混凝土結構的腐蝕及防腐措施

1、混凝土結構的腐蝕及防腐措施 混凝土結構一直被認為是一種節(jié)能、經(jīng)濟、用途極為廣泛的人工耐久性材料,是目前應用較為廣泛的結構形式之一.但隨著結構物的老化和環(huán)境污染的加劇,其耐久性問題越來越引起國內(nèi)外廣大研究者的關注.由于勘察、制定、施工及使用過程中多因素影響,很多混凝土結構都先后出現(xiàn)病害和劣化,使結構出現(xiàn)了各種不同程度的隱患、缺陷或損傷,導致結構的安全性、適用性、耐久性降低,最終引起結構失效,造成資金的龐大浪費.從國外狀況來看1,美國與鋼筋腐蝕有關的損失占總腐蝕的40%;前蘇聯(lián)工業(yè)建筑的腐蝕損失占工業(yè)固定資產(chǎn)的16%,僅混凝土和鋼筋的腐蝕損失占GDP的125%; 1999年,澳大利亞公布的腐蝕損失

2、為GDP的4.2%.除此之外,北歐、英國、加拿大、印度、日本、韓國及海灣地區(qū)等不少國家都存在以基礎結構設施為主的腐蝕.中國面臨的問題同樣很嚴峻.依據(jù)中國工程院20012003年中國工業(yè)和自然環(huán)境腐蝕調(diào)查與對策中的統(tǒng)計, 1998年中國建筑部門(包括公路、橋梁建筑)的腐蝕損失為1000億人民幣2.近年來,中國建筑行業(yè)的發(fā)展速度突飛猛進,一批批建筑物拔地而起,但鋼筋混凝土基礎的耐久性問題也逐漸暴露出來.所以,重視和強化鋼筋混凝土基礎結構的腐蝕性與防腐措施的研究已迫在眉睫. 1腐蝕機理分析 11混凝土的腐蝕機理 混凝土的腐蝕是一個很復雜的物理的、物理化學的過程.由于混凝土腐蝕機理的復雜性,對混凝土腐

3、蝕的分類還沒達成一個共同的熟悉,但一般都傾向于采納前蘇聯(lián)學者BM.莫斯克文為代表所提出的分類方法3.將混凝土的腐蝕分為3類:溶蝕性腐蝕、某些鹽酸溶液和鎂鹽的腐蝕、結晶膨脹型腐蝕. 所以,混凝土的腐蝕機理可從以下3類入手:物理作用、化學腐蝕、微生物腐蝕. 111物理作用 物理作用是指在沒有化學反應發(fā)生時,混凝土內(nèi)的某些成分在各種環(huán)境因素的影響下,發(fā)生溶解或膨脹,引起混凝土強度降低,導致結構受到破壞.物理作用主要包括2類:腐蝕作用和結晶作用. (1)腐蝕作用:當環(huán)境中的腐蝕性介質(zhì)(如地下軟水,河流、湖泊中的流水)長期與混凝土接觸時,將會使混凝土中的可溶性成分(如Ca(OH)2)溶解.在無壓力水的環(huán)

4、境下,基礎四周的水容易被溶出的Ca(OH)2飽和,使溶解作用終止.腐蝕作用僅僅發(fā)生在混凝土表面,影響不大.但在流水或壓力水作用下, Ca(OH)2會不斷溶解、流失,使混凝土強度減小,pH值降低,孔隙率增大,腐蝕性介質(zhì)更容易進入混凝土內(nèi)部,如此循環(huán),導致混凝土結構破壞.(2)結晶作用:混凝土是一種非常典型的孔隙材料.環(huán)境中的某些鹽類侵入到混凝土的毛細孔道中,在濕度較大時會溶解,但在濕度較低或低溫環(huán)境下會吸水結晶.隨著孔隙中晶體的不斷析出、積存,毛細孔中的晶體體積將不斷膨脹,對混凝土孔壁造成極大的結晶壓力,從而引起混凝土的膨脹開裂.寒冷地區(qū)的凍融破壞也屬于此類反應. 112化學腐蝕 化學腐蝕是指混

