濱海環境地下混凝土結構的防腐研究

張苗苗 李志剛 石 磊

目前,我國沿海地區的基礎設施建設每年投資高達20 000億元以上。而沿海地區地下水對混凝土普遍存在腐蝕性,通過對沿海地區公路橋梁的腐蝕性破壞情況的調查發現,修建于20世紀80年代初期的橋涵大多數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生大量的Ca(OH)2?3CaO?2SiO2?3H2O和 CaO?Al2O3?6H2O等堿性水化產物,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與酸性物質反應,造成混凝土pH值降低的現象,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常可見到的乳白色膠狀物,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境中,發生局部腐蝕。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域之間構成電位差,混凝土中的水或潮氣作為電解質構成了一個腐蝕電池,鋼筋開始發生點蝕。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

環境水中的SO2-4進入混凝土內部,與水泥的固相發生化學反應,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,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滲指標,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的接觸,是采用靜電噴涂工藝將涂層(較普遍的是環氧涂層)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。混凝土拌合物中摻入適量阻銹劑,可阻止或延緩金屬和電解質界面的電化學反應,從而阻止金屬腐蝕,是預防惡劣環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JTJ 064-98公路工程地質勘查規范取地下水樣,進行水質分析試驗,測定水中各腐蝕離子含量及水的酸堿度等腐蝕介質指標,規范中根據各腐蝕介質含量范圍確定了無、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范遵循,對應所處環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范分別界定了環境作用等級及化學作用等級,根據等級劃分,對混凝土材料本身制定了不同要求,經大量工程實踐證明,采用該規范界定混凝土內防腐及外防腐的相關規定,基本可以指導工程實踐。在防腐措施選擇上,可根據防腐等級要求采用就地取材,盡量節省投資的原則,在混凝土本身滿足規范相應防腐等級要求的情況下,對各防腐措施進行比選,得出最經濟合理的防腐措施組合。

5 結語

沿海地區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。經過對濱海地區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范可循,根據大量工程實踐,可參照相關行業規范規定的基礎上選擇最經濟合理的防腐措施。

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