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钢筋混凝土结构的腐蚀机理与防腐措施
admin在2022-03-22发布 频道:行业资讯 标签:李迁 王莹
     
摘要:我国是发展中的大国,有很多举世瞩目的大规模建设正在及将要进行。出于经济和能源方面的考虑,我们应尽可能的设计出安全、耐久的新建工程,并充分延续利用已有建筑资源。钢筋混凝土结构正是目前在我国使用最为广泛的一种结构。因此,加强对钢筋混凝土结构防腐问题的研究,找出合理的防腐措施具有重大的经济和社会意义。
 
引言
  在正常的使用条件下,钢筋混凝土结构具有较好的耐久性。但由于建筑物在使用期间,很容易接触到腐蚀性的介质,因此会渐渐受到腐蚀。钢筋混凝土结构的腐蚀,主要表现为水泥石的腐蚀和钢筋的腐蚀,本文在分析钢筋混凝土结构腐蚀机理的基础上,对其防腐的措施进行了介绍。

1 钢筋混凝土结构的腐蚀机理
1.1水泥石的腐蚀
  水泥石的腐蚀过程十分复杂,往往是几种腐蚀作用共同作用的结果,腐蚀机理一般为腐蚀介质与水泥水化产物发生化学反应,生成产物或松软、不具胶凝能力或产生体积膨胀造成混凝土的开裂和破坏。
1.1.1软水腐蚀
  不含或仅含少量重碳酸盐的水称为软水,如雨水、蒸馏水、冷凝水及部分江水、湖水等。日常中的钢筋混凝土结构几乎无法避免接触到软水。当水泥石长期与软水相接触时,水化产物将按其稳定存在所必需的平衡氢氧化钙(钙离子)浓度的大小,依次逐渐溶解或分解,从而造成水泥石的破坏,这就是溶出性侵蚀。在各种水化产物中,Ca(OH)2的溶解最大,因此首先溶出,这样不仅增加了水泥石的孔隙率,使水更容易渗入,而且由于Ca(OH)2浓度降低,还会使水化产物依次发生分解,如高碱性的水化硅酸钙、水化铝酸钙等分解成为低碱性的水化产物,并最终变成硅酸凝胶、氢氧化铝等无胶凝能力的物质。在静水及无压力水的情况下,由于周围的软水易为溶出的氢氧化钙所饱和,使溶出作用停止,所以对水泥石的影响不大;但在流水及压力水的作用下,水化产物的溶出将会不断地进行下去,水泥石结构的破坏将由表及里地不断进行下去。当水泥石与环境中的硬水接触时,水泥石中的氢氧化钙与重碳酸盐发生反应:生成的几乎不溶于水的碳酸钙积聚在水泥石的孔隙内,形成致密的保护层,可阻止外界水的继续侵入,从而可阻止水化产物的溶出。
1.1.2酸性介质腐蚀
1.1.2.1 一般酸的腐蚀
  利用于工业工厂等处的钢筋混凝土结构,会长期接触工业废水、锅炉废气等。工业废水、地下水或沼泽水中常常会含有无机酸和有机酸,而工业锅炉废气中含有的氧化硫,遇水会生成亚硫酸。水泥的水化产物呈碱性,因而这些酸性介质,将会对水泥石起到不同程度的化学溶解和溶失作用。其中侵蚀作用最强的是无机酸中的盐酸、氢氟酸、硝酸、硫酸及有机酸中的醋酸、蚁酸和乳酸等,它们与水泥石中的Ca(OH)2反应后的生成物,或者易溶于水,或者体积膨胀,都对水泥石结构产生破坏作用。例如盐酸和硫酸分别与水泥石中的Ca(OH)2作用:反应生成的氯化钙易溶于水,生成的石膏继而又产生硫酸盐侵蚀作用。
