混凝土結(jié)構(gòu)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(yīng)用較為廣泛的結(jié)構(gòu)形式之一.但隨著結(jié)構(gòu)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(guān)注.由于勘察、設(shè)計、施工及使用過程中多因素影響,很多混凝土結(jié)構(gòu)都先后出現(xiàn)病害和劣化,使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了各種不同程度的隱患、缺陷或損傷,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的安全性、適用性、耐久性降低,最終引起結(jié)構(gòu)失效,造成資金的巨大浪費.從國外情況來看[1],美國與鋼筋腐蝕有關(guān)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1?25%; 1999年,澳大利亞公布的腐蝕損失為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(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)施為主的腐蝕.中國面臨的問題同樣很嚴峻.根據(jù)中國工程院2001~2003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(chǔ)的耐久性問題也逐漸暴露出來.所以,重視和加強鋼筋混凝土基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的腐蝕性與防腐措施的研究已迫在眉睫.

1　腐蝕機理分析

1?1　混凝土的腐蝕機理

混凝土的腐蝕是一個很復(fù)雜的物理的、物理化學的過程.由于混凝土腐蝕機理的復(fù)雜性,對混凝土腐蝕的分類還沒達成一個共同的認識,但一般都傾向于采用前蘇聯(lián)學者B?M.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(jié)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.

1?1?1　物理作用

物理作用是指在沒有化學反應(yīng)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(dǎo)致結(jié)構(gòu)受到破壞.物理作用主要包括2類:侵蝕作用和結(jié)晶作用.

(1)侵蝕作用:當環(huán)境中的侵蝕性介質(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)境下,基礎(chǔ)周圍的水容易被溶出的Ca(OH)2飽和,使溶解作用終止.侵蝕作用僅僅發(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(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)破壞.(2)結(jié)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(jié)晶.隨著孔隙中晶體的不斷析出、積累,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(jié)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(yīng).

1?1?2　化學腐蝕

化學腐蝕是指混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(yīng)生成新的化學物質(zhì)而引起混凝土結(jié)構(gòu)的破壞.化學腐蝕可歸納為兩大類:分解類腐蝕和分解結(jié)晶復(fù)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(fù)分解反應(yīng),生成了新的物質(zhì). (2)分解結(jié)晶復(fù)合類腐蝕　混凝土中的Ca(OH)2與腐蝕性介質(zhì)發(fā)生反應(yīng),生成某些新的鈣鹽,這些鈣鹽在混凝土的毛細孔中可結(jié)合大量的水而形成體積較大的晶體,造成水泥石脹裂破壞. 1?1?3　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5?5億美元/a,而且還有繼續(xù)增加的趨勢.生物對混凝土的腐蝕大致有2種形式:①生物力學作用.②類似于混凝土的化學腐蝕. 1?2　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)情況下,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(yīng),反應(yīng)生成的Fe(OH)2不穩(wěn)定,在氧氣充足的情況下,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(chǔ)屬于地下結(jié)構(gòu).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(yīng)以及鋼筋的銹蝕等.

2?1　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、抗化學侵蝕性等.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(jié)構(gòu)不可能絕對密實.從理論上講,硅酸鹽水泥完全水化所結(jié)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,從而使水灰比增大,混凝土的密實性減小.

2?2　抗化學腐蝕性

2?2?1　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的情況下,其破壞產(chǎn)物為鈣釩:4CaO?Al2O3?12H2O+3SO2-4+2Ca(OH)2+20H2O 3CaO?Al2O3?3CaSO4?31H2O+6OH-,反應(yīng)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)生了巨大的膨脹應(yīng)力.

2?2?2　鎂鹽腐蝕

鎂鹽主要以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(fù)分解反應(yīng):

Ca(OH)2+MgSO4+2H2O CaSO4?2H2O+Mg(OH)2↓;

Ca(OH)2+MgCl2CaCl2+Mg(OH)2↓.

