混凝土腐蝕破壞的反應(yīng)機(jī)理分析

靳寶龍,范建軍

(東方雨虹民用建材有限責(zé)任公司,北京 100176)

1 前言

在鹽漬土及其地下水和海洋地區(qū)都含有多種侵蝕介質(zhì),如硫酸鹽、氯鹽等。這些有害的侵蝕介質(zhì)對(duì)混凝土產(chǎn)生持續(xù)腐蝕作用,嚴(yán)重影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和使用壽命。

嚴(yán)重腐蝕環(huán)境諸如鹽堿地、沿海地區(qū)特別是直接處于海洋環(huán)境下的鋼筋混凝土構(gòu)筑物腐蝕損壞程度嚴(yán)重。據(jù)報(bào)道,在美國,每年的總腐蝕損失已達(dá)3000億美元,占GDP的4.2%[1]；在英國,需要重修或大修的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)占36%[2]；我國每年由腐蝕造成的損失約在1800～3600億元[3],在海南、湛江、北海、汕頭等18座碼頭中,發(fā)現(xiàn)已腐蝕損壞的占88.9%,舟山某軍港碼頭縱橫箍筋出現(xiàn)銹斷,因未進(jìn)行有效的防腐蝕處理而報(bào)廢,北京和天津的立交橋因冬季噴灑除冰鹽而造成橋梁構(gòu)件出現(xiàn)大面積的混凝土層脫落、鋼筋腐蝕現(xiàn)象[4]。

2 混凝土腐蝕破壞的反應(yīng)機(jī)理

根據(jù)混凝土的腐蝕破壞的反應(yīng)機(jī)理可將其主要分為硫酸鹽腐蝕、鹽類結(jié)晶腐蝕、鎂鹽腐蝕、碳酸腐蝕和氯鹽侵蝕等幾種方式。

2.1 硫酸鹽腐蝕

混凝土硫酸鹽腐蝕破壞的實(shí)質(zhì)是環(huán)境水中的硫酸鹽離子進(jìn)入混凝土內(nèi)部,與水泥石中一些固相組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成一些難溶的鹽類礦物[5]。這些難溶的鹽類礦物一方面可形成鈣礬石、石膏等膨脹性產(chǎn)物而引起混凝土開裂、剝落和解體；另一方面也可使硬化水泥石中CH和C-S-H凝膠等組分溶出或分解,導(dǎo)致水泥石強(qiáng)度和粘結(jié)性能下降。其侵蝕破壞類型大體有以下幾種：

2.1.1 鈣礬石膨脹破壞

CaSO4?2H2O+C-A-H+H2O→AFt+H2O

鈣礬石為溶解度極小的鹽類礦物,化學(xué)結(jié)構(gòu)上結(jié)合大量結(jié)晶水后,固相體積迅速增大,為原水化鋁酸鈣的25倍左右。同時(shí),鈣礬石的膨脹壓力與生成鈣礬石的晶體大小與形貌有很大關(guān)系。當(dāng)液相堿度較小時(shí),鈣礬石一般為大的板條狀晶體,一般不會(huì)產(chǎn)生有害膨脹；但當(dāng)液相堿度較高時(shí),會(huì)生成吸附力極強(qiáng)的片狀和針棒狀的鈣礬石晶體,此時(shí)鈣礬石嚴(yán)重的膨脹吸水作用,會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的膨脹應(yīng)力危害。

2.1.2 石膏膨脹破壞

2.1.3 硫酸鎂鹽溶析破壞

2.1.4 碳硫硅鈣石型破壞

一般的硫酸鹽侵蝕破壞主要是導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)體積膨脹開裂,而碳硫硅鈣石型破壞則是直接導(dǎo)致C-S-H凝膠的解體,使水泥石變?yōu)闊o強(qiáng)度、無粘結(jié)力的砂石,碳硫硅鈣石型破壞相比傳統(tǒng)的硫酸鹽侵蝕破壞作用更強(qiáng)。反應(yīng)方程式為：

2.1.5 硫酸鹽物理破壞

除了以上幾種化學(xué)作用產(chǎn)生的破壞類型外,還存在硫酸鹽物理破壞作用?；炷敛牧现袧舛冗^高的堿金屬離子與硫酸根反應(yīng)會(huì)析出帶有結(jié)晶水的堿金屬硫酸鹽,產(chǎn)生的結(jié)晶壓力會(huì)導(dǎo)致混凝土材料的膨脹開裂[8]。在干旱和溫差較大的地區(qū),混凝土空隙中的堿金屬鹽會(huì)更加容易濃縮而生成結(jié)晶鹽。

2.2 鹽類結(jié)晶腐蝕

含鹽量高的地下水中的混凝土基礎(chǔ)當(dāng)有部分表面暴露于空氣中時(shí),滲入到混凝土內(nèi)部的含鹽水會(huì)通過毛細(xì)作用向暴露面移動(dòng),使鹽集聚在這一區(qū)域,混凝土表層的含鹽量增大,鹽結(jié)晶產(chǎn)生膨脹應(yīng)力,導(dǎo)致混凝土表面剝落。

大部分鹽在不同環(huán)境下分別呈固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)三種聚集態(tài)。其中,鹽溶液侵蝕性較大,特別是呈酸性反應(yīng)或在溶液中能分解出酸根離子的鹽對(duì)混凝土均有不同程度的侵蝕。鹽類結(jié)晶侵蝕系混凝土一端與含鹽溶液接觸,通過毛細(xì)作用,溶液沿毛細(xì)管上升至混凝土迎空面；水分蒸發(fā),溶液達(dá)到過飽和在毛細(xì)管中析晶。一方面溶液濃度加大,達(dá)到過飽和,加速化學(xué)侵蝕反應(yīng)；另一方面因鹽析晶,產(chǎn)生晶間推力。

