張苗苗 李志剛 石 磊

目前,我國沿海地區(qū)的基礎設施建設每年投資高達20 000億元以上。而沿海地區(qū)地下水對混凝土普遍存在腐蝕性,通過對沿海地區(qū)公路橋梁的腐蝕性破壞情況的調(diào)查發(fā)現(xiàn),修建于20世紀80年代初期的橋涵大多數(shù)已被定為危橋或已拆除重建;主要由于受力構件的混凝土保護層局部脫落,鋼筋銹蝕,給橋梁的正常使用帶來很大的安全隱患。另一方面,橋梁的使用壽命僅20余年,相對于鋼筋混凝土橋梁的設計使用壽命50年來說,還不到一半,究其原因,鋼筋混凝土腐蝕性破壞較為突出。資料表明,如果做好防腐蝕工作,可在30年～50年后避免40%的維修損失。這就要求必須對沿海地區(qū)地下水對混凝土的腐蝕性及防治措施的研究提起高度重視。

1 混凝土的防腐機理

混凝土在水泥水化過程中產(chǎn)生大量的Ca(OH)2?3CaO?2SiO2?3H2O和 CaO?Al2O3?6H2O等堿性水化產(chǎn)物,以及水泥中少量的K2O,Na2O,所以pH值可高達12.5～13.5。鋼筋處于該環(huán)境中,表面能形成約 200 μ m～ 1 000 μ m 厚的水氧化物γ-Fe2O3?nH2O或Fe2O3?nH2O組成的致密、穩(wěn)定鈍化膜層,有效的保護了混凝土中的鋼筋不被銹蝕。當混凝土中的堿性水化物被溶析或因碳化降低了混凝土的堿度,鋼筋就容易受到腐蝕,當混凝土的pH＜11.5時,鋼筋表面的鈍化層已不穩(wěn)定,并逐漸破壞。一般混凝土中的pH＞11.8時,鈍化層的表面是穩(wěn)定的。

2 地下水對混凝土腐蝕機理

2.1 水泥的中性化作用

混凝土的中性化,是指混凝土中的堿性物質(zhì)與酸性物質(zhì)反應,造成混凝土pH值降低的現(xiàn)象,混凝土的碳化是最主要的中性化作用形式。水泥水化過程中產(chǎn)生的Ca(OH)2易溶于水,每升可溶解1.7 g,尤以冷凝的純水和軟水的溶解度最大。不密實混凝土中的Ca(OH)2將隨水滲流而出,與大氣中的CO2起化學反應,生成中性的CaCO3,在混凝土表面沉積形成常?？梢姷降娜榘咨z狀物,使混凝土堿度降低,鋼筋失去鈍化層的保護而受到侵蝕。

2.2 氯離子的腐蝕

1)破壞鈍化膜：氯離子滲入混凝土并吸附于鋼筋表面鈍化膜處,達到一定濃度時,可使該處pH值迅速降低,局部鈍化膜開始破壞,使鋼筋暴露于腐蝕環(huán)境中,發(fā)生局部腐蝕。2)形成腐蝕電池：氯離子破壞鈍化膜使鋼筋局部表面露出了鐵基體,與尚完好的鈍化膜區(qū)域之間構成電位差,混凝土中的水或潮氣作為電解質(zhì)構成了一個腐蝕電池,鋼筋開始發(fā)生點蝕。3)氯離子的導電作用：混凝土中氯離子的存在強化了離子通路,降低了陰、陽極之間的電阻,提高了腐蝕電池的效率,加速了電化學腐蝕過程。

2.3 硫酸鹽的侵蝕

環(huán)境水中的SO2-4進入混凝土內(nèi)部,與水泥的固相發(fā)生化學反應,生成難溶的鹽礦物類——鈣礬石和二水石膏,然后吸收大量的水而體積膨脹,造成混凝土的破壞。當溶液中SO2-4濃度較低時,其反應式為：

反應產(chǎn)物水化硫鋁酸鈣含有較多的結晶體,體積比水化鋁酸鈣增加2.5倍以上。當溶液中硫酸根離子濃度較高時,其反應式為：

二水石膏體積增大1.24倍。濱海地下水中的腐蝕成分除Cl-外還有Mg2+,SO2-4等,在含鹽量高的地下水、含鹽堿量高的地表水浸泡中,由于毛細管的作用,水分向上吸附,并不斷蒸發(fā),留下水中所含鹽類,如此不斷進行,混凝土孔隙中鹽溶液濃縮,加快了對水泥的化學腐蝕;鹽類在孔隙中的結晶膨脹,使混凝土遭到破壞。