反應(yīng)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侵蝕性介質(zhì)的侵入,但該反應(yīng)消耗了大量的Ca(OH)2,使混凝土的pH值降低,導(dǎo)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(yīng).以MgSO4為例:3CaO?Al2O3?6H2O+3MgSO4+6H2O 3(CaSO4?2H2O)+2Al(OH)3+3Mg(OH)2↓,

3CaO?2SiO2?3H2O+3MgSO4+9H2O 3(CaSO4?2H2O)+2SiO2?3H2O↓+3Mg(OH)2↓,

反應(yīng)生成的Mg(OH)2還能與鋁膠、硅膠緩慢反應(yīng):

2Al(OH)3+Mg(OH)2Mg(AlO2)2+4H2O;

2SiO2?3H2O+2Mg(OH)22MgSiO3+5H2O,

結(jié)果將導(dǎo)致水泥石的粘結(jié)力下降,混凝土的強度大大降低.

2?2?3　氯鹽腐蝕

這里的氯鹽是指自由氯離子,已結(jié)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、3CaO?2Al2O3?3H2O等發(fā)生反應(yīng),生成易溶的CaCl2和帶有大量結(jié)晶水且比反應(yīng)物體積大幾倍的固相化合物.反應(yīng)式如下:

Ca(OH)2+2Cl-CaCl2+2OH-;

3CaCl2+3CaO?Al2O3?6H2O+25H2O 3CaO?Al2O3?3CaCl2?31H2O.

由上述反應(yīng)式可以發(fā)現(xiàn),Ca(OH)2的大量消耗,破壞了C—S—H凝膠和Ca(OH)2之間的平衡,導(dǎo)致C—S—H凝膠被大量分解,最終導(dǎo)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(jié)晶(CaCl2?6H2O)腐蝕.

2?3　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,根據(jù)最終銹蝕產(chǎn)物的不同,可膨脹2~6倍,對混凝土造成巨大的膨脹應(yīng)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(jié)力下降.隨著鋼筋銹蝕反應(yīng)的發(fā)生,鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)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(jié)力會隨著銹蝕量的增加而有所提高,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(jié)力將隨銹蝕產(chǎn)物的增加而明顯下降,甚至喪失,導(dǎo)致鋼筋與混凝土不能協(xié)同工作.在荷載作用下,構(gòu)件滑移增大,變形顯著,嚴重時會使結(jié)構(gòu)(構(gòu)件)發(fā)生局部或整體失效.

(3)鋼筋有效面積減小.鋼筋在銹蝕過程中,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

3?1　重視選材

3?1?1　水泥

水泥是混凝土的重要組成部分,其性質(zhì)對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性有著重要影響.根據(jù)腐蝕環(huán)境的不同,合理選擇水泥品種有利于提高混凝土的耐久性.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.有資料表明[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9.88~11.5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加,發(fā)生堿骨料反應(yīng)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(yīng)按實際情況考慮以上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;若條件不允許,應(yīng)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,要采用附加措施,如使用鋼筋阻銹劑、環(huán)氧涂層鋼筋等.對于硫酸鹽腐蝕環(huán)境,可考慮選擇抗硫酸鹽硅酸鹽水泥.但要根據(jù)實際的腐蝕環(huán)境,合理選擇水泥品種.喬宏霞等通過研究表明[6]:抗硫酸鹽水泥在抵抗硫酸鹽侵蝕過程中有一定效果,但并不能在惡劣環(huán)境下堅持太長時間,尤其在干濕交替的惡劣環(huán)境下,抗硫酸鹽水泥并不比普通水泥好.值得注意的是,抗硫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(C3A<5%, C3S<50% )或摻粉煤灰的普通水泥;當SO2-4質(zhì)量濃度低于8000mg/L時,可選用高抗硫酸鹽水泥(C3A<2%,C3S<35% )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(yīng)考慮其他措施.總的來說,在腐蝕環(huán)境下,水泥的選擇應(yīng)根據(jù)實際情況綜合確定.但必須注意的是,在腐蝕環(huán)境下不應(yīng)采用硅酸鹽水泥,尤其不能用于永久性的地下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu).

