混凝土结构的腐蚀及防治

孟李燕 李吉坤 张世兵

随着社会的不断进步,人们对环境资源的重视,对建筑质量有更高的要求,也越来越重视建筑工程中的腐蚀现象。腐蚀是影响混凝土结构耐久性、可靠性的至关重要的因素,而关系民生的诸如大批的中小水厂和加压工程中的储水构筑物(如清水池);各类建筑物的地基基础。它们常用的结构形式一般为钢筋混凝土结构,而且都跟地基土或地下水直接接触。由于某些地基土及地下水对钢筋混凝土具有腐蚀作用,为了保证这些建筑结构使用的耐久性,我们必须采用合适的防腐措施。

1 混凝土结构的腐蚀机理

1)素混凝土结构。素混凝土的基本组成材料是水泥、砂、石和水。影响素混凝土结构耐久性的主要因素为碱—集料的反应(混凝土中碱含量超标,暴露在水或潮湿环境使用时,其中的碱与碱活性集料间发生反应,引起膨胀)。

2)钢筋混凝土结构。从化学成分来看,钢筋的锈蚀物一般为Fe(OH)3,Fe(OH)2,Fe3O4等,其体积比原金属体积增大2倍～4倍。由于铁锈膨胀,对混凝土保护层产生巨大的辐射压力,其数值可达30 MPa(大于混凝土的抗拉极限强度),使混凝土保护层沿着锈蚀的钢筋形成裂缝(俗称顺筋裂缝)。这些裂缝进一步成为腐蚀性介质渗入钢筋的通道,加速了钢筋的腐蚀。钢筋在顺缝中的腐蚀速度往往要比裸露情况快,等到混凝土表面的裂缝开展到一定程度,混凝土保护层则开始剥落,最终使构件丧失承载能力。

在通常情况下,混凝土空隙中充满了由于水泥水解时产生的氢氧化钙饱和溶液,其碱度很高,pH值在12以上。钢筋在高碱度的环境中,表面沉积一层致密的氢氧化铁薄膜,而转入钝化状态,即使有空气和水分进入,也不可能导致钢筋的腐蚀。当混凝土受到外部因素作用而使混凝土的液相碱度降低时,钢筋由钝化状态转化为活性状态,此时若有空气和水分进入,钢筋便开始生锈。造成混凝土液相碱度降低的原因,一般来说是由于酸性气体

生成的碳酸钙为微溶的化合物,其饱和溶液pH=9,远远小于钢筋保持钝化状态所要求大于11.5的数值。其他酸性气体如SO2,H2S,HCl也可以与混凝土中氢氧化钙作用(称为混凝土的中性作用)。与混凝土中氢氧化钙作用的结果。其反应式如下:

2 工程实例分析

某煤矸石发电厂,主厂房地下水各种离子浓度如图1所示,取6个测点,各测点的结果如图1所示,其中Ca2+,Mg2+,Cl-,SO2-4的浓度单位为mg/L,HCO-3的浓度单位为mmol/L,pH值为无量纲量。

西南交通大学韩同春等认为:目前倾向于“Ca2+＞1 mg/L,pH＜11.63时便发生酸性侵蚀”,由图1可知本工程满足该条会发生酸性侵蚀。

一般将SO2-4的侵蚀浓度下限定为250 mg/L,pH定为10.24。因此本工程SO2-4不会侵蚀混凝土。

由图2及根据现行GB 50021-2001岩土工程勘察规范中腐蚀性评价标准:主厂房地段的三个地下水样的侵蚀性CO2含量以49.4 mg/L～62.8 mg/L为主;烟囱地段地下水样的侵蚀性CO2含量(测点5)为15.7 mg/L;西侧小河河水样的侵蚀性CO2含量(测点6)为 24.7 mg/L。游离CO2的含量均大于侵蚀性 CO2含量。CO2和HCO-3与Ca2+或Ca(OH)2长期作用易生成碳酸钙沉淀,导致混凝土强度降低、裂隙扩大、结构疏松。从混凝土的表面和缝隙中析出Ca(OH)2,随着析出量的增大并与空气中的CO2不断反应,脱水后大多形成洁白美丽的石花状或钟乳状CaCO3结晶[2,3]。

综合评定主厂区地下水对混凝土结构具强腐蚀性,对混凝土结构中的钢筋无腐蚀性。

3 混凝土结构腐蚀的防治措施

1)钢筋混凝土结构的混凝土保护层厚度直接影响构件的耐久性。当构件混凝土保护层厚度加大到一定值时,钢筋腐蚀程度极轻微甚至不被腐蚀,混凝土保护层亦不出现裂缝。

2)国内外大量暴露试验结果表明,主要构件裂缝宽度宜限制在不大于0.2 mm。适当限制主要承重构件裂缝宽度为0.1 mm～0.2 mm,将有利于提高构件本身在腐蚀介质环境中的耐久性。

3)构件的密实度与混凝土强度等级、水灰比有关。提高混凝土标号与适当降低水灰比,可提高构件的抗渗能力,减缓构件的腐蚀速度。

4)采用混凝土密封剂进行钢筋混凝土的防腐。施工前应除去混凝土或砂浆基层表面的浮土、松动残渣、污油等杂物。对缝隙、破损部位采用同标号的水泥砂浆或混凝土修复,用低压喷雾器将密封剂均匀喷在基层表面。

5)前期对地质环境,尤其是水文地质及地下水化学性质的详细评价是非常重要的,在混凝土的主要原材料(水泥的标号及成分)标准设计方案中,要考虑环境水对混凝土的侵蚀影响。

6)应加强对混凝土的监测,发现问题后及时采取措施。彻底剔除已完全遭受腐蚀侵害部分的混凝土,重新浇筑抗环境水侵蚀的混凝土,对刚开始发生腐蚀侵害的部位,可采用抗环境水侵蚀的水泥灌浆或其他加固处理措施予以治理。

7)通过对混凝土机理的研究和与环境的分析,通过试验,确定了通过掺入外加剂进行有机补偿和施工合理的控制,对增强混凝土的耐久性,延长混凝土建筑物使用寿命具有很强的现实意义。

4 结语

国内现行的《工业建筑防腐蚀设计规范》[5]中规定了一系列钢筋混凝土结构设计防护方法及措施,若设计人员能熟知腐蚀性介质在钢筋混凝土结构中的一般腐蚀机理,并结合所提供的生产环境因素按结构特征作主要设防,采取较经济合理的防腐蚀结构和处理手段,就能有效地防止或减轻各类腐蚀介质对钢筋混凝土结构的腐蚀作用。

[1] 张信鹏,王德森.耐腐蚀混凝土[M].北京:化学工业出版社,1989.

[2] 盛东劲,霍加庆.四川崇州某水电站引水隧洞混凝土腐蚀原因分析及防治建议[J].现代隧道技术,2003(4):20.

[3] 李树林.地下混凝土结构防腐抗渗探讨[J].南京建筑工程学院学报,2001(3):20-22.

[4] 苏芝芳,赖都成.防腐混凝土在工程施工中的应用[J].资源环境与工程,2007(2):28-30.

[5] GB 50046-95,工业建筑防腐蚀设计规范[S].