應加強對混凝土的監測,發現問題后及時采取措施。徹底剔除已完全遭受腐蝕侵害部分的混凝土,重新澆筑抗環境水侵蝕的混凝土,對剛開始發生腐蝕侵害的部位,可采用抗環境水侵蝕的水泥灌漿或其他加固處理措施予以治理。

7)通過對混凝土機理的研究和與環境的分析,通過試驗,確定了通過摻入外加劑進行有機補償和施工合理的控制,對增強混凝土的耐久性,延長混凝土建筑物使用壽命具有很強的現實意義。

4 結語

國內現行的《工業建筑防腐蝕設計規范》[5]中規定了一系列鋼筋混凝土結構設計防護方法及措施,若設計人員能熟知腐蝕性介質在鋼筋混凝土結構中的一般腐蝕機理,并結合所提供的生產環境因素按結構特征作主要設防,采取較經濟合理的防腐蝕結構和處理手段,就能有效地防止或減輕各類腐蝕介質對鋼筋混凝土結構的腐蝕作用。

[1] 張信鵬,王德森.耐腐蝕混凝土[M].北京:化學工業出版社,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].現代隧道技術,2003(4):20.

[3] 李樹林.地下混凝土結構防腐抗滲探討[J].南京建筑工程學院學報,2001(3):20-22.

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

[5] GB 50046-95,工業建筑防腐蝕設計規范[S].