3 主要防腐措施

3.1 鋼筋混凝土本身防腐蝕技術

1)對含有Cl-和雙重腐蝕介質(zhì)作用下的混凝土原材料的選擇。礦渣硅酸鹽、火山灰硅酸鹽、粉煤灰硅酸鹽3種水泥水化熱低、抗硫酸鹽侵蝕能力強。該種水泥中的水泥石Ca(OH)2含量低,能夠預防氯鹽對水泥石的溶解和溶出,防止氯鹽與水泥石發(fā)生堿骨料反應,生成低強度、低膠結力的膨脹鹽。在攪拌混凝土過程中摻加硅粉、粉煤灰等活性材料可提高混凝土抗?jié)B指標,阻滯Cl-的進一步滲透。2)采用高性能混凝土。高性能混凝土具有高耐久性、高穩(wěn)定性、良好工作性及較高強度。高性能混凝土一般抗氯離子滲透性比普通混凝土提高數(shù)倍,可顯著提高混凝土護筋性能,從根本上提高混凝土的耐久性,從而延長結構物的安全使用壽命。

3.2 混凝土表面涂覆防護措施

1)混凝土表面涂層。該措施是在混凝土表面涂覆一層涂料,形成一層隔離層制止氯離子、氧、水等介質(zhì)滲入混凝土,以延緩鋼筋腐蝕。涂層防腐保護技術成熟、效果顯著。2)表面涂覆浸入型涂料。浸入型涂料是一種粘度很低的有機硅化合物液體,將它涂于風干的混凝土表面并吸入深約數(shù)毫米表層中,與孔壁的氫氧化鈣反應,使毛細孔憎水化或者填充部分細孔。

3.3 鋼筋防護措施

1)鍍層鋼筋和涂層鋼筋。鍍層鋼筋主要是鍍鋅鋼筋,利用鋅的電位比鐵低,對鋼筋施加陰極保護。涂層鋼筋是指在鋼筋表面制作涂層,隔離鋼筋與腐蝕介質(zhì)的接觸,是采用靜電噴涂工藝將涂層(較普遍的是環(huán)氧涂層)噴涂于表面處理過的預熱的鋼筋上,形成具有一層堅韌、不滲透、連續(xù)的絕緣層鋼筋,它可將鋼筋與其周圍混凝土隔開,即使腐蝕介質(zhì)已大量侵入混凝土,它也能長期保護鋼筋使它免遭腐蝕。2)鋼筋阻銹劑?；炷涟韬衔镏袚饺脒m量阻銹劑,可阻止或延緩金屬和電解質(zhì)界面的電化學反應,從而阻止金屬腐蝕,是預防惡劣環(huán)境中鋼筋腐蝕的一種有效補充措施,但摻加阻銹劑不能降低對混凝土保護層的基本要求。3)陰極保護。陰極保護技術是應用電化學原理,通過給被保護鋼筋加一負向電流,即使鋼筋表面氯離子已達到或超過使鋼筋脫鈍的臨界值,由于電化學腐蝕過程被有效抑制而使鋼筋不會發(fā)生銹蝕。

4 防腐設計及防腐措施選擇

當前勘察部門對腐蝕性評價主要是依據(jù)JTJ 064-98公路工程地質(zhì)勘查規(guī)范取地下水樣,進行水質(zhì)分析試驗,測定水中各腐蝕離子含量及水的酸堿度等腐蝕介質(zhì)指標,規(guī)范中根據(jù)各腐蝕介質(zhì)含量范圍確定了無、弱、中、強四個等級,試驗測定指標和該范圍對比,從而定出所測地下水屬于哪個腐蝕等級。

地下結構工程混凝土防腐設計目前尚無專門規(guī)范遵循,對應所處環(huán)境及地下水中腐蝕離子含量JTG/T B07-01-2006公路工程混凝土結構防腐蝕技術規(guī)范分別界定了環(huán)境作用等級及化學作用等級,根據(jù)等級劃分,對混凝土材料本身制定了不同要求,經(jīng)大量工程實踐證明,采用該規(guī)范界定混凝土內(nèi)防腐及外防腐的相關規(guī)定,基本可以指導工程實踐。在防腐措施選擇上,可根據(jù)防腐等級要求采用就地取材,盡量節(jié)省投資的原則,在混凝土本身滿足規(guī)范相應防腐等級要求的情況下,對各防腐措施進行比選,得出最經(jīng)濟合理的防腐措施組合。

5 結語

沿海地區(qū)地下水對混凝土的腐蝕性及防治措施的研究應提起高度重視。經(jīng)過對濱海地區(qū)地下水腐蝕機理的分析表明,當前應用的防腐措施是多樣化并有效的,地下混凝土結構防腐蝕設計目前尚無規(guī)范可循,根據(jù)大量工程實踐,可參照相關行業(yè)規(guī)范規(guī)定的基礎上選擇最經(jīng)濟合理的防腐措施。

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