5、凝土中的某些成分與外部環(huán)境中腐蝕性介質(zhì)(如酸、堿、鹽等)發(fā)生化學反應生成新的化學物質(zhì)而引起混凝土結構的破壞.化學腐蝕可歸納為兩大類:分解類腐蝕和分解結晶復合類腐蝕. (1)分解類腐蝕混凝土中的有效成分與某些腐蝕性介質(zhì)發(fā)生復分解反應,生成了新的物質(zhì). (2)分解結晶復合類腐蝕混凝土中的Ca(OH)2與腐蝕性介質(zhì)發(fā)生反應,生成某些新的鈣鹽,這些鈣鹽在混凝土的毛細孔中可結合大量的水而形成體積較大的晶體,造成水泥石脹裂破壞. 113微生物腐蝕 從目前來看,生物對混凝土的腐蝕問題尚未引起國內(nèi)重視4.據(jù)了解,獨聯(lián)體國家由于混凝土遭受生物腐蝕所造成的經(jīng)濟損失,到20世紀90年代初已達到55億美元/a,而且還

6、有持續(xù)增加的趨勢.生物對混凝土的腐蝕大致有2種形式:生物力學作用.類似于混凝土的化學腐蝕. 12鋼筋的腐蝕機理 電化學腐蝕是混凝土中鋼筋腐蝕的根本原因.鋼筋發(fā)生電化學腐蝕需具備以下幾個條件5: (1)有陰極、陽極和電位差; (2)有離子通路(電解質(zhì)); (3)有電子通路.多數(shù)狀況下,鋼筋混凝土都滿足鋼筋腐蝕的電化學條件.通常在鋼筋表面的非鈍化區(qū)域處于活化狀態(tài),形成腐蝕電池的陽極,可以自由釋放電子,形成電子通路;在鈍化區(qū)將形成腐蝕電池的大陰極,在該區(qū)域鋼筋表面存在足夠多的水和氧(電解質(zhì))5.由于鋼筋材質(zhì)和表面的非均勻性,鋼筋表面總有可能形成電位差.因此,在潮濕環(huán)境下就可發(fā)生電化學反應,反應生成的

7、Fe(OH)2不穩(wěn)定,在氧氣充足的狀況下,會進一步氧化成紅鐵銹,體積膨脹數(shù)倍,使得混凝土表面脹裂,鋼筋力學性能下降. 2腐蝕因素及其作用規(guī)律 鋼筋混凝土基礎屬于地下結構.影響其腐蝕的因素主要有以下幾種:混凝土的密實性、抗化學腐蝕性、堿骨料反應以及鋼筋的銹蝕等. 21密實性 混凝土的密實性直接影響混凝土的其他耐久性因素,如抗凍性、抗化學腐蝕性等.由于水泥在水化過程中會出現(xiàn)一些毛細孔隙,所以混凝土結構不可能絕對密實.從理論上講,硅酸鹽水泥完全水化所結合的水量只占水泥質(zhì)量的22.7%,但為了保證有必要的毛細孔作為供水通道,使水泥完全水化的最少需水量為43.8%.因此,實際用水量都要比理論值偏大,從而

8、使水灰比增大,混凝土的密實性減小. 22抗化學腐蝕性 221硫酸鹽腐蝕 硫酸鹽腐蝕在不同條件下主要有2種形式:E鹽破壞和G鹽破壞.E鹽破壞即鈣釩石膨脹破壞,通常發(fā)生在SO2-4質(zhì)量濃度低于1000mg/L的狀況下,其破壞產(chǎn)物為鈣釩:4CaOAl2O312H2O+3SO2-4+2Ca(OH)2+20H2O 3CaOAl2O33CaSO431H2O+6OH-,反應生成的鈣釩石是溶解度極小的鹽類礦物,極限石灰質(zhì)量濃度只有0.045g/L,即使在很低質(zhì)量濃度的石灰溶液中也能穩(wěn)定存在.此類物質(zhì)呈針柱狀晶體,又稱之為“水泥桿菌,其體積增加了2.77倍,在混凝土內(nèi)產(chǎn)生了龐大的膨脹應力. 222鎂鹽腐蝕 鎂鹽

