淺談混凝土的化學腐蝕及預防措施

摘 要：由于混凝土內部有孔隙，存在易受腐蝕的物質，外界物質侵入后與其發生化學作用產生相應的腐蝕導致混凝土膨脹開裂影響混凝土的使用壽命。文章據此分析了混凝土化學腐蝕的類型，產生原因及預防措施。

關鍵詞：混凝土；化學腐蝕；膨脹；密實度

中圖分類號：TU375文獻標識碼：A文章編號：1006-8937（2011）18-0115-02

如今，混凝土在人類生活中扮演著越來越重要的角色，道路、橋梁、房屋建設都離不開混凝土。混凝土雖是一種很重要的建筑材料，但是它也和人一樣，有著自己的壽命，使用不當或者遭受到其它物質的侵害都會縮短它的壽命，從而損害國家、集體、個人的利益。混凝土在使用的過程中由于其內外環境中的一些化學腐蝕物質（如空氣中的二氧化碳、水土中鹽類酸類微生物、混凝土原料中有害成分）通過混凝土孔隙滲透或擴散到混凝土的內部發生化學作用引起混凝土成分性能發生改變，鋼筋腐蝕，導致混凝土的使用壽命降低。從總體來說，化學作用引起的混凝土腐蝕主要有：堿骨料腐蝕、硫酸鹽腐蝕、碳化腐蝕、氯鹽腐蝕，鎂鹽酸雨微生物腐蝕等。在濱海城市，水下工程，地下工程混凝土受這些方面的腐蝕尤為顯著。故探析混凝土化學腐蝕的類型和預防措施具有重要的意義。

1混凝土化學腐蝕的類型

1.1堿骨料反應對混凝土的腐蝕

混凝土中含有活性二氧化硅的骨料與所用水泥中的堿（Na2O和K2O）發生化學反應，生成堿——硅酸凝膠并吸水產生膨脹壓力致使混凝土開裂，這種反應稱為堿骨料反應。發生堿骨料反應需要具有三個條件：第一是用于混凝土的水泥含堿量高，一般的，總堿量R2O含量大于0.6％時才會與活性骨料發生堿骨料反應；第二是骨料中有相當數量的活性SiO2， 活性骨料通常有：蛋白石、玉髓、鱗石英、方石英，酸性或中性玻璃體的隱晶質火山巖：如流紋巖、安山巖及其凝灰巖；第三是潮濕環境，有充分的水分或濕空氣供應。即配制的混凝土中只有足夠的堿和反應性骨料，在混凝土澆筑后就會逐漸反應，在一定數量的反應產物吸水膨脹和內應力足以使混凝土開裂的時候，工程便開始出現裂縫。這種裂縫和對工程的損害隨著堿骨料反應的發展而發展，嚴重時會使工程崩潰。因堿骨料反應時間較為緩慢，短則幾年，長則幾十年才能被發現，一旦發生無法彌補，故堿骨料反應被喻為混凝土的癌癥。

1.2硫酸鹽對混凝土的腐蝕

腐蝕混凝土的硫酸鹽主要來自周圍的水、土，也可能來自原本受過硫酸鹽腐蝕的混凝土骨料以及混凝土外加劑，如噴射混凝土中常使用的大劑量鈉鹽速凝劑等。在常見的硫酸鹽中，對混凝土腐蝕的嚴重程度從強到弱依次為硫酸鎂、硫酸鈉和硫酸鈣。腐蝕性很強的硫酸鹽還有硫酸銨，自然界中的硫酸銨不多見，但在長期施加化肥的土地中則需要注意。

硫酸鹽很容易與混凝土中的Ca（OH）2產生置換反應而生成硫酸鈣，所生成的硫酸鈣又會與硬化水泥石結構中的水化鋁酸鈣作用生成高硫型水化硫鋁酸鈣（即鈣礬石），其反應式為：

3（CaSO4·2H2O）+3CaO·Al2O3·6H2O+19H2O → 3CaO·Al2O3·3CaSO4·3H2O

該反應生成的鈣礬石含有大量的結晶水，且比原有體積增加1.5倍以上，很容易產生內部應力，使混凝土內部膨脹開裂，對混凝土結構產生較大的破壞。當水中的硫酸鹽濃度較高時，所生成的硫酸鈣還會在孔隙中直接結晶成二水石膏，這也會產生明顯的體積膨脹而導致混凝土的開裂破壞。

