多因素耦合作用下鋼筋混凝土的腐蝕研究現狀

高 升（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043）

多因素耦合作用下鋼筋混凝土的腐蝕研究現狀

高 升（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043）

混凝土結構通常受土壤環境水中硫酸鹽和鎂鹽溶液的侵蝕。構筑物或建筑物都大量使用混凝土，若蘭州地鐵建設過程中地下水的可溶性鎂鹽、硫酸鹽的含量過量時，則會對混凝土產生侵蝕作用，因而影響混凝土結構的壽命,甚至會造成嚴重的事故。因此研究多因素耦合作用下鋼筋混凝土的腐蝕將對地鐵結構的長期安全有重要的意義。

耦合作用；鋼筋混凝土；腐蝕

1 背 景

對蘭州地鐵軌道交通1號線的土質和地下水腐蝕情況進行調研和分析，針對地鐵車站所處的硫酸鹽、氯鹽和鎂鹽化學侵蝕等地下水、土環境進行取樣，作為試驗模型的腐蝕環境設計參考。通過地勘報告中對于地鐵各個區間和站點的水文地質條件的分析和總結，由表1可以看出具有代表性的幾個站點及區間的地下水中腐蝕性離子的含量。

表1 蘭州地鐵地下水中腐蝕性離子濃度匯總

2 硫酸鎂對混凝土的腐蝕研究現狀

2.1 硫酸鎂對混凝土的化學腐蝕機理

硫酸鎂對混凝土的腐蝕是硫酸鹽腐蝕中最嚴重的一種，其原因就在于Mg2+和SO42-對混凝土都具有腐蝕性，這種雙重腐蝕使得對混凝土的腐蝕大大加強，破壞也就更加厲害，化學反應主要有以下兩種：

在以上反應中，由反應生成的Mg(OH)2是一種溶解度很低且強度也較低的無膠結能力的松散狀物質，它的沉淀會在短時間內阻塞混凝土內的毛細孔形成鈍化膜，短時間內抑制Mg2+向混凝土內部的擴散，但是由于在上述反應中也同時生成了石膏和鈣礬石，而這兩種物質都具有膨脹性，所以隨著時間的增長，會使混凝土體積膨脹而產生裂縫，此時Mg2+和SO42-又得以進入混凝土內部發生上述反應，從而使腐蝕加劇。此外，由于Ca(OH)2的大量消耗，溶液pH值降低，為了維持溶液pH，C-S-H水化產物開始分解，生成石膏和水化強度不高粘性很差的硅酸鎂（M-S-H）[1]，從而降低了混凝土強度和黏結性，加之膨脹應力的增加，最終導致混凝土的破壞。

2.2 硫酸鎂對混凝土的雙因素腐蝕研究現狀

國內專家在鎂鹽與硫酸鹽對混凝土的雙腐蝕問題上做了一系列研究。梁永寧等[2]通過加速試驗的方法研究混凝土在硫酸鈉和硫酸鎂中的腐蝕破壞機理，提出硫酸鎂腐蝕以化學腐蝕為主，在實驗早期，鎂鹽腐蝕速度相較于硫酸鈉更快，當到后期時，由于硫酸鈉腐蝕既存在鹽結晶腐蝕又有化學腐蝕，兩種腐蝕相疊加會使混凝土的損傷速度比硫酸鎂腐蝕更快；劉贊群[3]等分別以不同的埋置深度將混凝土存在與不同濃度的硫酸鹽溶液中，發現溶液pH值的大小能夠影響腐蝕產物種類，較低時，對應的腐蝕產物為石膏，較高時，對應的腐蝕產物為鈣礬石；劉俊和牛荻濤等[4]采用干濕循環快速試驗方法，通過對摻合料混凝土試件宏觀形態的記錄和微觀結構的掃描，得到干濕循環環境下，不同的硫酸鹽種類及濃度對摻合料抗硫性能影響較大，同等濃度的MgSO2的影響程度大于NaSO2，不同種溶液，硫酸根離子濃度越高，影響程度越大。

國外學者的研究主要有：Gollop R S等[5]通過分析微觀結構研究了抗硫酸鹽水泥（Sulfate-resisting Portland cement,SRPC）在硫酸鈉和硫酸鎂作用下的腐蝕機理，經過6個月的腐蝕試驗，發現SRPC相比普通水泥抗硫酸鹽腐蝕性能更優，其內部出現的裂紋和混凝土表面的腐蝕都較輕微。在硫酸鈉環境下，產生的腐蝕產物主要是鈣礬石，混凝土的破壞膨脹開裂為主，在硫酸鎂環境下，由于鎂離子的脫鈣作用，腐蝕產物主要為石膏和鎂的氫氧化物，混凝土由于內部組分的分解，開始粉化和表面剝落；Binici H等[6]通過試驗研究了摻和料種類對混凝土在抗硫酸根離子和鎂離子腐蝕性能的影響，并以抗壓強度的下降幅度來表征其影響大小；Fikret Türker等[7]研究發現硫酸鹽溶液濃度達到某個臨界值時，混凝土的損傷會出現突變，同時發現硫酸鎂溶液的雙重腐蝕能加速混凝土的劣化速度。

