酸雨對混凝土樁基腐蝕研究綜述

陶 俊 （安徽省建筑工程質(zhì)量第二監(jiān)督檢測站，安徽 合肥 230031）

1 引言

混凝土樁基是建筑物的重要組成部分，其性能受到諸多內(nèi)外因素的作用。例如，外層混凝土在酸雨的作用下，發(fā)生酸堿中和反應(yīng)，內(nèi)部鋼筋因堿性環(huán)境減弱，表層鈍化膜發(fā)生腐蝕從而導(dǎo)致內(nèi)部生銹，以及其他的一些物理化學(xué)作用，這些都會(huì)使混凝土樁基發(fā)生腐蝕，降低性能。進(jìn)入21 世紀(jì)，世界各國工業(yè)化進(jìn)程不斷加速，各種化石燃料燃燒產(chǎn)生的如：二氧化硫、二氧化碳、氮氧化合物、硫化氫等氣體污染物進(jìn)入大氣，經(jīng)過一系列化學(xué)反應(yīng)生成硫酸和硝酸等二次污染物，形成酸雨后通過降水轉(zhuǎn)移到地表。酸雨與樁基表層混凝土發(fā)生酸堿中和反應(yīng)，改變水泥石的物理化學(xué)性質(zhì)，形成一系列膨脹性物質(zhì)，進(jìn)而引起其各種性能的劣化。同時(shí)，酸雨造成樁基內(nèi)部鋼筋周圍環(huán)境堿性條件變?nèi)酰摻畋韺逾g化膜腐蝕，內(nèi)部裸漏，在氧氣與水的作用下發(fā)生銹蝕，其產(chǎn)物由于體積膨脹，造成外層混凝土產(chǎn)生裂縫，最后造成混凝土樁基性能減弱甚至結(jié)構(gòu)破壞。目前，國內(nèi)外學(xué)者研究酸雨對建筑物地上結(jié)構(gòu)的破壞較多，而研究酸雨對建筑物地下結(jié)構(gòu)，例如混凝土樁基的影響較少。因?yàn)榻ㄖ锏叵陆Y(jié)構(gòu)的腐蝕相對較隱蔽，且難以被發(fā)現(xiàn)。但是，樁基作為建筑物的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，相較于地上結(jié)構(gòu)，其發(fā)生腐蝕后對建筑物的影響的可能更大。

本文綜述了酸雨對混凝土樁基腐蝕的作用機(jī)理，以及對樁基承載力和耐久性的影響，旨在為進(jìn)一步研究酸雨對混凝土樁基性能的影響提供一定的參考。

2 酸雨對混凝土樁基腐蝕機(jī)理研究

我國大部分酸雨區(qū)都是硫酸型酸雨，酸雨對混凝土樁基的腐蝕性分為兩部分，即外層的混凝土和內(nèi)部的鋼筋，兩者腐蝕機(jī)理不同。

2.1 酸雨對于樁基外部混凝土的腐蝕機(jī)理

對于外層混凝土來說，腐蝕性介質(zhì)主要是氫離子和硫酸根離子，氫離子主要起溶蝕作用，硫酸根離子主要起膨脹作用。其中氫離子與樁基外層混凝土中的Ca(OH)反應(yīng)，發(fā)生酸堿中和，將Ca(OH)溶解成鈣離子，使混凝土由外向內(nèi)，逐層被腐蝕。酸雨中的酸性物質(zhì)還使水泥石中的水化硅酸鈣水化鋁酸鈣的水解反應(yīng)加速，腐蝕了作為混凝土骨架的孔隙結(jié)構(gòu)的凝膠體，從而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)破壞，強(qiáng)度降低，離子反應(yīng)式如下：