  酸性水对水泥石侵蚀作用的强弱取决于水离子中氢离子的浓度。当PH值小于6时,水泥石就可能遭受腐蚀,PH值越小,腐蚀程度越强烈。当氯离子的浓度高达一定程度时,还能直接与固相水化硅酸钙、水化铝酸钙及无水硅酸钙、铝酸钙等反应,造成水泥石的严重破坏。
1.1.2.2碳酸的腐蚀
  在某些工业污水和地下水中常溶解有较多的二氧化碳,这种水分对水泥石的侵蚀作用称为碳酸侵蚀。首先,水泥石中的Ca(OH)2与溶有CO2的水反应,生成不溶于水的碳酸钙;接着碳酸钙又再与碳酸水反应生成易于水的碳酸氢钙。当水中含有较多的碳酸,上述反应向右进行,从而导致水泥石中的Ca(OH)2不断地转变为易溶的Ca(HCO32而流失,进一步导致其他水化产物的分解,使水泥石结构遭到破坏。
1.1.2.3碱性介质腐蚀
  使用于制碱厂、铝厂等处的钢筋混凝土结构,可能会接触到较高浓度的碱液。水泥石本身具有相当高的碱度,因此弱碱溶液一般不会侵蚀水泥石,但是,当铝酸盐含量较高的水泥石遇到强碱(如氢氧化钠)作用后出会被腐蚀破坏。氢氧化钠与水泥熟料中未水化的铝酸三钙作用,生成易溶的铝酸钠。当水泥石被氢氧化钠浸润后又在空气中干燥,与空气中的二氧化碳作用生成碳酸钠,它在水泥石毛细孔中结晶沉积,会使水泥石胀裂。
1.1.2.4盐类介质腐蚀
  海水、湖水、盐沼水、地下水以及一些工业污水、流经高炉矿渣或煤渣的水中,通常溶有大量的盐类,某些溶解于水中的盐类会与水泥石相互作用产生置换反应,生成一些易溶或无胶结能力或产生膨胀的物质,从而使水泥石结构破坏。最常见的盐类侵蚀是硫酸盐腐蚀与镁盐腐蚀。
(1)硫酸盐腐蚀
  当钢筋混凝土结构接触溶有易溶硫酸盐(钠、钾、铵等硫酸盐)的水时,水泥石中的氢氧化钙将与其产生置换作用,生成硫酸钙。硫酸钙与水泥石中的固态水化铝作用生成高硫型水化硫铝酸钙。由于生成物的体积比反应物增加1.5倍以上,使水泥石内产生很大的结晶压力,造成膨胀开裂以致破坏。
当硫酸盐浓度较高时,在孔隙中直接产生石膏晶体,体积膨胀,导致水泥石破坏。
(2)镁盐腐蚀
  这种情况主要发生在用于海域的钢筋混凝土建筑上,海水中含有大量的镁盐,主要是硫酸镁和氯化镁。水泥石中的氢氧化钙会与这些镁盐发生反应,生成物中有易溶的镁盐、无胶结能力的氢氧化镁、二水石膏及二水石膏与水化铝酸钙进一步反应生成的水泥杆菌。
1.2钢筋的腐蚀
  钢筋混凝土结构中的钢筋,由于水泥水化后产生大量的氢氧化钙,即混凝土的碱度较高(一般PH值为12以上)。处于这种强碱性环境的钢筋,其表面产生一层钝化膜,对钢筋具有保护作用,因而实际上是不易生锈的。但仍有两种情况会破坏钢筋表面的钝化膜,分别为混凝土的碳化反应和氯离子侵蚀。
1.2.1混凝土的碳化反应
  混凝土中的碱性环境会因酸性气体或液体的侵入而发生中性化。在普通环境中,大气中的二氧化碳会溶于水中,并与CH晶体和C—S—H凝胶发生碳化反应,从而使得混凝土中的PH值降低;其他的酸性气体或液体侵入混凝土也会导致混凝士的中性化,例如工业厂房中产生的酸性气体和酸雨等。当混凝土中的pH<l1.5时,钢筋表面的钝化膜发生破坏,当其他条件具备时便会发生钢筋腐蚀。
1.2.2氯离子侵蚀
