浅谈混凝土腐蚀及其预防措施

浅谈砼腐蚀以及防腐措施赵党锋刘华武石磊(天津工业大学纺织学院天津300160)摘要：本文介绍了混凝土腐蚀的主要因素，包括碳化、氯化物的侵蚀、冻融等因素。并在分析原因的基础上论述了基本的防腐措施，主要有添加矿物质粉末、改善施工工艺、纤维混凝土结构等方法。通过防腐措施可以有效改善混凝土使用的耐久性和安全性。关键词：混凝土；腐蚀；防腐措施；耐久性；ThediscussionofconcretecorrosionandanticorrosionmethodsZhaoDangfeng，LiuHuawu，ShiLei(ShoolofTextiles,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300160,China)Abstract:Thispaperintroducesthemainfactorsofconcretecorrosion,includingcarbonation,chloridecorrosion,freeze-thawandotherfactors.Italsodiscussesthebasicanticorrosionmethodsbasedontheanalysisofthemainfactorsofconcretecorrosion.Themainmethodsincludeaddingmineralpowder,improvingtheconstructiontechnology,structuresoffiberreinforcedconcreteetc.thedurabilityandsafetyofconcretecanbeeffectivelyimprovedthroughtheusingofthesemethods.Keywords:concrete;corrosion;anti-corrosionmeasures;durability;前言混凝土即“砼”，混凝土是主要的建筑材料,随着我国经济的高速发展,土木工程建设所用的主要建筑材料混凝土用量稳居世界前列[1]。通常用的混凝土是由胶凝材料（水泥）、水和粗、细骨料按适当比例配合，拌制成拌合物，经一定时间硬化而成的人造石材。当在混凝土中配以适量的钢筋，则为钢筋混凝土。混凝土的腐蚀直接影响着混凝土使用的耐久性和安全性。本文将混凝土的腐蚀以及防腐措施给予论述，希望给予大家参考。1.混凝土腐蚀的原因分析1.1混凝土碳化的影响CO2是全球变暖的温室气体主要组分,近年来人们为获得能源而向大自然索取的煤、石油、天然气的量在迅速增加,燃烧产生的CO2也在与日俱增,且由于全球人口猛增,森林草原迅速减少,碳源增加,碳源减少,综合结果使全球大气中CO2含量急剧增加[1]。由于空气中含有大量的CO2,当CO2进入混凝土中的孔隙并溶解在孔隙水中形成一种酸性溶液,它与混凝土中的碱性物质发生中和反应,即CO2＋NaOH→Na2CO3＋H2OCO2+2Ca(OH)2→2CaCO3+H2ONa2CO3溶于水后呈碱性,但碱性较弱。而CaCO3是不溶于水的,所以反应后会使孔隙水中的CO2含量减少,同时混凝土的pH值将降低,而空气中的CO2会继续溶入孔隙水中,使反应继续进行,结果是降低了混凝土的高碱性,这样碳化就开始转向深一层的混凝土。当碳化的深度到达钢筋时,钢筋的钝化保护就会失稳、消失,这时就会引起钢筋的腐蚀[2][4]。混凝土碳化的速度除与空气中CO2浓度和混凝土中碱性物质浓度有关外,主要取决于CO2与混凝土中碱性物质的化学反应速度、CO2向混凝土的扩散速度以及氢氧化钙的扩散速度。1.2氯化物的侵蚀在沿海、内陆(如盐桥、盐碱地)或盐碱工业区,混凝土的集料和用水的氯盐含量较高;而且其工作环境也受氯盐的侵蚀,氯盐对混凝土和钢材有如下的腐蚀作用。(1)对混凝土的腐蚀:①MgCl2与混凝土中的Ca生成CaCl2能溶于水,形成多孔混凝土；②海水中的MgSO4与混凝土中的Ca(OH)2生成CaSO4,又与铝酸钙生成硫铝酸钙——水泥杆菌,混凝土膨胀破坏；③盐分子在混凝土毛细管内上升,不断结晶、聚集,胀裂混凝土。