2.3 多因素耦合作用下鋼筋混凝土的腐蝕研究現狀

針對單種腐蝕因素的研究，混凝土處于單一條件下耐久性的研究很多，然而實際環境中混凝土所處的外界環境并不單純，混凝土的腐蝕破壞往往是由于多種因素共同作用而形成的。幕儒等[8]通過不同手段研究了氯鹽、硫酸鹽腐蝕環境下高性能混凝土的劣化機理，試驗結果表明礦物摻合料會提高混凝土的抗氯離子和抗硫酸根離子損傷能力，一定條件下硫酸根離子會降低混凝土抗氯離子腐蝕能力，氯鹽能夠減緩硫酸根離子對混凝土的損傷速度；不同的外部環境和應力亦能使其腐蝕發生不同程度的變化；陳四利等[9]則著重通過試驗末期混凝土強度的變化研究了凍融循環和硫酸鹽共同作用下混凝土的耐久性的影響，結果表明二者耦合能加速腐蝕速率。

氯化物是一種及其危險的侵蝕介質，是鋼筋混凝土的大敵。國內外眾多的研究結果和工程實例都表明，氯化物的侵入引起的鋼筋銹蝕，是影響混凝土結構的承載力，威脅其耐久性最主要和最普遍的原因。侵入鋼筋混凝土內部的氯鹽會使其發生電化學腐蝕。當Cl-侵入到鋼筋混凝土內部后，其內部會發生一系列復雜的電化學過程，這些電化學反應的進行，最終導致鋼筋混凝土內部的鋼筋發生嚴重破壞。氯離子主要通過以下幾個步驟腐蝕鋼筋。

2.3.1 破壞鈍化膜。

因初期水泥水化，其產物使混凝土與鋼筋界面生成一層致密的鈍化膜，研究表明該水化產物的包裹對混凝土中鋼筋具有保護的作用，但氯離子作為一種極強的脫鈍劑，其通過擴散作用進入混凝土到達鋼筋表面，吸附于局部鈍化膜處。達到一定濃度的氯離子將會造成鋼筋表面鈍化膜的pH迅速降低，當鋼筋表面的pH降低至4以下，鋼筋表面鈍化膜將被破壞。

2.3.2 形成“活化-鈍化”腐蝕電池

氯離子作為一種半徑小且活性較大的離子，其能夠從混凝土的孔隙處滲透進去與鋼筋表面的金屬原子發生反應破壞鈍化膜；然而對不均質的混凝土來說，氯離子對鋼筋表面鈍化膜的破壞過程通常只是發生在局部，局部發生腐蝕部位和其它部位將會形成電位差，成為腐蝕電池。腐蝕電池原理：鋼筋表面因腐蝕而暴露的金屬此時成為該腐蝕電池的陽極，而鋼筋表面的鈍化膜區域就會成為腐蝕電池的陰極。鋼筋表面產生大量的蝕坑的原因就是腐蝕電池作用的結果。并且由于這種狀態下腐蝕電池的兩極是大陰極對應于小陽極，因此蝕坑的發展會非常迅速。

2.3.3 去極化作用

氯離子對混凝土中鋼筋的腐蝕作用不僅會促成鋼筋表面形成腐蝕電池，并且會加速電池的腐蝕作用。具體表現為：氯離子首先與腐蝕的陽極產物Fe2+形成氯化亞鐵，將陽極產物迅速轉移，加快陽極腐蝕的進行。而氯離子本身在此過程卻不會被消耗，只是起到了催化劑的作用。氯離子雖然并不是腐蝕產物，但是擴散進入混凝土中的氯離子，將會對混凝土起到循環的破壞作用。其腐蝕方程為：

