鋼筋混凝土的腐蝕機(jī)理與防護(hù)技術(shù)應(yīng)用論文
摘要：本文簡要介紹了硫酸鹽及氯離子對(duì)鋼筋混凝土的腐蝕機(jī)理 ,及在腐蝕環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的主要防護(hù)措施，并以工程實(shí)例講述鋼筋混凝土在腐蝕環(huán)境下的設(shè)計(jì)應(yīng)用，并分析不同防腐蝕措施的經(jīng)濟(jì)性能。
關(guān)鍵詞：腐蝕機(jī)理；防護(hù)措施；經(jīng)濟(jì)性能。
1引言。
在工程設(shè)計(jì)中，場地地下水、土常常具有腐蝕性，腐蝕嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性、可靠性。在生產(chǎn)建設(shè)中的各類建、構(gòu)筑地基基礎(chǔ)常用的結(jié)構(gòu)形式一般為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，這些基礎(chǔ)與地下水、土直接接觸，建構(gòu)筑物基礎(chǔ)受到腐蝕性水、土的侵蝕，會(huì)引起基礎(chǔ)混凝土剝落、喪失強(qiáng)度、鋼筋銹蝕等現(xiàn)象，從而降低基礎(chǔ)的耐久性，直接影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的使用安全。因此，防腐蝕設(shè)計(jì)以成為建構(gòu)筑物基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不可缺少的內(nèi)容。
2鋼筋混凝土的腐蝕機(jī)理。
鋼筋混凝土的腐蝕分為兩部分：一部分是混凝土的腐蝕，另一部分是鋼筋的腐蝕。這里主要講述硫酸鹽及氯離子對(duì)鋼筋混凝土的腐蝕機(jī)理。
2.1硫酸鹽對(duì)混凝土的腐蝕機(jī)理。
混凝土硫酸鹽腐蝕的機(jī)理是一個(gè)非常復(fù)雜的物理、化學(xué)過程，硫酸鹽侵蝕引起的危害包括混凝土的整體開裂和膨脹以及水泥漿體的軟化和分解，主要是通過物理、化學(xué)作用破壞水泥水化產(chǎn)物，使其喪失強(qiáng)度。
硫酸鹽侵蝕的物理作用是指水土中的硫酸根離子通過混凝土孔隙進(jìn)入混凝土結(jié)構(gòu)中，在沒有與混凝土中的組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以前，在干濕循環(huán)狀態(tài)下，外部環(huán)境中的硫酸鈉吸水發(fā)生結(jié)晶膨脹。硫酸鈉吸水后體積膨脹，一般表現(xiàn)為混凝土表面開裂、強(qiáng)度降低。
硫酸鹽侵蝕的化學(xué)作用是指水土中的硫酸根離子通過混凝土孔隙進(jìn)入混凝土結(jié)構(gòu)中后與混凝土中的不同組分發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，這些化學(xué)反應(yīng)生成的鹽類礦物一方面由于吸收了大量水分子而產(chǎn)生體積膨脹導(dǎo)致混凝土的`破壞，另一方面也可使水泥中硬化組分溶出或分解，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度和粘結(jié)性喪失。
2.2氯離子對(duì)鋼筋的腐蝕機(jī)理。
水或土對(duì)鋼筋的腐蝕主要為電化學(xué)反應(yīng)過程�；炷林袖摻钜话闾幱跉溲趸}提供的堿性環(huán)境中，在這種堿性環(huán)境中鋼筋與氧化性物質(zhì)作用，作用在金屬表面形成一種致密的、覆蓋性能良好的、牢固的吸附在金屬表面上的鈍化膜（水化氧化物 nFe2O3·mH2O），對(duì)鋼筋有很強(qiáng)的保護(hù)能力，防止鋼筋進(jìn)一步銹蝕。相關(guān)研究表明鈍化膜在高堿性環(huán)境中才是穩(wěn)定的，當(dāng)鋼筋所處環(huán)境中pH<9時(shí)鈍化膜逐漸破壞。Cl-通過混凝土中孔隙到達(dá)鋼筋表面時(shí)，在Cl-作用下包裹鋼筋的混凝土環(huán)境pH迅速降低，鋼筋表面的鈍化膜就逐漸破壞，形成“電化學(xué)腐蝕電池”,產(chǎn)生電位差。
3主要防護(hù)措施。
3.1基本措施。
鋼筋混凝土腐蝕破壞的本質(zhì)是水、土等外界環(huán)境下有害離子（諸如氯離子與硫酸根離子）的入侵，使混凝土內(nèi)部環(huán)境改變導(dǎo)致。因此，保證混凝土自身密實(shí)完好、保持高堿度和防止有害離子入侵，是鋼筋混凝土防腐蝕措施的出發(fā)點(diǎn)。基本措施主要是提高混凝土自身的防護(hù)能力，如選擇低水化熱水泥，摻加外加劑、摻合料等提高混凝土的耐久性，增加保護(hù)層厚度提高混凝土的腐蝕裕量，避免使用早強(qiáng)水泥和早強(qiáng)劑等。
3.2附加措施。