1.3碳化對混凝土的腐蝕

空氣中CO2氣滲透到混凝土內，與混凝土中Ca （OH）2起化學反應生成碳酸鹽和水，使混凝土堿度降低的過程稱為混凝土碳化，又稱作中性化，其化學反應為：Ca（OH）2+CO2=CaCO3+H2O。水泥在水化過程中生成大量的氫氧化鈣，使混凝土空隙中充滿了飽和氫氧化鈣溶液，其堿性介質對鋼筋有良好的保護作用，使鋼筋表面生成難溶的Fe2O3和Fe3O4，稱為純化膜。碳化后使混凝土的堿度降低，當碳化超過混凝土的保護層時，在水與空氣存在的條件下，就會使混凝土失去對鋼筋的保護作用，鋼筋開始生銹，體積膨脹導致混凝土開裂。可見，混凝土碳化作用一般不會直接引起其性能的劣化，對于素混凝土，碳化還有提高混凝土耐久性的效果，但對于鋼筋混凝土來說，碳化會使混凝土的堿度降低，同時，增加混凝土孔溶液中氫離子數量，因而會使混凝土對鋼筋的保護作用減弱。影響混凝土碳化速度的因素是多方面的。首先影響較大的是水泥品種，因不同的水泥中所含硅酸鈣和鋁酸鈣鹽基性高低不同；其次，影響混凝土碳化主要還與周圍介質中CO2的濃度高低及濕度大小有關，在干燥和飽和水條件下，碳化反應幾乎終止；再次，在滲透水經過的混凝土時，石灰的溶出速度還將決定于水中是否存在影響Ca（OH）2溶解度的物質，如水中含有Na2SO4及少量Mg2＋時，石灰的溶解度就會增加，如水中含有Ca（HCO3）2的Mg（HCO3）2對抵抗溶出侵蝕則十分有利。因為它們在混凝土表面形成一種碳化保護層；另外，混凝土的滲透系數、混凝土的過度振搗、混凝土附近水的更新速度、水流速度、結構尺寸、水壓力及養護方法與混凝土的碳化都有密切的關系。

1.4氯離子對混凝土的腐蝕

氯離子引起的混凝土中鋼筋腐蝕是造成鋼筋銹蝕的最主要原因。在沿海、內陸(如鹽橋、鹽堿地) 或鹽堿工業區，混凝土的骨料和用水的氯鹽含量較高，尤其要注意氯離子對混凝土和鋼筋的腐蝕作用。

氯離子為強酸根離子，而且其離子半徑又很小，因此很容易隨著水分子進入到混凝土中，當Cl-進入混凝土后，會造成鋼筋表面pH值降低，破壞鋼筋表面鈍化膜，加劇了鋼筋的腐蝕，其化學方程式為：Ca（OH）2 + Cl-→CaCl2+H2O。然而，并非氯離子一到達鋼筋表面就能破壞其鈍化保護膜，也就是引起鋼筋的腐蝕，而是當氯離子的濃度超過引起鋼筋腐蝕的臨界氯離子濃度才會發生鋼筋的腐蝕。有研究表明：氯離子臨界濃度與pH 值間存在一定的關系，Huasmann發現當[Cl-] / [OH-]>0.6 時，鋼筋開始腐蝕。另外氯離子還會與鐵構成了腐蝕電池，在鋼筋表面形成特有的坑蝕；氯離子與鐵離子生成FeCl2，再溶于水，轉換成Fe（OH）2 ，釋放出氯離子，周而復始，腐蝕鋼筋。鋼筋腐蝕生銹后體積會膨脹，導致混凝土開裂；同時氯離子與混凝土中的Ca2+生成CaCl2能溶于水，形成多孔混凝土，降低混凝土的強度。故氯離子對鋼筋混凝土的腐蝕危害是非常大的。

1.5混凝土的其他化學腐蝕

①鎂鹽腐蝕。Mg2+與混凝土中氫氧化鈣反應性成的Mg（OH）2比Ca（OH）2膠結性更差，溶解性更大，結果使混凝土孔隙率提高，結構的密實性降低，當介質水流動時，腐蝕更加嚴重，當介質溶液中含有NaCl時，氫氧化鎂的溶解性會增高，加快腐蝕速度，其腐蝕化學方程式為：MgCl2+Ca（OH）2→CaCl2+Mg（OH）2。