  氯离子的侵蚀是造成钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀的重要因素。通常而言,混凝土中氯离子的来源主要有两种,一种在拌和混凝土的过程中掺人的氯离子,如使用含有氯离子的外加剂,以及浇筑海洋结构时溅入的海水等;另一种是外界环境中的氯离子通过混凝土的孔隙渗透到混凝土中。虽然氯化物是中性盐.但是在混凝土中氯离子与其他离子相比更容易被吸附,所以,钢筋钝化膜附近氯离子浓度相对较高,根据电中性原理,氢氧离子的浓度会相对较低,发生局部酸化,当氯离子聚集到一定程度时钝化膜就会破坏,从而使钢筋发生腐蚀。 氯离子还具有催化搬运作用。当铁离子在阳极被氧化后,氯离子与氢氧离子争夺铁离子,生成物向含氧量较高的混凝土孔溶液迁移,生成氢氧化铁,沉积在阳极周围,并释放出氯离子继续参加去钝化作用。

2 钢筋混凝土的防腐措施
  根据以上钢筋混凝土结构的腐蚀原理分析,一般可采用如下的防腐措施防腐措施。
2.1针对混凝土的防腐措施
2.1.1根据所处环境(腐蚀介质)选择合理的水泥
  (1)为防止软水的侵蚀,可选用水化产物中氢氧化钙含量较少的水泥。如矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥。
  (2)处于制碱厂、铝厂等处的钢筋混凝土结构,为防止碱液作用,应选用硅酸三钙含量不大于9%的普通硅酸盐水泥或硅酸盐水泥,不得采用高铝水泥或以铝酸盐成分为主的膨胀水泥,并不得采用铝酸盐类膨胀剂。
  (3)处于海域等处的钢筋混凝土结构,为防止受硫酸根离子作用,可选用铝酸三钙含量不大于5%的普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥或抗硫酸盐硅酸盐水泥。
2.1.2提高混凝土的密实程度
  在施工过程中,可能出现的振捣不密实以及含水量过大等问题,都会导致连通表面和内部的孔隙的产生,这为腐蚀性介质的进入打开了通道,致使混凝土腐蚀的加速。在实际操作过程中,可以用以下的措施来提高混凝土的密实度:
  (1)合理设计混凝土的配合比。
  (2)降低水灰比,一般不大于0.55。
  (3)控制最小水泥用量,一般不小于300kg/m3。
  (4)仔细选择骨料,骨料应具有良好的级配。
  (5)掺外加剂,如减水剂和加气剂。
  (6)改善施工操作方法,严格混凝土的振捣要求。
  以上两种方法都是对混凝土本身进行改善。优点是成本相对较低,在工程中切实可行,且因实际情况而制定,效率高。但水灰比减少有限度,甚至在非常低的水灰比下混凝土仍然是多孔材料。另外,低水灰比与掺加矿物掺合料不会改变或只略微改变腐蚀的临界氯离子含量,有些矿物掺和料甚至会减小临界氯离子的含量。
2.1.3在混凝土表面进行碳化或氟硅酸处理,提高混凝土表面耐腐蚀性
  腐蚀性介质与混凝土之间的反应产物在腐蚀性介质中的可溶性,决定了在混凝土表面上生成层的结构和渗透性,因此在腐蚀的过程中起重要的作用。生成物的可溶性越低,其结构越密实,混凝土的腐蚀速度越低。