在較強(qiáng)的腐蝕環(huán)境條件下，僅僅依靠基本措施尚不能達(dá)到耐久性要求，必須采取相應(yīng)的附加措施，附件措施主要指混凝土構(gòu)件表面的外涂層、覆蓋層、隔離層等；采用鋼筋阻銹劑，減緩有害離子對(duì)的鋼筋腐蝕速度，提高鋼筋混凝土的耐久性；采用如環(huán)氧涂層鋼筋、耐蝕鋼筋、不銹鋼鋼筋、鍍鋅鋼筋等特種鋼筋，特種鋼筋能有效的隔離有害離子滲入與鋼筋接觸，從而能保護(hù)鋼筋不受腐蝕；采用陰極保護(hù)措施使混凝土內(nèi)鋼筋受到電化學(xué)保護(hù)，降低及延緩鋼筋腐蝕速度。
4工程應(yīng)用。
以某項(xiàng)目筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為工程實(shí)例，分析該項(xiàng)目地基基礎(chǔ)的防腐蝕設(shè)計(jì)。
4.1場地水文地質(zhì)條件。
場地地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性，腐蝕介質(zhì)為“SO42-”;在長期浸水條件下，地下水對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具弱腐蝕性；在干濕交替條件下對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具有強(qiáng)腐蝕性，腐蝕介質(zhì)為“Cl-”.按地層滲透性水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具微腐蝕性。
4.2基礎(chǔ)防腐蝕措施。
基礎(chǔ)采用樁筏基礎(chǔ)，基礎(chǔ)防腐蝕設(shè)計(jì)采用基本措施及附加措施相結(jié)合的設(shè)計(jì)理念。由于在長期浸水條件下，地下水對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具弱腐蝕性；在干濕交替條件下對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具有強(qiáng)腐蝕性，腐蝕介質(zhì)“Cl-”.根據(jù)《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡稱規(guī)范） 強(qiáng)腐蝕環(huán)境下不允許采用混凝土土灌注樁，又由于氣化框架基底反力，采用灌注樁設(shè)計(jì)較為安全合理，因此樁基在滿足最小埋置深度的前提下盡量加大埋置深度，使樁身至于長期浸水條件下，所處水土腐蝕環(huán)境為弱腐蝕。筏板基礎(chǔ)由于厚度較大，無法避免的置于水土干濕交替條件下，腐蝕環(huán)境為強(qiáng)腐蝕。
4.2.1 混凝土防腐基本措施。
�。�1）擇優(yōu)選擇水泥品種。
水泥采用普通硅酸鹽水泥，并在混凝土攪拌過程中摻入礦物摻合料。普通硅酸鹽水泥具有早期強(qiáng)度高、凝結(jié)硬化快、堿度高、碳化慢等特點(diǎn)，在普通硅酸鹽水泥中摻入礦物摻合料，可改善混凝土的微孔結(jié)構(gòu)，降低混凝土的滲透性，從而提高混凝土的耐久性。
�。�2）控制混凝土的水灰比和水泥用量。
腐蝕介質(zhì)對(duì)構(gòu)件的腐蝕，一般有外而內(nèi)逐步進(jìn)行，混凝土的抗?jié)B性能對(duì)腐蝕速度有重要影響�；炷恋目�?jié)B性能主要取決于混凝土的密實(shí)度，而對(duì)混凝土密實(shí)度起控制作用的水灰比和水泥用量，其中水灰比起主要作用。樁基混凝土在“SO42-”、“Cl-”環(huán)境下腐蝕等級(jí)均為弱腐蝕，根據(jù)《規(guī)范》規(guī)定，混凝土最小水泥用量為320kg/m3,最大水灰比為0.45,抗?jié)B等級(jí)不低于P8;筏板混凝土在“Cl-”環(huán)境下腐蝕等級(jí)為強(qiáng)腐蝕，根據(jù)《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡稱規(guī)范）規(guī)定，混凝土最小水泥用量為 340kg/m3,最大水灰比為0.4.
（3）混凝土保護(hù)層厚度。
混凝土對(duì)鋼筋的保護(hù)，除需要一定密實(shí)的混凝土外，還需要有一定厚度的保護(hù)層，這是提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要措施。根據(jù)《規(guī)范》規(guī)定，樁基鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度不應(yīng)小于55mm,在“SO42-”弱腐蝕環(huán)境下混凝土增加腐蝕裕量不小于20mm,選取樁基鋼筋最外層保護(hù)層厚度不小于75mm;筏板混凝土在“Cl-”強(qiáng)腐蝕環(huán)境下鋼筋最外層保護(hù)層厚度不小于 50mm.
