酸性环境对钢筋混凝土的破坏

时间:2012/08/21 | 作者: | 分类:技术储备 | 浏览:489 ℃ | 发表评论

钢筋混凝土结构材料是混凝土与钢筋的复合体,它的腐蚀形态可分为两种:一是由混凝土的耐久性不足,其本身被破坏,同时也由于钢筋的裸露、腐蚀而导致整个结构的破坏;二是混凝土本身并未腐蚀,但由于外部介质的作用,导致混凝土本身化学性质的改变或引入了能激发钢筋腐蚀的离子,从而使钢筋表面的钝化作用丧失,引起钢筋的锈蚀。从化学成分来看,钢筋的锈蚀物一般为Fe(OH)3、Fe(OH)2、Fe3O4·H2O、Fe2O3等,其体积比原金属体积增大2~4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30MPa(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,一般说来是由于酸性气体与混凝土中氢氧化钙作用的结果。酸性气体沿着混凝土中的空隙或裂缝,从外部逐渐向内部渗透,与混凝土空隙中的氢氧化钙溶液产生中和反应,大大降低了混凝土空隙中氢氧化钙的浓度。空气中的二氧化碳属于酸性气体,它与混凝土中氢氧化钙作用(俗称碳化作用),其反应式如下:

Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O

生成的碳酸钙为微溶的化合物,其饱和溶液pH值为9,远远小于钢筋保持钝化状态所要求大于11.5的数值。其它酸性气体如SO2、H2S、HCl、NOx也可以与混凝土中氢氧化钙作用(称为混凝土的中性作用),但它们对钢筋的腐蚀,除了使钢筋成活化状态外,还与它们中性化后生成的盐类的性质、种类有关。

某些卤离子(如Cl-、I-、Br-)对钝化膜有特殊的破坏作用。它们在钢筋保护层不被碳化或中性化的情况下也可以破坏钢筋钝化膜,使腐蚀过程得以进行。氯离子是这一类离子中最常遇到的。氯离子半径很小,穿透力强,很容易吸附在钢筋阳极区的钝化膜上,取代钝化膜中氧离子,使钢筋起保护作用的氢氧化铁变为无保护作用的氯化铁。氯化铁的溶解度比氢氧化铁的溶解度大得多。由于氯离子到达钢筋表面的不均匀性,特别是氯离子作用在钢筋局部区域时,则局部区域为阳极,形成了大阴极小阳极的腐蚀。这种坑蚀或局部腐蚀对结构的危害较大。

影响混凝土中性化(包括碳化)速度的因素很多,但主要的因素是混凝土的密实度,即抗渗性能。混凝土愈密实,即抗渗性能愈高,则外界的气体只能作用于混凝土表面,向内部渗透比较困难。影响混凝土密实度的主要因素是混凝土的水灰比和单位水泥用量。水泥品种对混凝土的中性化速度有一定的影响;不同品种的水泥,因其掺合料的品种及含量不同,水解时生成的碱性物质数量不同,使混凝土的中性化速度也就不同了。

普通硅酸盐水泥的熟料含量多,掺合料的含量一般不大于15%,其碱度比其它品种的水泥高,中性化速度相对的要慢。火山灰质硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥,由于掺合料中的活性氧化硅与水泥熟料中水解时产生的氢氧化钙结合,从而降低了混凝土孔隙中的液相碱度,加快了碳化或中性化的速度。