(2)对钢筋的腐蚀:①氯离子破坏钝化层；②氯离子与铁构成了腐蚀电池,在钢筋表面形成特有的坑蚀；③氯离子与铁离子生成FeCl2,再溶于水,转换成Fe(OH)2,释放出氯离子,周而复始,腐蚀钢筋,称为去极化作用。然而，并非氯离子一到达钢筋表面就能破坏其钝化保护膜，也就是引起钢筋的腐蚀，而是当氯离子的浓度超过引起钢筋腐蚀的临界氯离子浓度才会发生钢筋的腐蚀[2]。有研究表明：氯离子临界浓度与pH值间存在一定的关系，Huasmann发现当[Cl-]/[OH-]0.6时，钢筋开始腐蚀。而且，只要少数的氯离子就可以周而复始的引发腐蚀，造成恶性循环。Gouda认为氯离子临界浓度与pH值之间的关系为：pH=0.83logCl-+K（其中K为常数）。到目前为止，关于临界氯离子浓度引起钢筋腐蚀的观点已得到许多科学工作者的认可，同时也取得了一些研究成果[3]。1.3冻融[1][6]冻融破坏是我国东北、西北和华北低温地区水工混凝土建筑在运行过程中产生的主要病害,对于混凝土破坏来说,无论酸蚀冻融如图1b、碱蚀冻融如图1c、还是盐蚀冻融如图1d,都是物理作用及化学作用的综合效应,而单一的冻融因素破坏过程,则基本上是一个物理变化过程，如图1a所示。图1.试件内部结构变化结果示意图Fig.1sketchofchangesintheinternalstructureofspecimen混凝土是由水泥砂浆及粗骨料组成的毛细多孔体。在拌制混凝土时加入的水总要多于水泥的水化水,以得到必要的和易性。多余的水便以游离水的形式滞留在混凝土中连通的毛细孔里。这种毛细孔里的自由水是导致混凝土遭受冻害的主要内在因素,因为水遇冷结冰产生体积膨胀会引起混凝土内部结构的破坏。当这种压力超过混凝土抗拉强度时,混凝土就会开裂。在反复冻融循环作用后,混凝土中的损伤会不断扩大,裂缝会相互贯通,其强度会逐渐降低,最后甚至完全丧失。混凝土在冻融破坏过程中,主要反映其密实度和强度上的宏观特性呈逐步下降的趋势,宏观特性呈逐步下降的趋势,冻结温度越低和冻结速率越快,混凝土的冻融破坏力越强;混凝土在冻融破坏过程中反映在微观结构上的微孔含量在逐步增加,微孔直径在逐步扩大,此时混凝土由密实体逐渐转变为松散体。可见混凝土微孔结构的增加和微裂缝的发展,导致了混凝土宏观强度和密实度的降低。1.4其它影响因素（1）二氧化硫、硫酸盐及细菌的影响。二氧化硫能与混凝土发生中和作用，能生成微溶的钙盐，此钙盐结晶时结合大量的水，使固相体积大大增加，导致混凝土发生结晶性腐蚀。若有硫氧化菌存在时，由于反应：S+O2+H2O→H2SO4生成的H2SO4不但会引起混凝土的碱度降低，而且还会导致混凝土发生结晶腐蚀。同时，硫酸根离子也能对钢筋直接产生破坏作用，硫酸根的去钝化作用能导致钢筋发生腐蚀。（2）碱—骨料反应碱—骨料反应是混凝土中某些活性矿物集料与混凝土孔隙中的碱性溶液之间发生的反应。必备的三个条件是：活性矿物集料(活性二氧化硅、白云质类石灰岩或粘土质页岩等)、碱性溶液(KOH、NaOH)和水。温度、湿度和含盐量对其有促进作用[4]。（3）环境湿度的影响钢筋腐蚀与环境湿度有直接关系，在十分潮湿的环境中，其空气相对温度接近于100%时，混凝土孔隙充满水分，阻碍了空气中氧气向钢筋表面扩散，二氧化碳也难以透入，使钢筋难以腐蚀。当相对湿度低于60%时，在钢筋表面难以形成水膜，钢筋几乎不生锈，碳化也难以深入。而空气湿度在80%左右时，有利于碳化作用，混凝中钢筋锈蚀发展很快。由于环境湿度往往随气候和生产情况而变化，因而混凝土也会随之变化会碳化，钢筋会腐蚀[5]。（4）微生物的腐蚀微生物腐蚀硫杆菌能将硫、硫化硫酸盐、亚硫酸盐等氧化成硫酸盐，最终转化成对混凝土有强腐蚀性的硫酸；硫酸盐还原菌能将硫酸盐还原为强腐蚀性硫化氢，但高PH值、高密实度及不易渗透的混凝土对其是免疫的。