  根据这个原理,可采用重碳酸钙、氟硅酸、氟化镁、氟化锌等溶液对混凝土表面进行处理,生成难溶的碳酸钙外壳,或氟化钙及硅胶薄膜,提高了混凝土表面密实度,减少了腐蚀性介质渗入混凝土内部,从而增强了混凝土的抗腐蚀性。
2.1.4在混凝土表面做保护层
  当腐蚀作用较强时,可在混凝土表面加上耐腐蚀性高而且不透水的保护层,一般可采用耐腐蚀块材、木材、金属、塑料、沥青类材料、水玻璃类材料、树脂类材料、防腐蚀涂料等,下面介绍几种常用混凝土保护层材料。
2.1.4.1花岗岩保护层
  所采用的花岗岩要符合质地均匀、结构密实、无风化、不得有裂纹和不耐蚀夹层等条件。氧化硅含量不低于70 ,耐酸率不小于95 ,表面豆光,背面斧光。
利用环氧石英砂浆打底,环氧石英砂浆结合层厚20 mm,环氧胶泥填缝,填缝深度50 mm,缝宽为10 mm 。
  采用这种方法能耐除氢氟酸和氟硅酸以外的绝大部分酸、碱、盐介质的腐蚀,有很强的耐酸耐碱性能,适用于一些工业工厂、发电厂、锅炉酸洗池及泵房等。
2.1.4.2 增强特种塑料防腐衬板
  增强特种塑料防腐衬板是采用高分子聚合材料加工而成的一种新型防腐衬层材料。其特点是直接以混凝土建构筑物为依托,在浇筑混凝土的同时,完成塑料防腐衬板与混凝土面层的结合工序。或在原有的混凝土建构筑物上采用一定的措施加贴防腐衬板。
采用这种方法有四种好处:
  (1)能耐常见的各种酸、碱、盐介质的腐蚀,因此适用于石油化工、电力、环保等行业混凝土槽、池、地沟等的防腐蚀。
  (2)具有良好的抗紫外线能力,适于在室外大气中暴露,所以特别适用于混凝土槽、池常用的防腐层环氧玻璃钢和聚氨酯类涂层。
  (3)使用过程中不释放任何有毒和污染物质。
  (4)其具有的分子特殊结构,可以阻止藻类和各种微生物的粘附。
2.1.4.3玻璃鳞片衬里
  鳞片衬里材料及施工技术是国内某化工研究院开发成功的一种防腐技术。这种鳞片衬里防腐技术解决了以往的衬里防腐材料(如玻璃钢)在使用中常常发生底蚀、鼓泡、分层、剥离、开裂等物理破坏现象。所谓鳞片防腐层,就是将有一定片径和厚度的玻璃鳞片与各类耐腐蚀树脂等混合,经专用机械配制成胶泥或涂料,再经泥抹子、高压无气喷枪等工具涂敷于经处理的混凝土表面或其它被保护材料表面,经过室温固化后所得到的衬层或涂层。它同玻璃钢的不同点在于变连续的纤维填料为不连续的鳞片填料。
  适用这种方法能耐常见的各种酸、碱、盐介质的腐蚀,适用于石油化工、电力、环保等行业混凝土槽、池、地沟及金属贮存罐等的防腐蚀。另外,玻璃鳞片衬里有很强的阻碍腐蚀介质渗入的性能,对固化残余应力和热应力的作用具有抑制作用,因而有很强的抵抗物理破坏的能力。
2.1.4.4 环氧玻璃钢防腐
  环氧玻璃钢是一种常用的防腐材料,常被用作防腐隔离层,也有用作防腐面层。 所选用的环氧玻璃钢在不同情况下,有不同的选择标准。
  (1)在酸(含氟酸除外)、碱、盐类介质作用下,玻璃钢的增强材料,宜选用玻璃布和玻璃纤维毡;当玻璃布和玻璃纤维毡混合使用时,面层宜选用表面毡,底层与中间层宜交替使用玻璃布与短切毡。
  (2)在含氟酸介质作用下,玻璃钢的增强材料,宜选用涤纶、丙纶等有机纤维布和毡,并可选用麻布或脱脂纱布,但不得选用玻璃布和玻璃纤维毡。
