冶金環境對混凝土結構的影響分析

【摘 要】 冶金行業的混凝土結構常常會由于其惡劣的自然環境導致建筑物使用性能的快速下降。本文通過對冶金工業中導致混凝土結構劣化的因素及其劣化機理的分析，提出介質腐蝕和高熱腐蝕下混凝土結構的修復措施。

【關鍵詞】 冶金環境；混凝土結構；影響

引言

混凝土結構是我國建筑工程中應用最為廣泛的材料，但在長期使用中混凝土結構會在不同的環境中發生不同程度的老化與結構損傷，特別是冶金行業的混凝土結構常常會由于其惡劣的自然環境導致建筑物使用性能的快速下降，并危及建筑的安全運行[1]。因此，通過研究冶金工業生產導致混凝土結構劣化的因素及其劣化機理，進而提出恢復或提高原有結構的使用功能的有效措施成為一個迫切需要解決的課題。

1 冶金工業生產的環境特點

高爐水渣脫水槽是鋼鐵企業生產的重要設施，通常都采用鋼筋混凝土框架結構。由于鋼鐵生產中會產生較高溫度的腐蝕性液汽，鋼筋混凝土結構受這些腐蝕性液汽的長期侵蝕，會出現嚴重的劣化現象，導致高爐水渣脫水槽在使用7～8的使用就會出現混凝土結構開裂、表皮脫落、鋼筋銹蝕等嚴重威脅混凝土結構安全的問題。鋼連鑄輥道基礎也是鋼鐵企業生產必不可缺的設施，其會因鋼鐵生產高溫的長期烘烤，導致混凝土結構保護層基本失效、鋼筋銹蝕膨脹。總之，冶金工業的生產環境十分惡劣，使得混凝土結構的劣化速度加快，導致冶金工業混凝土建筑物需要進行頻繁的維修與加固。

2 響混凝土結構劣化的因素分析

2.1 混凝土的碳化

混凝土的碳化是由于大氣中的C02向混凝土內部擴散與其發生復雜的化學反應，導致混凝土的堿性下降，使混凝土變脆、產生不可逆的收縮，并引起混凝土表面微裂紋。在混凝土碳化過程會導致原有水泥水化產物的分解，導致混凝土穩定性和膠結能力的下降，使得混凝土強度降低或喪失[2]。鋼筋在堿度環境中會在其表面形成一層鈍化膜，可以使鋼筋免受腐蝕，而混凝土的碳化作用則會破壞鋼筋表面鈍化膜，從而導致鋼筋的腐蝕。通常C02的濃度、環境溫度及濕度是影響混凝土的碳化速度的三個主要因素。

2.2 混凝土的氯鹽、硫酸鹽侵蝕

2.2.1 混凝土的氯鹽侵蝕

通常氯離子侵入混凝土主要通過擴散作用、毛細管作用、滲透作用、電化學遷移等四種方式[3]。當混凝土表面層完好時，氯離子的滲透速率較慢，但當混凝土出現微裂縫時，氯離子會沿著裂縫快速進入混凝土結構內部，氯離子會擴散到鋼筋表面破壞鋼筋的鈍化膜，還會使鋼筋產生自極化現象，導致鋼筋鈍化膜的加快破壞。此外，氯離子還會與混凝土中的鋁酸三鈣發生反應，導致混凝土的膨脹破壞。

2.2.2 混凝土的硫酸鹽侵蝕

硫酸鹽溶液對混凝土的侵蝕是一個復雜的物理化學過程，主要是由于硫酸鹽離子與水泥石的氫氧化鈣和水化鋁酸鈣反應生成三硫型水化硫鋁酸鈣，導致固相體積倍增，引起混凝土的膨脹、開裂、解體。當硫酸鹽濃度較高時，還會有石膏結晶析出和破壞水化礦物的穩定性，引起混凝土的膨脹開裂。總的來說，混凝土本身的性能、侵蝕溶液和環境條件是影響硫酸鹽液體對混凝土侵蝕速率快慢的主要因素。