②微生物腐蝕。硫桿菌能將硫、硫化硫酸鹽、亞硫酸鹽等氧化成硫酸鹽，最終轉化成對混凝土有強腐蝕性的硫酸；硫酸鹽還原菌能將硫酸鹽還原為強腐蝕性硫化氫，但高pH值、高密實度及不易滲透的混凝土對其是免疫的。

③酸及酸雨腐蝕。工業酸性廢水和酸性氣體形成的酸雨對混凝土的危害也日夜嚴重。這些酸會與混凝土中的某些成分進行反應生成非凝膠物質和易溶于水的物質，這種反應從混凝土表明到內部不斷地進行，最終殘留于內部，對混凝土進行徹底的腐蝕。另外，酸還可以促使混凝土中的水化硅酸鈣和水化氯酸鈣的分解，從而破壞了空隙結構的膠凝體，使混凝土的力學性能發生變化。酸性液體還會通過混凝土孔隙，裂縫滲透混凝土內部腐蝕鋼筋。

2防治措施

①嚴格選用原材料。根據混凝土工程所處環境及部位，結構的重要性去選用水泥、砂石、摻合料、拌和用水。水泥的選用需注意水泥品種的堿含量、水化熱、干縮性、耐熱性、抗滲性、抗腐蝕性、抗凍性強度等級等等，并結合具體情況進行選擇。如海洋工程的混凝土的水泥要求耐腐蝕能力強、抗凍融性好、水化熱低，應優先選用普通硅酸鹽水泥或其他耐腐蝕水泥，而不采用快硬硅酸鹽水泥；當骨料含有活性二氧化硅時應選用低堿水泥；骨料與摻合料的選擇應考慮其堿活性，防止堿骨料反應造成的危害，選用材質致密堅實，級配較好的骨料的混凝土，密實度高，可防腐蝕性物質滲透；混凝土中摻適量高爐礦渣、火山灰、粉煤灰、硅藻土等活性熟料可有效阻止腐蝕性離子向混凝土內部滲透，摻適量硅灰、粉煤飛、高爐礦渣可緩解、抑制混凝土的堿骨料反應；含鹽量較高或酸性較大的工業廢水、地下水在混凝土拌合中嚴禁使用。

②加適量外加劑。外加劑（減水劑、引氣劑）一般均能提高抗滲性，減弱碳化速度和鹽類的侵蝕，但含氯鹽的防凍、早強劑則會嚴重加速鋼筋銹蝕，應嚴格控制其用量。在混凝土中加引氣劑，增加混凝土的孔隙，使腐蝕介質化學反應產生的膨脹物能嵌進分散的孔隙中，降低膨脹而產生的應力。

③合理設計、施工、養護。通過設計合理的混凝土配合比，加強施工管理和養護去提高混凝土的密實度，從而提高混凝土的抗化學腐蝕性。如水泥用量少，水灰比過大，振搗不密實或漏振都會導致混凝土密實度降低，滲透性增大。外界環境中的水分及有害化學物質就會較多的浸入混凝土體內，加快混凝土的化學腐；混凝土成型后，必須在適宜的環境中進行養護。養護好的混凝土，具有膠凝好、強度高、內實外光和抗化學侵蝕能力強的特點；另增加混凝土保護層的厚度，使毛細孔更加不連續，各種物質侵入的難度增大，混凝土碳化、氯離子滲透到達鋼筋表面的時間就大大延長，從而減少了鋼筋銹蝕和混凝土腐蝕的可能。

④對混凝土進行表面處理。如在清理干凈的混凝土表面上，噴灑或滾涂混凝土表面增強劑，其有效成分能迅速地與混凝土中的游離鈣發生化學反應，生成結晶膠體填充結構空隙，增加結構的致密性，使得混凝土表層形成一個堅如磬石的密封實體，可大大提高混凝土結構表層的強度和抗化學腐蝕性；在混凝土表面涂瀝青或某些涂料，隔絕空氣和水，從而減少腐蝕介質的侵入，提高混凝土抗化學腐蝕性。

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