3?1?2　外加劑

外加劑是一種摻量小,但對混凝土性能影響巨大的新材料,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(yīng)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、正確的認識還有待于長期的、大量的工程實踐和研究;否則,難以保證其長期有效性. (2)綜合考慮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(shù)成熟的外加劑產(chǎn)品,慎用技術(shù)不成熟的外加劑.

3?1?3　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實踐表明,使用礦物摻合料能顯著改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu),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高混凝土的耐久性.盡管如此,在今后使用摻合料時還應(yīng)注意2點: (1)加強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高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕,但它也會引起混凝土的早裂問題,對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的影響較嚴重.此外,同種摻合料在不同環(huán)境下對提高混凝土的耐久性也有差別.

3?1?4　特種鋼筋

特種鋼筋在耐腐蝕性方面是普通鋼筋難以相比的.在惡劣的海洋環(huán)境、干濕交替環(huán)境以及對結(jié)構(gòu)物耐久性要求較高的環(huán)境下,建議選擇特種鋼筋.根據(jù)國外的研究表明[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.

3?2　重視干濕交替環(huán)境下的混凝土耐久性設(shè)計

在干濕交替環(huán)境下,混凝土表面易遭到鹽類結(jié)晶腐蝕,尤其是硫酸鹽腐蝕.王琴等通過試驗表明[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輕微上升,但隨著時間變化動彈性模量下降劇烈,循環(huán)結(jié)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(yīng)的速度,鈣礬石膨脹加快;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(yīng)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.

3?3　關(guān)于混凝土裂縫控制等級和鋼筋保護層厚度

關(guān)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(guān)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,提高混凝土的耐久性.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(shù)

陰極保護的效果已被大量的工程實踐所證實,并得到美國混凝土協(xié)會(ACI)和美國腐蝕工程師協(xié)會的認可.國外不少國家已制訂了相關(guān)標準,為陰極保護的實施提供了技術(shù)依據(jù).該方法適用的環(huán)境條件主要有土壤腐蝕環(huán)境、海水環(huán)境等.因為這些環(huán)境中的介質(zhì)通常具有良好的導(dǎo)電性.

3.6　地基處理

(1)污染土的處理,即換填法.就是把污染的土層清除,然后換填無污染的土或采用性能穩(wěn)定且耐酸堿度的砂、礫作為回填材料. (2)地下污染水的處理,即換水處理法.從工程實踐來看,該法主要通過抽水-注水的方式對受污染的地下水進行中和、稀釋.對于污染較嚴重的地下水,可采用注入堿水的方法進行中和處理,但堿水的pH值不宜過大(8~9即可),以免對地基土造成堿性污染.(3)設(shè)置基礎(chǔ)隔離墻.基礎(chǔ)隔離墻作為保護基礎(chǔ)防腐的第一道防線,可有效提高基礎(chǔ)的耐久年限.

4　幾點建議

綜上所述,要想提高鋼筋混凝土基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的耐久性,除了要搞清楚其腐蝕機理、腐蝕因素以及有針對性地采取一系列有效措施外,還應(yīng)在今后的防腐設(shè)計中注意以下幾點:

(1)要重視前期防護工作,以預(yù)防為主,著眼于長遠經(jīng)濟效益.要充分吸取一些發(fā)達國家的經(jīng)驗教訓,避免重蹈覆轍.(2)在混凝土耐久性研究中,不應(yīng)只注重單因素對混凝土的影響,應(yīng)著重加強多因素耐久性研究,建立鋼筋混凝土的多因素耐久性模型.(3)建立混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性監(jiān)測和分析的數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng),為中國今后的混凝土耐久性設(shè)計和評估提供經(jīng)驗和依據(jù).而不應(yīng)只參考國外數(shù)據(jù),畢竟各國對混凝土耐久性設(shè)計的要求有所不同,這就要求中國今后應(yīng)對不同地區(qū)的各種建(構(gòu))筑物的耐久性進行大量調(diào)查和統(tǒng)計.

參考文獻

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