  (3)环氧玻璃钢做面层时,表面应设罩面料。
  这种方法能耐常见的各种酸、碱、盐介质的腐蚀,适用于石油化工、电力、环保等行业混凝土槽、池、地沟及金属贮存罐等的防腐蚀。
2.1.4.5防腐蚀涂料防腐
  目前国内生产的防腐涂料种类较多,其性能各有差异,相当多的防腐涂料至今尚无国家统一的标准,同时新产品又不断出现。但需要注意的是,在实际工程中,对防腐涂料的选择,要严格针对其防腐性能,结合工程的具体情况,因地制宜综合考虑确定。
2.2针对钢筋的防护措施
2.2.1填充混凝土中的裂缝与孔洞
  填充混凝土中的裂缝和孔洞,可以有效防止腐蚀介质接触钢筋,对钢筋形成有效防护。可做为裂缝填充材料的有环氧树脂、聚氨酯、水泥砂浆和水泥灰浆悬浮液。
2.2.1.1环氧树脂填缝
  环氧树脂只能用于干燥的裂缝。
  环氧树脂灌浆到裂缝中可产生刚性连接。它是双组份,树脂和硬化剂,均是无溶剂、非饱和的。环氧树脂因为其150~400mPa·s的低黏度,适合于宽度低于0.1mm的细小裂缝。环氧树脂应有足够长的工作时间从而使之能够渗入到最小的裂缝中。由于它们的抗拉强度和在混凝土上的粘结强度比混凝土的抗拉强度大,如果过载时,构件会从灌浆裂缝的外部破坏。
2.2.1.2聚氨酯填缝
  聚氨酯可用于密封活动裂缝。
  聚氨酯也是双组分,也是无溶剂、非饱和的。相比于环氧树脂,聚氨酯也可以用于潮湿和湿润的裂缝,甚至是承受一定水压力的裂缝中。为了取得有限弹性的密封效果,裂缝的宽度至少为0.3mm。如果裂缝只需要密封,其宽度也可以更小些。如果裂缝宽度为0.3~0.5mm,裂缝宽度最大变化不超过0.05mm时,或宽度大于0.5mm,最大变化值不超过0.1mm时,便可获得可靠的密封。
2.2.1.3水泥灰浆和悬浮液
  水泥灰浆和悬浮液可用于含有任何水分的裂缝中,与聚合物裂缝填充物相比,优点在于与所修补的构件具有相同的防火性能。
  用于水泥灰浆和悬浮液的水泥,相应的水泥强度等级至少达到EN-197规定的C42.5,或特种灌浆水泥。水泥悬浮液是利用比表面积达到16000cm2/g超细的水泥制备的。为了防止在裂缝中出现离析和沉降,各个组分必须通过适合的搅拌和处理设备进行充分混合。宽度小于0.8mm的裂缝可以采用水泥灰浆修补。而宽度小于0.25mm的裂缝则可以采用水泥悬浮液来修补。水泥灰浆与水泥悬浮液在凝结之后都不能吸收裂缝活动性。
  不同的裂缝填充材料还有特殊要求。这些包括,对于环氧树脂必须具有足够快的强度发展;对于聚氨酯,则弹性是特别重要的。裂缝填充材料的选择取决于裂缝内部的水分含量(干燥、潮湿、无水压和有水压)和修补的。裂缝在填充时候必须达到最大的宽度。对于一个混合的填充材料,当环境较高时,通过冷却可延长其可工作时间。
2.2.2钢筋表面涂层
  利用在钢筋表面涂敷保护层,可以将钢材和周围的介质隔离开,从而起到保护作用。可用于钢筋表面涂层的材料有:
  (1)含低溶剂或无溶剂的环氧树脂基的冷固化树脂系统,并在其中加入防腐蚀颜料(如磷酸锌或者锌粉)、填料(如细熟料粉)或水泥。