9、主要以MgSO4和MgCl2的形式存在.當滲入到混凝土中,將會與水泥石中的Ca(OH)2發(fā)生復分解反應: Ca(OH)2+MgSO4+2H2O CaSO42H2O+Mg(OH)2; Ca(OH)2+MgCl2CaCl2+Mg(OH)2. 反應生成的固相物質(zhì)Mg(OH)2積聚在混凝土孔隙內(nèi),在一定程度上可以阻止外界腐蝕性介質(zhì)的侵入,但該反應消耗了大量的Ca(OH)2,使混凝土的pH值降低,導致水泥石中的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣與呈酸性的鎂鹽發(fā)生反應.以MgSO4為例:3CaOAl2O36H2O+3MgSO4+6H2O 3(CaSO42H2O)+2Al(OH)3+3Mg(OH)2, 3CaO2SiO

10、23H2O+3MgSO4+9H2O 3(CaSO42H2O)+2SiO23H2O+3Mg(OH)2, 反應生成的Mg(OH)2還能與鋁膠、硅膠緩慢反應: 2Al(OH)3+Mg(OH)2Mg(AlO2)2+4H2O; 2SiO23H2O+2Mg(OH)22MgSiO3+5H2O, 結果將導致水泥石的粘結力下降,混凝土的強度大大降低. 223氯鹽腐蝕 這里的氯鹽是指自由氯離子,已結晶固化的氯化物一般對混凝土不會有破壞作用.基于所處環(huán)境的不同,外部氯離子一般通過滲透、擴散等方式侵入混凝土中.它們可以和混凝土中的Ca(OH)2、3CaO2Al2O33H2O等發(fā)生反應,生成易溶的CaCl2和帶有大量結

11、晶水且比反應物體積大幾倍的固相化合物.反應式如下: Ca(OH)2+2Cl-CaCl2+2OH-; 3CaCl2+3CaOAl2O36H2O+25H2O 3CaOAl2O33CaCl231H2O. 由上述反應式可以發(fā)現(xiàn),Ca(OH)2的大量消耗,破壞了CSH凝膠和Ca(OH)2之間的平衡,導致CSH凝膠被大量分解,最終導致混凝土表面的潰散.此外,在混凝土干濕交替帶,大量的CaCl2還會產(chǎn)生氯化鈣結晶(CaCl26H2O)腐蝕. 23鋼筋銹蝕 鋼筋的銹蝕是一個電化學過程,由鐵變成氧化鐵,體積膨脹,鋼筋銹蝕的不利影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面: (1)混凝土順筋開裂.鋼筋在銹蝕過程中,體積會膨脹,依據(jù)

12、最終銹蝕產(chǎn)物的不同,可膨脹26倍,對混凝土造成龐大的膨脹應力,使混凝土沿鋼筋產(chǎn)生順筋裂縫.一般來說,當混凝土內(nèi)鋼筋腐蝕率達到1%左右時,混凝土表面將會產(chǎn)生順筋裂縫. (2)鋼筋與混凝土的粘結力下降.隨著鋼筋銹蝕反應的發(fā)生,鋼筋與混凝土之間的粘結力將發(fā)生很大變化.在鋼筋銹蝕初期(混凝土表面沒有產(chǎn)生順筋裂縫),鋼筋與混凝土間的粘結力會隨著銹蝕量的增加而有所提升,但當鋼筋銹蝕到一定程度時(混凝土表面產(chǎn)生順筋裂縫),粘結力將隨銹蝕產(chǎn)物的增加而顯然下降,甚至喪失,導致鋼筋與混凝土不能協(xié)同工作.在荷載作用下,構件滑移增大,變形顯著,嚴重時會使結構(構件)發(fā)生局部或整體失效. (3)鋼筋有效面積減小.鋼筋在