另外，流水、波浪侵袭力的磨损与冲刷，加强了腐蚀介质的渗透力量，对于码头等构筑物又常会受到船舶冲击，荷载作用下结构的应力状态给腐蚀破坏创造了方便的条件[4]。混凝土的腐蚀是一个非常复杂的问题，混凝土的腐蚀往往是各种因素综合作用所产生的结果，因此分析混凝土腐蚀的原因有利于我们能够更好的来预防混凝土的腐蚀。2.防腐措施研究分析2.1添加矿物质粉末矿物质粉末包括硅灰、粉煤灰和磨细高炉矿渣微粉,从而提高水泥浆的密实性,以阻断腐蚀介质侵入的通道，从而达到防腐的目的[2]。高强黑曜石玻璃粉末是凝固的火山熔岩重新配方熔炼改性而成、直径小于2微米的特种材料，无毒，生产过程无污染，防辐射、耐高温、耐腐蚀、耐磨、隔热、防渗透、强度高达钢铁的12倍以上。高强黑曜石玻璃粉末中含有大量纳米级微粒，能堵塞毛细微孔，提高混凝土致密性从而提高防水性能和耐腐蚀性能。此外粉末均为光滑高强玻璃状微粒，可以大大改善混凝土的均匀性，减少混凝土的结构薄弱点，提高制品的整体结构强度，并且能够释放因凝絮作用被水泥颗粒包裹的游离水，起到解絮、减少用水量的作用。还可以和水泥浆中的碱性物质发生化学反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等胶凝物质，能堵塞混凝土中的毛细组织，提高防水性能。所以添加高强黑曜石玻璃粉末以后混凝土因为强度、防水、耐腐蚀和耐磨性能大大提高。除添加矿物质粉末外。还可以添加其他的添加剂，我国外加剂的品种目前已超过百种，其中包括减水剂、早强剂、加气剂、膨胀剂、速凝剂、缓凝剂、消泡剂、阻锈剂、密实剂、抗冻剂等[6]。2.2改善施工工艺（1）选择合理的水泥种类和钢筋配制水利工程，海洋工程的混凝土的水泥要求耐腐蚀能力强、抗冻融性好、水化热低。应优先选用普通硅酸盐水泥或其他耐腐蚀水泥，而不采用快硬硅酸盐水泥等。掺有高炉矿渣、火山灰、粉煤灰、硅藻土等活性熟料可有效阻止腐蚀性离子向混凝土内部渗透。选用不锈钢筋是国外的一种发展趋势。这种钢筋的价格是普通碳素钢的(4～6)倍，但它长期的耐腐蚀性足以补偿初期投入的成本。无论混凝土种类和暴露状态，采用这种钢筋的混凝土保护层厚度可降低到30mm；裂缝宽度允许值放宽到0.3mm；并不需要对不锈钢筋进行硅处理[4]。(2)增加水泥用量混凝土中钢筋的锈蚀是由于钢筋周围的碱性环境不复存在,保护环境消失。如果提高水泥的含量,碱性环境就会增加,碳化使碱性消失就会需要更长的时间,从而使钢筋受到保护的时间也延长了,增加了混凝土结构的耐久性。(3)增加混凝土保护层的厚度增加混凝土保护层的厚度,使毛细孔更加不连续,各种物质侵入的难度增大,混凝土碳化到达钢筋表面的时间就大大延长,从而减少了钢筋锈蚀和混凝土腐蚀的可能。(4)采用较低的水灰比使用较低的水灰比和对混凝土进行足够的养护,减少毛细孔的数量,使氯化物的侵入和碳化作用的发生更加困难。另外在混凝土浇筑过程中,加强对混凝土的振捣,减少混凝土中的气泡,增大混凝土的密实性,减少混凝土的空隙2.3采用纤维混凝土结构纤维混凝土结构的腐蚀机理与普通混凝土基本相同，但纤维的直径较细，且均匀分布，其耐久性相对普通混凝土要强一些。开裂的纤维混凝土构件在潮湿的环境下，裂缝处的混凝土碳化后，碳化区的钢纤维开始锈蚀。有研究表面，钢纤维混凝土中钢筋的锈蚀较普通混凝土钢筋的锈蚀减轻，其原因除了钢纤维阻裂作用的影响外，还在于细小纤维在混凝土中乱向均匀分布，从而改变了钢筋电化学锈蚀的离子分布状态，阻止了钢筋的锈蚀[6]。2.4对混凝土进行表面处理（1）对混凝土表面涂覆防腐涂料在施工中常用的而且使用效果比较好的涂料有氯化橡胶漆类、聚氨脂漆类和氟树脂涂料等。氯化橡胶面漆性能稳定,耐侯性较好,干燥也较好,漆膜具有重涂性,多年以后重涂也可以保持良好的附着力;聚氨脂面漆与氯化橡胶面漆相比性能更为优异,且其保色、保光性更好,重涂也较为简单,保护周期可大20年左右;氟树脂涂料是将氟树脂与多元醇和固化剂多异氢酸混合,形成氨脂键的一种涂料,耐侯性及重涂性都很优异,同时光泽度也较好,保光、保色及抗紫外线和抗老化能力较强,该涂料防腐效果最好,但