混凝土抗腐蚀研究综述

时间:2014/09/26 | 作者: | 分类:技术储备 | 浏览:407 ℃ | 发表评论
目录
[隐藏]

引言

混凝土和钢筋作为主要建筑材料,工业、民用、运输和其他建筑物、构筑物的建造中起了很大作用。用混凝土和钢筋混凝土建造的建筑物和构筑物中的很大一部分,在使用期间常常受到腐蚀介质的侵蚀。

如果建筑物在建造时对结构材料不采取或不实施防腐措施,则腐蚀性介质就可能损坏建筑结构,甚至使其丧失使用价值。这对于工业构造物尤为密切,因为在工业构筑物中,建筑结构直接与液态、气态等介质接触,或者被产品和生产中排放的废料所污染。在有色冶金、化学、纸浆及其他工业部门中,约有20-70%的构筑物常常受到腐蚀性介质的作用,并由此引起结构材料的腐蚀。同样 农业建筑物,它们会受到腐蚀性有机物的腐蚀。外部介质的腐蚀性越强,在建筑物进行设计、建造和使用是对其腐蚀作用考虑的越少,那么由腐蚀引起的结构损坏就越快和越深。据国外专家估计,由混凝土和钢筋的腐蚀造成的经济损失约占国民收入的1.25%。这些经济损失中不仅包括修复和重建建筑物的材料费用和工程造价,而且还包括产量上的损失,这是由于建筑结构不符合生产要求,或者在修理期间引起的正常生产的中断造成的。据调查,我国在五六十年代,由于要求早强或防冻而掺用过量氯盐的钢筋混凝土结构,因钢筋锈蚀引起混凝土顺筋开裂、剥落、构件破坏的事例屡有发生、八十年代,由于混凝上外加剂的应用不当或施工和原材料质量等原因,钢筋混凝士的腐蚀也不断出现。1981年调查的华南地区18座海港钢筋混凝土码头中,钢筋锈蚀破坏或不耐久的就占89 ,基本完好的只有2座。短的只使用七年,如珠江5万吨级油码头建于1974年,到1981己普遍出现顺筋裂缝,如珠江港一区码头建于1956年,到1981年己产生大面积的混凝土剥落,有资料表明,在英国因钢筋锈蚀需要更换钢筋或重建的钢筋混凝土结构占36 。美国仅州际公路网56万多座桥梁中,处于严重失效的就省9万多座,损坏率达16%,一般使用5年后就出现钢筋腐蚀破坏,每年损失数亿美元。混凝上中钢筋腐蚀引起结构过早的破坏,己愈来愈引起全世界工程界的严重关注。为了通过提高建筑结构在各种腐蚀性介质中的抗腐蚀性和耐久性,消除建筑结构局部的修复工作,以减少建筑中腐蚀给国民经济带来的损失。必须对于在各种腐蚀性介质作用卜混凝十的损坏及钢筋腐蚀过程的实质、钢筋混凝土结构的工作特性和受力状以及可以提供的防腐方法及其特性等,进行深入的研究

一 混凝土腐蚀机理

与混凝土相接触的周围介质,如空气,水(海水 ,地下水)活 土壤中含有不 同浓度的额酸。盐,碱类侵蚀性物质时,当其进入混凝土内部,以之相关成分发生物理化学反应后,混凝土遭受腐蚀,逐渐发生绽裂剥落,进而引起钢筋腐蚀导致结构失效 混凝土腐蚀的原因和机理随侵蚀介质和环境条件而异,一般分为俩类

(1) 溶蚀性腐蚀

水泥的 水化物生成中,Ca(OH)2 最容易被渗入的水溶解,又促使水花硅酸概等多碱性化合物发生水解,随后破坏低碱性水化产物(CaO,SiO2)等,最终完全破坏水泥石结构,某些酸盐溶液渗入混凝土,生成无凝胶型的松软物质,易被水溶蚀。水泥石的溶蚀程度随渗流速度增大 溶蚀后,胶结能力减弱,混凝土材料的整体性被破

(2) 结晶膨胀性腐蚀

含有硫酸盐的水渗如混凝土中,与水泥水化产物Ca(OH)2的化学作用生成石膏(CaSO4.2H2O)以溶液形式存在。石膏在和水化物铝硫酸盐起作用,形成多个结晶水的水化铝硫酸钙,体积膨胀,导致混凝土开列破坏

二 海洋结构中混凝土的腐蚀

(1)机理

海洋工程和滨海工程的混凝土结构,长期受海水或潮湿空气的作用,其中含有大量的氯盐,镁盐和硫酸盐。它们与混凝土中的水泥水化物Ca(OH)2作用后生成CaCl2,CaSO4等都是易溶物质,NaCl又提高其溶解度,增大了混凝土的孔隙率,削弱了材料的内部结构,使混凝土遭受腐蚀