2.3 鎂鹽腐蝕

2.3.1 Mg2+的直接腐蝕

Mg2+對(duì)混凝土的腐蝕是通過水化產(chǎn)物CH產(chǎn)生復(fù)分解反應(yīng),或直接分解水泥石中的C-S-H與C-A-H凝膠,由于反應(yīng)生成的Mg(OH)2溶解度很低,混凝土體系pH值降低,導(dǎo)致其化學(xué)反應(yīng)不斷進(jìn)行,增大了混凝土的孔隙率,加速了水泥石結(jié)構(gòu)的解體,致使混凝土材料結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,這種現(xiàn)象在流動(dòng)的海水中更為嚴(yán)重。

MgCl2+Ca(OH)2→CaCl2+Mg(OH)2

MgSO4+Ca(OH)2→CaSO4?2H2O+Mg(OH)2

生成的Mg(OH)2溶解度低且強(qiáng)度不高,反應(yīng)生成的CaCl2是易溶的,促進(jìn)水泥石組成的分解,導(dǎo)致混凝土分解性破壞。而Mg(OH)2是白色松軟物質(zhì),破壞了混凝土材料結(jié)構(gòu)[9]。水泥石中的水化硅酸鈣和水化氯酸鈣與呈酸性的鎂鹽發(fā)生反應(yīng),生成的氫氧化鎂還能與鋁膠、硅膠發(fā)生緩慢反應(yīng),混凝土遭受氯化鎂鹽侵蝕的腐蝕形態(tài)是輕者剝蝕,重者潰散。

2.4 碳酸腐蝕

碳酸與水泥混凝土相遇時(shí),首先可以和水泥石中的氫氧化鈣作用,生成碳酸鈣,堵塞在水泥石的孔隙中。

Ca(OH)2+H2CO3→CaCO3+H2O

但是水中的碳酸還可以與碳酸鈣進(jìn)一步作用,生成易溶于水的Ca(HCO3)2而溶失,混凝土中Ca(OH)2減少,水化產(chǎn)物分解,使混凝土腐蝕。

其反應(yīng)方程式為,

CaCO3+H2O+CO2→Ca(HCO3)2

碳酸導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低、裂隙擴(kuò)大和結(jié)構(gòu)疏松。少量Na+和K+離子的存在會(huì)影響碳酸平衡,向著碳酸氫鈣方向移動(dòng),會(huì)加劇碳酸的腐蝕作用。而海水中存有大量的Na+、K+離子,可能會(huì)加速碳酸腐蝕。

2.5 氯鹽侵蝕

新拌混凝土具高堿性,鋼筋表面會(huì)形成一層保護(hù)性氧化鐵薄膜,薄膜牢固地吸附在鋼筋表面,使鋼筋處于鈍化狀態(tài),免受腐蝕。但是氯離子半徑小,穿透能力強(qiáng),可以很容易滲透到鋼筋表面,與OH-競(jìng)爭吸附在鋼筋表面,這不僅會(huì)使鋼筋表面保護(hù)膜產(chǎn)生收縮,導(dǎo)致膜裂縫,還會(huì)使該處的pH值降低,導(dǎo)致局部酸化,造成大陰極小陽極的情況；再次Cl-本身不會(huì)消耗,與Fe2+發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生易溶的FeCl2,加速了鋼筋表面鐵的離子化過程,即使鋼筋處于一種強(qiáng)堿的狀態(tài)下,混凝土中的氯離子也可以輕易損壞保護(hù)膜,從而促使鋼筋發(fā)生腐蝕,而鐵的腐蝕產(chǎn)物體積是基體鐵的2～4倍,使混凝土受到很大的內(nèi)應(yīng)力,導(dǎo)致混凝土保護(hù)層順筋開裂剝落破壞。具體的化學(xué)反應(yīng)過程如下：

(1)陽極反應(yīng)過程：陽極區(qū)Fe原子轉(zhuǎn)變成表面吸附原子,失去兩個(gè)電子進(jìn)而變?yōu)镕e2+,發(fā)生氧化反應(yīng)：Fe→Fe2++e-；

(2)陰極反應(yīng)過程：內(nèi)部的O2和H2O在得到電子的情況下生成大量的OH-：O2+H2O+e-→OH-；

腐蝕產(chǎn)物生成過程：Fe2+與陰極區(qū)的氫氧根離子反應(yīng)生成氫氧化亞鐵沉淀,進(jìn)一步氧化成 Fe(OH)3,脫水后變成紅銹Fe2O3,部分在少氧條件下變成 Fe3O4：

Fe2++OH-→Fe(OH)2、Fe(OH)2+O2+H2O→Fe(OH)3

Fe(OH)3→Fe2O3+H2O、Fe(OH)2+O2→Fe3O4+H2O

3 總結(jié)

海洋及鹽堿地等惡劣環(huán)境對(duì)鋼筋混凝土建筑物的腐蝕問題日益嚴(yán)重,防止鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕和增強(qiáng)其耐久性已成為越來越緊迫的任務(wù)?；炷粮g破壞的反應(yīng)機(jī)理主要分為硫酸鹽腐蝕、鹽類結(jié)晶腐蝕、鎂鹽腐蝕、碳酸腐蝕和氯鹽侵蝕等幾種方式。對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)采取有效的防護(hù)技術(shù)以防止混凝土的環(huán)境侵蝕、維護(hù)混凝土的性能,對(duì)保證并提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性與使用壽命具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。