混凝土抗腐蚀及其预防措施

引言：混凝土结构一直被认为是一种节能、经济、用途极为广泛的人工耐久性材料,是目前应用较为广泛的结构形式之一。但随着结构物的老化和环境污染的加剧,其耐久性问题越来越引起国内外广大研究者的关注。由于勘察、设计、施工及使用过程中多因素影响,很多混凝土结构都先后出现病害和劣化,使结构出现了各种不同程度的隐患、缺陷或损伤,导致结构的安全性、适用性、耐久性降低,最终引起结构失效,造成资金的巨大浪费。根据中国工程院2001-2003年《中国工业和自然环境腐蚀调查与对策》中的统计, 1998年中国建筑部门(包括公路、桥梁建筑)的腐蚀损失为1000亿人民币[1]。近年来,中国建筑行业的发展速度突飞猛进,一批批建筑物拔地而起,但钢筋混凝土基础的耐久性问题也逐渐暴露出来。所以,重视和加强钢筋混凝土基础结构的腐蚀性与防腐措施的研究已迫在眉睫。
1、产生腐蚀的基本原因：
1.1氢氧化钙及其他水化物能在一定程度上溶解于水。
1.2氢氧化钙、水化硅酸钙等都是碱性物质，若环境介质中有酸类或某些盐类时，能与其发生化学反应，若新生成的物质或易溶于水、或没有胶结力、或因结晶膨胀而产生内应力，都将引起混凝土破坏。
1.3混凝土本身不密实，在其内部存在很多毛细孔通道，侵蚀介质易于进入其内部。
2、腐蚀机理：
混凝土的腐蚀是一个很复杂的物理的、物理化学的过程。一般可将混凝土的腐蚀分为3类:溶蚀性腐蚀、某些盐酸溶液和镁盐的腐蚀、结晶膨胀性腐蚀。。所以,混凝土的腐蚀机理可从以下3类入手:物理作用、化学腐蚀、微生物腐蚀。
2.1物理作用
    物理作用是指在没有化学反应发生时,混凝土内的某些成分在各种环境因素的影响下,发生溶解或膨胀,引起混凝土强度降低,导致结构受到破坏。物理作用主要包括2类:侵蚀作用和结晶作用。 
(1)侵蚀作用:混凝土中的水化物只有在一定浓度的Ca²⁺溶液中才能稳定存在，如果溶液中Ca²⁺浓度小于该水化物的极限Ca²⁺浓度，则该水化物将被溶解或分解。当环境中的侵蚀性介质(如地下软水,河流、湖泊中的流水)长期与混凝土接触时,将会使混凝土中的可溶性成分(如Ca(OH)₂)溶解。在无压力水的环境下,基础周围的水容易被溶出的Ca(OH)₂饱和,使溶解作用终止。但在流水或压力水作用下, Ca(OH)₂会不断溶解、流失, Ca(OH)₂的溶出使得水化硅酸钙和水化铝酸钙失去稳定性而水解、溶出，导致混凝土强度减小,pH值降低,孔隙率增大,腐蚀性介质更容易进入混凝土内部,如此循环,导致混凝土结构破坏。
(2)结晶作用:混凝土是一种非常典型的孔隙材料。环境中的某些盐类侵入到混凝土的毛细孔道中,在湿度较大时会溶解,但在湿度较低或低温环境下会吸水结晶。随着孔隙中晶体的不断析出、积累,毛细孔中的晶体体积将不断膨胀,对混凝土孔壁造成极大的结晶压力,从而引起混凝土的膨胀开裂。寒冷地区的冻融破坏也属于此类反应。
2.2化学腐蚀
化学腐蚀是指混凝土中的某些水化物与环境中腐蚀性介质(如酸、碱、盐等)发生化学反应生成新的化学物质而引起混凝土结构的破坏。化学腐蚀可归纳为两大类:分解类腐蚀和分解结晶复合类腐蚀。 
(1)分解类腐蚀: 混凝土中的有效成分与某些腐蚀性介质发生复分解反应,生成了新的物质。 
(2)分解结晶复合类腐蚀: 混凝土中的Ca(OH)₂与腐蚀性介质发生反应,生成某些新的钙盐,这些钙盐在混凝土的毛细孔中可结合大量的水而形成体积较大的晶体,造成水泥石胀裂破坏。
2.3微生物腐蚀
从目前来看,生物对混凝土的腐蚀问题尚未引起国内重视。据了解,独联体国家由于混凝土遭受生物腐蚀所造成的经济损失,到20世纪90年代初已达到5·5亿美元/a,而且还有继续增加的趋势[2]。生物对混凝土的腐蚀大致有2种形式:①生物力学作用。②类似于混凝土的化学腐蚀。
3、腐蚀因素及其作用规律 
影响其腐蚀的因素主要有以下几种:混凝土的密实性、抗化学腐蚀性、碱骨料反应以及钢筋的锈蚀等。 
3．1 密实性 
由于水泥在水化过程中会出现一些毛细孔隙,所以混凝土结构不可能绝对密实。从理论上讲,硅酸盐水泥完全水化所结合的水量只占水泥质量的22。7%,但为了保证有必要的毛细孔作为供水通道,使水泥完全水化的最少需水量为43。8%。因此,实际用水量都要比理论值偏大,从而使水灰比增大,混凝土的密实性减小。
3.2抗化学腐蚀性
（1）硫酸盐腐蚀 
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。
（2）镁盐腐蚀 
镁盐能与硬化水泥浆体中的氢氧化钙发生下列反应：                           Ca(OH)­₂+Mg(OH)₂+2H₂O—CaSO₄.2H₂O+Mg(OH)₂
Ca(OH)₂+MgCl₂—CaCl₂+Mg(OH)₂
生成物中，氢氧化镁松软无胶结能力，氯化钙易溶于水，二水石膏则会引起硫酸盐破坏作用。硫酸镁对水泥浆体起镁盐和硫酸盐的双重腐蚀作用[3]。
（3）氯盐腐蚀
外部氯离子一般通过渗透、扩散等方式侵入混凝土中。它们可以和混凝土中的Ca(OH)2、3CaO·2Al₂O₃·3H₂O等发生反应,生成易溶的CaCl2和带有大量结晶水且比反应物体积大几倍的固相化合物。Ca(OH)₂的大量消耗,破坏了C—S—H凝胶和Ca(OH)₂之间的平衡,导致C—S—H凝胶被大量分解,最终导致混凝土表面的溃散。此外,在混凝土干湿交替带,大量的CaCl₂还会产生氯化钙结晶(CaCl₂·6H₂O)腐蚀。 
4、防腐措施 
（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。
（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]柯 伟，中国腐蚀调查报告[M]，北京:化学工业出版社, 2003. 
[2]杜洪彦,邱富荣,林昌健。混凝土的腐蚀机理与新型防护方法[J].腐蚀科学与防护技术, 2001, 13(3): 156-161.
[3]蒋林华，混凝土材料科学（上册），2006，37.

编辑：小薇