1. Mg2+盐对混凝土的腐蚀机理

Mg2+对混凝土的侵蚀是通过分解水泥石中的Ca (OH)2,或直接分解胶凝物质而使水泥石分解 其反应式为: ① mCaO.nSiO2.aq+mMg2+–nSiO2.aq+mMg(OH)2l +mCa2+ ② mCaO.nAl2O3.aq+mMg2+–nA1}0,”aq+mMg(OH)2 l +mCa2+

由于反应生成的Mg (OH):溶解度很低(一般为18mg/I左右),当其溶液达到溶解平衡时, 溶液PH=10.5,比饱和的水化硅酸钙稳定所要求的值小,致使水化硅酸钙不断地分解,使混 凝十的孔隙率提高,水泥浆硬化结构疏松,结构被削弱甚至解体,并为其它腐蚀组分的渗入 创造了条件。特别是Mg2+的含量较高时,混凝土外部Ca (OH)x的数量不够被中和,因此,溶 液向混凝土内部迅速扩散,加速水泥石结构的解体。这种现象在流动的海水中更为严重。 2. SO42+一对混凝土的侵蚀机理

SO42+一对混凝土的腐蚀是最为常见的,也是最为严重的腐蚀组分之一。在含有33-35g/l 盐类的海水中,SO42+的含量约为2500-2700mg/I,混凝十中的微孔。敞开孔的存在对混凝土111型的发展过程有很大作用。当水中含有硫酸盐时,会提高水泥石某些组分的溶解度,从而加速腐蚀的发展。当S认2一的含量大于2100mg/l时 水与混凝土接触 形成二水合石膏 CaSO4·2H20.石膏可能以溶液形式存在 3.Cl-腐蚀机理

铁道部科学院研究院的研究表明.Cl-对水泥石的水化具有促进作用; 但是当.Cl-含量过 高时,也会使混凝土结构发生种种腐蚀和溃坏的现象。.Cl-对混凝土的作用表现为: ①对于靠近液面以上的混凝土,依靠混凝土毛细管吸收作用,会将含氯盐的溶液吸到液 面以上的部位;当其中的水分蒸发后,或由于液面的下降而变干时,则会析出晶盐,将盐分 遗留于混凝土内。如果溶液中的氯盐含量较高,或者反复干湿循环,将会使更多的盐分带进 混凝土:这样,晶盐就会在混凝土孔隙中产生很高的结晶压力,使混凝土表面剥蚀或开裂崩 碎。

②当CaCl2的浓度较高(>15%)时,它能与Ca0在液相中形成氯氧化钙(3Ca02+CaCl2.15H2O)含有大量结品水的物质会形成极其微小的针状结品状态,该物质积聚较多时就会导致混凝土的隆胀型腐蚀

除上述之外,高浓度氯盐的存在会使混凝土的干缩湿胀现象更加明显:微观研究表明:.Cl-,能渗入托贝莫来石凝胶内部起破坏凝胶内部结构的作用。 4 .多种组分腐蚀的交互作用机理

由于海洋环境条件存在着多种侵蚀组分,当它们同时作用于混凝十时,会相互影响,对混凝十的腐蚀,有时互相加剧,而有时则相互抑制,为了充分利用其有利的方面,消除其不利的影响,必须掌握其本质的规律性。首先,SO42- Mg2+各自都对混凝土有侵害作用,当它们同时渗入混凝土内部时,会相互促进而加剧对混凝土的腐蚀:

从另一个方面来讲,若混凝土质量较均匀,而且比较密实,那么渗入少量的Mg2+和SO42- 对混凝土的结构较为有利。当SO42-与水泥矿物结合的膨胀型矿物较少而且分布均匀时,会 使水泥浆体内部的部分孔隙被堵塞,尤其是对连通孔道有阻隔作用。同样,在密实性较好的 混凝土中先期渗入的M扩+与水泥矿物反应生成了Mg(OH)2沉淀。从而堵塞了部分孔隙使后 继的侵蚀性组分较难进入,因此,Mg2+和SO42-的作用既取决于其浓度也取决于混凝土本身。 Cl-的存在会使5042″的腐蚀作用得到抑制。由于CI一的渗入速度比SO42-的渗入速度快, 先期渗入的CI一会与水泥中CA反应生成水化氯铝酸钙(3CaO·A1203·Ca CI2·10H20 )- 若Cl-浓度较人时会消耗大量的CA,当5042″渗入时形成的膨胀型钙矾石则相对减少,缓解 了硫酸盐的腐蚀。当然,先期生成的水化氯铝酸钙有可能被后来的SO42-置换生成钙矾石, 但是由于这是钙矾石生成的条件发生了变化.因而不可能产生较大的膨胀,也不会造成较大 的局部内应力。这种转化一般时在液相中的缓慢转化,因而使得钙矾石的体积膨胀远不及硫 酸盐直接与CA 结合生成钙矾石时的大,况且这时混凝十己有足够的强度,能抵抗较小的 膨胀应力。

近年来,许多学者的研究表明:当水泥石孔隙液PH值低于12时,通过液相生成的钙矾石不会膨胀,可以认为:当SO42-渗入到一定的浓度时,随着水化过程的进行,液相中的Ca (OH) 2大部分己被结合成了新的水化产物而使PH值有所卜降.造成钙矾石不会膨胀的条件。Cl-的存在对SO42-的腐蚀具有缓解作用,而且由于氯铝酸钙较多的生成也会使混凝十中的孔隙部分被堵塞,阻碍了其它介质的渗入。