13、銹蝕過程中,其表面形成的銹蝕產(chǎn)物呈膨松狀,承載力幾乎喪失,使鋼筋能夠承受荷載的有效面積減小,實際承載力下降. 3防腐措施 31重視選材 311水泥 水泥是混凝土的重要組成部分,其性質(zhì)對混凝土結構耐久性有著重要影響.依據(jù)腐蝕環(huán)境的不同,合理選擇水泥品種有利于提升混凝土的耐久性.水泥中的堿性物質(zhì)能在鋼筋表面形成鈍化膜,這也是混凝土能夠保護鋼筋免遭銹蝕的基本條件.有資料說明5:當混凝土的pH值9.88時,鈍化膜生成困難或已經(jīng)生成的鈍化膜逐漸破壞;當pH值處于9.8811.5之間時,鋼筋表面的鈍化膜不完整,不能完全保護鋼筋免受腐蝕;當pH值11.5時,鋼筋才能完全處于鈍化狀態(tài).然而隨著水泥中堿含量的增

14、加,發(fā)生堿骨料反應的概率也將增大,對混凝土的耐久性也不利.因此,無論選擇低堿水泥還是高堿水泥,都應按實際狀況合計以上2種不利影響.如果有條件使用非堿活性骨料,那么水泥中的堿含量可不受限;假設條件不同意,應嚴格控制進入混凝土中的K+、Na+,最大限度地保持混凝土的高堿環(huán)境;否則,要采納附加措施,如使用鋼筋阻銹劑、環(huán)氧涂層鋼筋等.關于硫酸鹽腐蝕環(huán)境,可合計選擇抗硫酸鹽硅酸鹽水泥.但要依據(jù)實際的腐蝕環(huán)境,合理選擇水泥品種.喬宏霞等通過研究說明6:抗硫酸鹽水泥在抵抗硫酸鹽腐蝕過程中有一定效果,但并不能在惡劣環(huán)境下保持太長時間,尤其在干濕交替的惡劣環(huán)境下,抗硫酸鹽水泥并不比一般水泥好.值得注意的是,抗硫

15、酸鹽水泥只是對一定質(zhì)量濃度的硫酸根離子的純硫酸鹽有耐腐蝕性,并不能耐一切硫酸鹽介質(zhì)的腐蝕(如對硫酸銨、硫酸鎂、硫酸等).一般來說,當SO2-4質(zhì)量濃度低于2500mg/L時,可選擇中抗硫酸鹽水泥(C3A5%, C3S50% )或摻粉煤灰的一般水泥;當SO2-4質(zhì)量濃度低于8000mg/L時,可選用高抗硫酸鹽水泥(C3A2%,C3S35% )或摻粉煤灰的中抗硫酸鹽水泥;當SO2-4質(zhì)量濃度高于8000mg/L或處于干濕循環(huán)、凍融循環(huán)等嚴酷環(huán)境下,不能簡單地選擇抗硫酸鹽水泥,應合計其他措施.總的來說,在腐蝕環(huán)境下,水泥的選擇應依據(jù)實際狀況綜合確定.但必須注意的是,在腐蝕環(huán)境下不應采納硅酸鹽水泥,尤

16、其不能用于永久性的地下基礎結構. 312外加劑 外加劑是一種摻量小,但對混凝土性能影響龐大的新材料,也是研制高性能混凝土必不可少的成分之一.其優(yōu)點雖然很多,但也有弊端.所以,在今后使用外加劑時,應著重注意以下幾個方面: (1)深入研究外加劑的后期工作機理.由于外加劑的的發(fā)展歷史并不長,人們對其后期工作機理研究得并不是很透徹,對它們進行全面、正確的熟悉還有待于長期的、大量的工程施行和研究;否則,難以保證其長期有效性. (2)綜合合計外加劑的所有不利影響.使用外加劑時,除了要看到它有利的一面,還要重視其不利的一面.(3)嚴格控制外加劑中的有害雜質(zhì)含量. (4)積極推廣技術成熟的外加劑產(chǎn)品,慎用技術