酸雨于混凝土的腐蝕方面，相關(guān)學(xué)者做了一些研究。梁詠寧等研究了各種腐蝕介質(zhì)對混凝土的腐蝕作用，研究表明，在腐蝕進(jìn)入后階段，硫酸鈉比硫酸鎂對混凝土的腐蝕作用更劇烈。陳夢成等研究了酸雨中氫離子和硫酸根離子對水泥漿的腐蝕作用，研究表明，水泥漿的外層和內(nèi)部的腐蝕速率和腐蝕程度與酸雨氫離子和硫酸根離子的濃度和發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后的產(chǎn)物有關(guān)。肖佳等研究了酸雨中各種離子對粉煤灰砂漿的腐蝕作用，研究表明，粉煤灰砂漿試樣在酸腐蝕后，表層粗糙不平且發(fā)生崩解。通過改變粉煤灰與膠凝材料的比例，發(fā)現(xiàn)試樣抵抗強(qiáng)度下降系數(shù)隨著粉煤灰摻量比的增大而加速降低，硫酸根離子與水泥水解后的鈣離子反應(yīng)生成石膏。

酸雨是一種受諸多因素影響而成分多變且復(fù)雜的特殊性雨水，其對混凝土的腐蝕機(jī)理同樣具有多變性和復(fù)雜性，目前由于相關(guān)研究較少且研究不深入，對酸雨腐蝕混凝土的作用機(jī)理及相關(guān)化學(xué)成分變化沒有相對明確的結(jié)論，還需要進(jìn)一步的研究。目前能夠確定的是酸雨中的氫離子主要起溶蝕作用，使混凝土中的Ca(OH)、水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等物質(zhì)發(fā)生水解，使混凝土內(nèi)部骨架破壞，由外向內(nèi)逐層腐蝕。同時(shí)硫酸根離子與水泥石水解后生成的鈣離子作用，生成鈣礬石或者石膏等一系列膨脹性物質(zhì)，引起混凝土內(nèi)部應(yīng)力增大，發(fā)生脹裂破壞。胡曉波等研究表明，酸雨對混凝土的作用屬于復(fù)合型腐蝕破壞，腐蝕過程中不僅有氫離子和硫酸根離子的協(xié)同作用，還與雨水的軟化、沖刷和淋濾等附加作用有關(guān)。

2.2 酸雨對于樁基內(nèi)部鋼筋的腐蝕機(jī)理

鋼筋是混凝土樁基的重要組成，混凝土在養(yǎng)護(hù)硬化過程中，水化反應(yīng)生成Ca(OH)，在液相環(huán)境中濃度達(dá)到15%，使得鋼筋周圍的環(huán)境pH 值達(dá)到12.5，鋼筋在高堿性環(huán)境中，表面鈍化，生成了一層致密的鈍化膜，降低了電化學(xué)腐蝕反應(yīng)的活性。但是當(dāng)酸雨中的氫離子進(jìn)入混凝土后，會(huì)降低鋼筋周圍環(huán)境的堿性條件，當(dāng)周圍環(huán)境的pH 值小于9.8時(shí)，鋼筋表層鈍化膜腐蝕，內(nèi)部裸漏，在氧氣與水的作用下發(fā)生銹蝕，其產(chǎn)物由于體積膨脹，造成外層混凝土產(chǎn)生裂縫，最后造成混凝土樁基性能減弱甚至結(jié)構(gòu)破壞。酸雨對鋼筋的腐蝕符合電化學(xué)原理，是一種腐蝕電池作用，常以大量微電池的形式存在，有時(shí)也會(huì)發(fā)生宏電池腐蝕。其電化學(xué)反應(yīng)表達(dá)式為:

陽極反應(yīng)：Fe- 2e =Fe

陰極反應(yīng)：O+2HO+4e→4OH

綜合反應(yīng)：

2Fe+O+2HO= 2Fe(OH)（伴有電流）

鋼筋腐蝕產(chǎn)生Fe或Fe或者Fe(OH)繼續(xù)氧化形成的水化物。氧化后較單質(zhì)鐵體積膨脹2.5～6 倍，在樁基內(nèi)部形成很大的應(yīng)力，造成樁基的順筋開裂。

Zuo Xiuli等為了抑制X70 鋼在酸洗過程中的腐蝕，采用簡便的純水浸提方法，研究了百合葉提取物對X70 鋼的緩蝕性能。Elabbasy H.M.等考察了一種緩蝕劑在不同濃度酸性溶液下對碳鋼的緩蝕作用，此外，還研究了碘化鉀添加劑對緩蝕性能的影響。向斌等模擬酸雨環(huán)境，利用線性極化法和交流阻抗法研究A3 鋼的腐蝕行為，同時(shí)對比研究了不同酸度、離子濃度、浸泡時(shí)間下的腐蝕結(jié)果。結(jié)果表明，酸度與腐蝕速率呈正相關(guān)，硫酸根離子和氯離子對加速金屬陽極溶解，浸泡時(shí)間延長，腐蝕速率經(jīng)歷了增→減→增的過程。