(2)概况

自1824年水泥发明后,水泥就被使用于建筑的各个领域中,其中也包括了分布在沿海的各类混凝土构筑物。在严酷的含盐分的海水、海风作用下,建筑物受到了不同程度的腐蚀,有些构筑物能够长期保持耐久性,使用性能良好,令人惊奇,但也有些构筑物因为各种原因,腐蚀情况严重,发生了各种情况的破坏现象,严重的影响了使用功能。 随着经济建设的发展,分布在沿海的各种建筑越来越多,其在国民经济中起到的作用也越来越大。所以对近海建筑物腐蚀的研究也越来越被建筑领域的研究人员所重视。在近百年中,研究人员对腐蚀的各个影响因素进行了广泛的研究,并取得的大量的研究成果,从而进一步的指导了建筑物的选材,设计以及施工等的各个方面。随着基础材料水泥以及砂等品质、配合比例和管理水平不断提高,人们对海洋建筑物腐蚀情况的进一步了解,各类海洋设施中混凝土构筑物的应用范围日趋广泛,其抗拒海浪、海风的侵蚀性能不断提高,各种使用性能也得到了很大的提高。

在当代,国内外沿海和近海出现了大量混凝土构筑物,如码头、防波堤、跨海桥梁、 人工岛屿和海上飞机场等。作为一种节能、经济、用途极为广泛的人工耐久性材料,混凝 土是日前世界上使用最广泛的建筑材料之一,有许多与人民生活和工农业生产有关的结构 物都是用混凝土或钢筋混凝土建造的,如房屋建筑、公路及铁路桥梁、港口码头、海岸防 波堤、水坝等。但是,如果这些结构长期处于化学腐蚀性介质等恶劣环境中,外部腐蚀介 质的影响加上由于设计、施工或使用方法不当,往往会使其寿命没有所预期的那样长,十 儿年甚至几年就会因钢筋锈蚀而引起结构开裂破损,甚至崩溃。

三 不同混凝土的抗腐蚀性

下表是混凝土与砂浆立方体试件在侵蚀性条件下的抗压强度。可以看出混凝土密实越高,其抗压强度越大,抗腐蚀性越好。

四 关于混凝土抗腐蚀的一些解决方法

(1)对混凝土耐久性有较大影响的设计因素中,威胁混凝土结构的最主要形式是氯化物导致的钢筋腐蚀。防止或减缓氯化物侵蚀难度较大,因为它需要以下各方面的结合:

整体的结构和耐久性设计,根据具体情况,确保结构在最大程度上易于接近、易于观察、易于维修、易于更换。

适当的结构和钢筋布置及详细设计,以控制和限制裂缝的宽度。合适的混凝土配料设计。 非常可靠的施工操作程序,满足要求的现场施工质量。

在初期结构设计阶段考虑一个有计划的、系统的运行和维护方案。 (2)耐久性措施

1) 高性能混凝土 通过掺人粉煤灰、高炉矿渣、微硅粉中的一种或多种掺料,来提高混凝

土在特定条件下所需要的特定性能,如高弹性模量、低渗透性以及抵抗某些类型破坏的性能

2) 提高混凝土中钢筋的保护层厚度 试验显示即使是低水灰比、高质量的混凝土,在暴露

于有氯盐存在的环境中,混凝土表面12ram深度内的氯离子含量远远超过25~50ram深度范围内的氯离子的含量。因此在海洋环境中的工程,混凝土保护层的厚度应比一般的混凝土保护层厚度要大一些

3) 严格控制混凝土水灰比及胶凝材料总量

4) 混凝土表面涂层 在已施工好的浪溅区混凝土表面及时涂上防腐蚀材料,也包括在PHC

桩表面包覆特殊材料(如玻璃钢等)

5) 施工控制:混凝土搅拌确保生产耐久性的混凝土,搅拌设计确保高质量、高密度、永久

性和耐用型混凝土。定时测定骨料中的氯化物。混凝土浇筑在规定的温度范围内进行。骨料保持在阴暗处,可以使用冷水消除混凝土的温度。如有必要,在大面积浇筑时,可以使用冷却水循环管降低温度。在混凝土施工缝表面不应有影响混凝土或降低接缝表面粘合的碎片、氯化物和任何其他物。浪溅区避免或严格限制使用施工缝。

参考文献

(1)重大市政工程建设中的防腐蚀需求 章曾焕。卢永成,张剑英(上海市政工程设计研究院)

(2)钢筋混凝土原理和分析 过镇海 时旭东

(3)海水腐蚀下碳纤维增强钢筋混凝土梁柱试验研究与分析 左宏斌

(4) 20世纪后期海洋混凝土结构抗腐蚀性能的发展 周履 (中铁大桥局集团武汉桥科院有限公司,湖北武汉430034)