  (2)采用聚合物改性水泥灰浆,相比于用环氧树脂,聚合物改性水泥灰浆具有一个优势,就是钢铁表面不需要达到高的清洗要求,高压水冲洗就足够了,而用环氧树脂通常需要喷砂冲洗方法。
2.2.3掺入阻锈剂
  采用阻锈剂防止混凝土内部钢筋腐蚀的效果,是各种技术措施中极好的一种。阻锈剂常被用于工业领域,例如合成制造、加热和冷却系统、储藏设备以及涂料工业等。与通过提高混凝土的抗渗透性来阻止腐蚀介质渗透进入混凝土的措施不同,使用阻锈剂可以在腐蚀物质已经渗透进入混凝土,甚至是在钢筋腐蚀过程已经开始的情况下,起到阻止腐蚀的作用。因此,采用阻锈剂不仅能预防混凝土内部钢筋的腐蚀,而且也可用它对已经发生腐蚀的钢筋混凝土结构进行经济而有效的补救。
  混凝土阻锈剂的定义为一种通过降低钢筋腐蚀速率来实现对钢筋腐蚀过程进行干预的物质。而那些通过减低腐蚀介质向钢筋表面的渗透速率来延缓腐蚀速率的物质则不属于阻锈剂范畴。
  阻锈剂在性能和使用效果方面存在局限性,很大程度上受到阻锈剂本身的化学成分及阻锈剂与混凝土组分之间化学反应的影响。在制备混凝土拌合料时,将阻锈剂溶于水并同拌合水一起加入,可以使阻锈剂均匀的分布于混凝土中。但采用这种方法必须以阻锈剂的掺加不致影响混凝土的性能为前提。另一方面,在既有钢筋混凝土结构的表面施涂阻锈剂时,要求阻锈剂的成分在很短的时间内就能渗透迁移到钢筋表面,并且阻锈剂在钢筋表面位置的浓度必须达到很高的水平式才能获得良好的阻锈效果。另外,由氯离子侵入混凝土内部引起的钢筋腐蚀问题和由于混凝土保护层被碳化所引起的钢筋腐蚀问题是不同的,因此要收到阻锈效果,需要针对具体情况选用不同的阻锈剂。
2.2.4阴极保护
  钢筋的阴极保护,适合用于由氯离子污染引起的钢筋腐蚀的结构中,例如海洋结构、隧道、桥面及地下建筑等。很多新的阴极材料,尤其是活性肽和导电涂层都已被证明具有良好的性能。
  阴极保护基于改变钢筋的电位到更小负值,降低阴阳极之间的电位差,从而把腐蚀电流降低到可以忽略值。在实际过程中,这是通过在混凝土表面安装一个外加电极阳极,并与低压直流电源的正极相连,另一端接到钢筋笼上来实现的。通过钢筋笼,电子流过钢筋混凝土的界面,增大阴极反应消耗氧气和电子,电子流入电源形成回路。由于电流循环的作用,钢筋的阴极反应发生很快而阳极反应则受到抑制。相对中等的电流密度能够恢复钝化并具有各种有益的化学作用。这种要求的极化作用,使得阴极保护方法成为一种永久的方法,即在结构的剩余服役寿命中必须持续通入电流。为保证防止电流的均匀分布,钢筋必须具有电连通性,混凝土必须具有合理的均匀传导性。同时,应避免阳极与钢筋之间的短回路。
 
参考文献
[1]金伟良,腐蚀混凝土结构学[M],北京:科学出版社,2011年
[2]李迁,土木工程材料[M],北京:清华大学出版社,2015年
[3]同刚,混凝土腐蚀及防护方法[M],西北电力技术,2005
[4]李忠平,何炳臻.论混凝土结构中的钢筋腐蚀[J].科技促进发展,2010(6)76—81. 
作者李迁</a>  王莹  
信息来源:混凝土视频网

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