17、不成熟的外加劑. 313礦物摻合料 礦物摻合料是影響混凝土耐久性的重要組分.大量的試驗研究與工程施行說明,使用礦物摻合料能顯著改善混凝土的微觀結構,增加混凝土的密實性和抗凍性.尤其在硫酸鹽環(huán)境、凍融環(huán)境下,合理使用礦物摻合料能顯著提升混凝土的耐久性.無論如此,在今后使用摻合料時還應注意2點: (1)強化對各種礦物摻合料的綜合性能研究.同種摻合料會對混凝土耐久性產(chǎn)生多種不同的影響.如硅灰的使用雖然能提升混凝土的抗硫酸鹽腐蝕,但它也會引起混凝土的早裂問題,對基礎結構的影響較嚴重.此外,同種摻合料在不同環(huán)境下對提升混凝土的耐久性也有差別. 314特種鋼筋 特種鋼筋在耐腐蝕性方面是一般鋼筋難以相比的.

18、在惡劣的海洋環(huán)境、干濕交替環(huán)境以及對結構物耐久性要求較高的環(huán)境下,建議選擇特種鋼筋.依據(jù)國外的研究說明7,不銹鋼筋在不需要維護的條件下,在極其惡劣的海洋腐蝕環(huán)境下可達到60a以上不損壞,這足以滿足絕大多數(shù)建筑物的使用壽命要求. 32重視干濕交替環(huán)境下的混凝土耐久性制定 在干濕交替環(huán)境下,混凝土表面易遭到鹽類結晶腐蝕,尤其是硫酸鹽腐蝕.王琴等通過試驗說明8,在硫酸鈉干濕循環(huán)作用下,混凝土相對動彈性模量在初期有稍微上升,但隨著時間變化動彈性模量下降劇烈,循環(huán)結束后動彈性模量損失最大達到60.8%.這主要是因為干濕循環(huán)一方面使混凝土內(nèi)的硫酸鹽溶液在瞬間達到最大,加快了化學反應的速度,鈣礬石膨脹加快;

19、另一方面干燥環(huán)境下混凝土發(fā)生收縮,內(nèi)部產(chǎn)生拉應力,有一些微裂縫產(chǎn)生,降低了混凝土的滲透性,使硫酸根離子更易滲透進入混凝土中.此外,干濕交替環(huán)境對混凝土內(nèi)鋼筋腐蝕也比較嚴重. 33關于混凝土裂縫控制等級和鋼筋保護層厚度 關于混凝土表面裂縫及裂縫寬度對混凝土內(nèi)鋼筋的腐蝕速率的影響存在2種觀點.第一種觀點認為,裂縫的產(chǎn)生增加了腐蝕性介質(zhì)的滲入,加速了混凝土內(nèi)鋼筋腐蝕速率;第二種觀點認為,裂縫對混凝土內(nèi)鋼筋腐蝕速率并不產(chǎn)生重要影響,裂縫僅使腐蝕的時間提前,鋼筋腐蝕的速率只取決于陰、陽極之間的電阻率及陰極處的供氧量,腐蝕速率與裂縫寬度無直接關系.目前一致的觀點是:適當增加鋼筋保護層厚度,能顯著降低鋼筋腐蝕速率,提升混凝土的耐久性.因為增加保護層厚度可以降低陰極區(qū)的O2以及有害離子(如Cl-)在混凝土中的擴散系數(shù). 3.4鋼筋阻銹劑 鋼筋阻銹劑已被美國混凝土學會(ACI318)確定為鋼筋保護的3大長期有效措施(鋼筋阻銹劑、環(huán)氧涂層鋼筋、陰極保護)之一.鋼筋阻銹劑之所以能保護鋼筋,主要是因為它能抑制、阻止并延緩鋼筋腐蝕的電化學過程.在混凝土中加入鋼筋阻銹劑主要起到2個方面作用:一方面推遲了鋼筋開始銹蝕的時間;另一方面減緩了鋼筋銹蝕發(fā)展的速度. 3.5陰極保護技術 陰極保護的效果已被大量的工程施行