3 酸雨對樁基承載力和耐久性影響

酸雨對混凝土樁基的破壞是由外到內(nèi)的漸進(jìn)過程，對樁基承載力和耐久性具有很大影響，目前國內(nèi)學(xué)者對此進(jìn)行了相關(guān)研究，并取得了一定研究成果。

牛斌濤等通過混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗硫酸鹽結(jié)晶破壞性能、微觀結(jié)構(gòu)與能譜測試，研究了不同膠材用量、摻加不同防腐劑對樁基耐腐蝕性能和耐久性能的影響。高寰研究了模擬酸雨環(huán)境和中性環(huán)境下的樁基模型試驗(yàn)，分別為樁頂承臺(tái)加卸載試驗(yàn)和模擬地面堆載固結(jié)試驗(yàn)，并就腐蝕前后模型鋼樁的表觀變化、質(zhì)量變化以及樁端阻力值、樁身軸力值、樁側(cè)摩阻力值的變化規(guī)律進(jìn)行了分析。張揚(yáng)等研究了硫酸根離子對混凝土的腐蝕以及對其抗壓強(qiáng)度的影響，研究表明，酸雨環(huán)境下混凝土的抗壓強(qiáng)度與硫酸根離子濃度呈負(fù)相關(guān)，且硫酸根離子濃度相比于周圍環(huán)境的pH 值、混凝土水膠比和粉煤灰摻量對抗壓強(qiáng)度影響最大。林明強(qiáng)等研究了硫酸溶液對鋼筋混凝土梁斜截面的腐蝕以及對其剪切性能的影響，研究表明，硫酸腐蝕混凝土梁后對其剪切破壞影響較小，對試驗(yàn)梁剪切破壞臨界狀態(tài)和剪切承載力的影響較大，經(jīng)硫酸溶液腐蝕后，混凝土和鋼筋的黏結(jié)力明顯減小。

酸雨對混凝土樁基的腐蝕以及對其性能劣化的影響較為明顯，但在各種腐蝕介質(zhì)的參與下，其外層混凝土和內(nèi)部鋼筋所發(fā)生的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)后的生成物，仍然需通過進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)。

4 結(jié)論及展望

酸雨對混凝土樁基的腐蝕由外向內(nèi)分為混凝土腐蝕和鋼筋腐蝕，其作用機(jī)理不同，對混凝土的腐蝕主要是氫離子的溶蝕作用和硫酸根離子的膨脹作用。酸雨中的氫離子使混凝土中的Ca(OH)、水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等物質(zhì)發(fā)生水解，使混凝土內(nèi)部骨架破壞，由外向內(nèi)逐層腐蝕。同時(shí)硫酸根離子與水泥石水解后生成的鈣離子作用，生成鈣礬石或者石膏等一系列膨脹性物質(zhì)，引起混凝土內(nèi)部應(yīng)力增大，發(fā)生脹裂破壞。對于內(nèi)部鋼筋來說，酸雨對鋼筋的腐蝕符合電化學(xué)原理，是一種腐蝕電池作用，常以大量微電池的形式存在，有時(shí)也會(huì)發(fā)生宏電池腐蝕，生成Fe或Fe或者Fe(OH)繼續(xù)氧化形成的水化物。外層混凝土的腐蝕，形成了通道，加劇了酸性物質(zhì)進(jìn)入樁基內(nèi)部與鋼筋接觸，從而加速了樁基內(nèi)部鋼筋的腐蝕。酸雨的腐蝕性對混凝土樁基的承載力和耐久性具有很大影響，但由于混凝土樁基是建筑物的地下結(jié)構(gòu)，其腐蝕相對較隱蔽，且難以被發(fā)現(xiàn)，相較于地上結(jié)構(gòu)，其發(fā)生腐蝕后對建筑物的影響的可能更大。目前對其重視程度較低，相關(guān)研究也較少且不夠深入，因此還有待進(jìn)一步的研究。