圖1 混凝土受外界環境影響而劣化的整體模型

2.3.4 導電作用

離子通路是形成腐蝕電池的重要因素。氯離子的存在將會強化混凝土中的離子通路，降低金屬電阻，提高腐蝕電池的電化學腐蝕過程效率，從而加速電化學腐蝕過程。

國外學者對此也做了一系列研究。1994 年，Mecha依據“最簡單也是最有效的解決方案”，從根源分析影響耐久性的因素，提出了混凝土受外界環境影響劣化的整體模型[10]，見圖1，該模型認為引起混凝土劣化的起始因素為腐蝕初期形成的孔隙和微裂縫，它們會在混凝土內部形成一條通路，使得侵蝕性離子和水分等進入其中而使混凝土內部發生一系列化學腐蝕，最終導致混凝土出現膨脹、開裂和整體性破壞。喬宏霞等[11]的研究表明，干濕循環作用下有害離子在混凝土中的侵蝕速度明顯加快.此外，硫酸鹽侵蝕是一個漫長的劣化過程，需要積累各種環境下的長期性能測試數據來滿足硫酸鹽侵蝕下實際混凝土結構的壽命預測和服役性能的評估要求。

3 結 語

對于多種因素耦合作用下的混凝土腐蝕性研究問題，目前的研究成果相對較少，且大多數都是物理環境和化學環境的耦合，比如干濕循環和硫酸鹽腐蝕環境下混凝土的腐蝕，而對于混凝土在多種腐蝕性化學離子的耦合作用下的腐蝕性缺乏研究，尤其是氯離子、硫酸根離子和鎂離子多重因素耦合作用下對鋼筋混凝土的研究更是相對匱乏。對于鋼筋混凝土而言，單純的氯鹽能夠對鋼筋造成電化學腐蝕，而硫酸根離子和鎂離子都能夠腐蝕混凝土，使其膨脹開裂，表面出現裂縫。三個腐蝕因素相耦合是會相互抑制還是相互促進，亦或是會發生更復雜的變化過程，需要我們進一步探究。

[1]Manu Santhana.Menashl D.Cohen and Jan Olek.Mechanlsm of sulfate attack: A fresh look: Part1: Summary of experimental results [J].Cement And Concrete Research, 2002,32:915-921.

[2]梁詠寧,袁迎曙,硫酸鈉和硫酸鎂溶液中混凝土腐蝕破壞機理[J].硅酸鹽學報,2007,35(4):504～508.

[3]劉贊群,混凝土硫酸鹽侵蝕基本機理研究[D].長沙:中南大學,2010.

[4]劉俊,牛荻濤. 摻合料混凝土在不同硫酸鹽環境中的性能分析[J].混凝土 ,2010,247(5):3-6.

[5]Gollop R S, Taylor H F W. Microstructureal and microanalytical studies of sulfate attack Ⅲ . Sulfate-resisting Portland cement: reaction with sodium and magnesium sulfate solutions [J]. Cem. Con. Res., 1995, (7): 1581-1590.

[6]Binici H, Aksogan O. Sulfate resistance of plain and blended cement [J]. Cem. Con. Comp., 2006, (1): 39～46.

[7]Fikret Türker, Fevziye Ak z, Sema Koral, et al. Effects of magnesium sulfate concentration on the sulfate resistacne of mortars with and without silica fume [J]. Cem.Concr. Res., 1997, 27 (2): 205～214.

[6]金偉良,趙羽習著.混凝土結構耐久性.北京:科學出版社,2002:55- 57.

[8]慕儒.凍融循環與外部彎曲應力、鹽溶液復合作用下混凝土的耐久性與壽命預測[博士學位論文].南京:東南大學,2000.

[9]陳四利,寧寶寬,胡大偉.硫酸鹽和凍融雙重作用對混凝土力學性質的影響[J].工業建筑,2006,36(12):12-15.

[10]P.K.Metha. Concrete technology at the crossroads—problems and opportunities.Concrete Technology, Past,Present, and Future.Mohan Malhotra Symp.,ed.P.K.Metha.ACI Special Publ.SP-144，1994:1～30.

[11]喬宏霞.混凝土抗硫酸鹽腐蝕耐久性的評價方法研究[D]: [蘭州理工大學博士學位論文]. 蘭州,2007, 130-132.

Study on corrosion of reinforced concrete under multi factor coupling

Concrete structure is usually affected by sulfate and magnesium salt solution in the soil water environment. the structure or building used a large number of concrete,if excessive content of soluble magnesium salt and sulfate in groundwater in the process of Lanzhou subway construction,it will cause erosion of concrete,thus affecting the life of concrete structure,even which will cause serious accident.So it is important to study the corrosion of reinforced concrete under the coupling action of multi factors,which will be of great significance to the long-term safety of the subway structure.

coupling action；reinforced concrete；corrosion

TU503文獻辨識碼：B

：1003-8965(2017)02-0029-03

中鐵一勘院科研開發(院科13-24-01)