2.3 溫、濕度對混凝土劣化的影響

當混凝土處于低溫干燥的環境下，會產生較大的收縮變形，而當其吸收較多的水分后則會產生膨脹，這種溫、濕度的交替變化容易導致混凝土結構表面的混凝土與內部混凝土體積變形的不協調，進而是混凝土結構產生裂縫，當這種損傷累積到一定的程度時，就會導致混凝土強度和混凝土結構體系性能的下降。

3 冶金工業中混凝土劣化的原因及修復措施

3.1 介質腐蝕下混凝土的劣化及修復

冶金工業環境中的C02與強堿性的混凝土結構會產生化學反應，使混凝土堿度的降低，造成鋼筋鈍化膜的破壞。冶金工業脫水槽的冷卻液中含有大量的腐蝕性離子及氯鹽、硫酸鹽離子，會導致混凝土內部水化產物溶解，并逐漸滲透到混凝土內部與水泥水化產物再次發生反應，生成大量膨脹性產物，導致混凝土裂縫的產生和結構的解體。從大量的實際工程檢測可以知道，混凝土碳化深度一般不會超過5cm，表明碳化不是冶金工業混凝土結構破壞的主要原因，而腐蝕性離子的侵蝕才是脫水槽等結構劣化的主要原因。

從介質腐蝕下混凝土的劣化機理可知，混凝土的腐蝕主要是由于有害離子和水等因素引起的。因此，可以從添加聚合物來增強膠結性能、降低水泥水化產物中容易受到腐蝕的礦物的含量、摻入聚合物和消泡劑來填充與改善混凝土的孔隙三個方面對混凝土結構的劣化途徑進行控制。在混凝土結構中摻入聚合物，可以使聚合物和水泥水化產物相結合，形成抗介質腐蝕的空間穩定結構產物，并采取有效措施降低混凝土中的孔隙，降低外界侵蝕性介質和水從混凝土表面向混凝土內部滲透。通過減少混凝土中的水化鋁酸鹽和氫氧化鈣成份，可以起到提高混凝土結構穩定性的作用。通過減少混凝土開口孔隙的數量，并添加具有憎水性能的添加劑可以進一步阻止含有有害離子的介質滲入到混凝土內部。

3.2 高熱腐蝕下混凝土的劣化及修復

冶金工業生產通常都在超高溫環境中進行的，混凝土的碳化作用會導致混凝土中水化產物中的硅酸鈣分解為硅酸鈣石，使混凝土失去膠結作用。在高溫環境中，混凝土結構還會因為水化產物的失水導致水化產物發生變化，造成混凝土的松散。在混凝土孔隙溶液中腐蝕性離子也會導致混凝土結構中鋼筋的加速銹蝕，造成混凝土結構的破壞。

對于高熱腐蝕下混凝土結構的修復，可以從提高整體結構熱穩定性和減少水泥水化產物中穩定性差物質兩個方面入手。冶金工業中混凝土承受的溫度絕對值并不很高，可以在混凝土中熱穩定性較強的聚合物來提高混凝土基體的熱穩定性，通過采用熱穩定性強的礦物外加劑替代部分水泥可以提高水泥水化產物的熱穩定性。此外，還可以在混凝土中添加羥甲基纖維素醚和聚丙烯阻裂纖維等來提高混凝土強度的同時，改善混凝土的孔隙結構，通過引入孔隙使得溫度和水的蒸汽膨脹有釋放的通道，提高混凝土的抗裂性能。

4 結論

混凝土結構在高溫、高濕、腐蝕環境下迅速劣化，通過添加聚合物、降低易受到腐蝕礦物的含量、摻入聚合物和消泡劑等三個方面對介質腐蝕下混凝土的劣化進行修復，通過提高整體結構熱穩定性和減少水泥水化產物中穩定性差物質對高熱腐蝕下混凝土結構進行修復。

參考文獻

[1] 邱富榮，杜洪彥，林昌健. 21世紀鋼筋混凝土及其表面保護展望[J]. 材料保護， 2010（1）

[2] 袁承斌. 預應力混凝土結構在碳化及氯離子侵蝕環境下的耐久性研究[J]. 工業建筑， 2012（6）

[3] 趙尚傳，潘德強，宋國棟. 混凝土結構抗氯離子侵蝕試驗研究及耐久壽命預測[J]. 公路交通科技， 2010（4）