4.2.2 混凝土防腐附加措施及其經(jīng)濟(jì)性能分析。
�。�1）基礎(chǔ)表面防護(hù)措施基礎(chǔ)表面防護(hù)措施是指在基礎(chǔ)表面涂刷環(huán)氧瀝青或聚氨酯瀝青涂層或貼相應(yīng)材料的玻璃布等。該措施的核心意義在于在混凝土表面形成一種保護(hù)膜，阻止或減緩水土中有害離子的滲入，以延緩混凝土及混凝土中鋼筋的腐蝕。經(jīng)過經(jīng)濟(jì)性能對(duì)比（見下文）本工程中筏板基礎(chǔ)及埋置在圖中的混凝土柱采用涂刷環(huán)氧瀝青或聚氨酯瀝青涂層的措施對(duì)混凝土進(jìn)行保護(hù)。
�。�2）采用鋼筋阻銹劑及外加劑等措施混凝土中摻入適量的阻銹劑，可以延緩混凝土構(gòu)件中的“電化學(xué)反應(yīng)”,降低鋼筋腐蝕的速率。添加鋼筋阻銹劑是鋼筋混凝土在惡劣腐蝕環(huán)境下的一種有效的防腐蝕補(bǔ)充。此外在混凝土中摻加抗硫酸鹽類侵蝕防腐劑可將水泥水化硬化中生成大量的不穩(wěn)定或亞穩(wěn)狀態(tài)物質(zhì)轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的，有利于均質(zhì)、密實(shí)，對(duì)強(qiáng)度、耐久性起貢獻(xiàn)作用的水泥石結(jié)構(gòu)物質(zhì)，使混凝土或鋼筋混凝土達(dá)到抵抗化學(xué)侵蝕、物理作用。本工程中樁基根據(jù)《規(guī)范》規(guī)定，樁身混凝土中摻加抗硫酸鹽類侵蝕防腐劑。
（3）使用特種鋼筋特種鋼筋主要包括環(huán)氧涂層鋼筋、不銹鋼鋼筋、鍍鋅鋼筋等，特種鋼筋較普通鋼筋在惡劣腐蝕環(huán)境下，其表面的鍍膜可以將鋼筋與混凝土隔離開，即使有害離子滲入混凝土也可以有效的防止鋼筋腐蝕。
該項(xiàng)目筏板基礎(chǔ)在中部設(shè)有溫度后澆帶，在施工過程中外漏鋼筋、混凝土不可避免的與水、土接觸，后澆帶預(yù)留外漏鋼筋使用環(huán)氧涂層鋼筋可有效阻止鋼筋腐蝕。
�。�4）不同附加措施經(jīng)濟(jì)性能分析。
在強(qiáng)腐蝕環(huán)境下，建筑基礎(chǔ)一般可采用基礎(chǔ)表面防護(hù)和外加劑等措施，這兩種措施均有較好的防腐蝕效果且滿足《規(guī)范》規(guī)定。但兩者對(duì)不同構(gòu)件的經(jīng)濟(jì)性能應(yīng)區(qū)別對(duì)待。以地下板類構(gòu)件（如：筏板、水池等）為例，以構(gòu)件體積為標(biāo)準(zhǔn)單位（即1m3），通過改變不同的構(gòu)件厚度求得相應(yīng)的展開面積來計(jì)算構(gòu)件防腐措施的經(jīng)濟(jì)性能。采用防腐涂層（涂刷環(huán)氧瀝青或聚氨酯瀝青涂層）每平米防腐涂層49.04元考慮，采用外加劑（抗硫酸鹽類侵蝕防腐劑）每立方米按80.00元考慮。其對(duì)比分析見表 1.
通過表1可以看出，地下板類構(gòu)件當(dāng)厚度不大于0.613m時(shí)，采用抗硫酸鹽類侵蝕防腐劑經(jīng)濟(jì)效果明顯，并且隨構(gòu)件厚度的降低其經(jīng)濟(jì)效果越明顯；地下板類構(gòu)件當(dāng)厚度大于0.613m時(shí)，采用基礎(chǔ)表面防腐蝕涂層措施的經(jīng)濟(jì)性能更好；筏板基礎(chǔ)在采用基礎(chǔ)表面防腐蝕涂層措施較采用外加劑措施約降低成本65%.
5結(jié)論與建議。
建筑基礎(chǔ)防腐蝕設(shè)計(jì)應(yīng)遵循預(yù)防為主和防護(hù)結(jié)合的原則，因地制宜，區(qū)別對(duì)待，綜合選擇防腐蝕措施。在工程項(xiàng)目中建筑基礎(chǔ)防腐蝕設(shè)計(jì)主要分為兩部分，一部分是混凝土的腐蝕，一部分是鋼筋的腐蝕，最大限度的保證混凝土的高堿度和防止有害離子的入侵是防腐蝕措施的出發(fā)點(diǎn).合理有效的以防腐蝕基本措施和附加措施相結(jié)合為原則，針對(duì)不同水文地質(zhì)條件選取有效的防護(hù)措施。
通過工程實(shí)例分析建議：
�。�1）合理選擇基礎(chǔ)類型及埋置深度，盡量使基礎(chǔ)埋置于腐蝕等級(jí)較弱的深度。
（2）合理選用水泥品種、混凝土配比、鋼筋保護(hù)層厚度等基礎(chǔ)防護(hù)措施。
�。�3）合理選用不同類型的附加防護(hù)措施，做出經(jīng)濟(jì)上的最優(yōu)化選擇，并同時(shí)考慮施工可行性。
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