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混凝土結構的腐蝕機理及預防措施

作者:蔡文堯  
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  某些鹵離子(如Cl-、I-、Br-)對鈍化膜有特殊的破壞作用。它們在鋼筋保護層不被碳化或中性化的情況下也可以破壞鋼筋鈍化膜,使腐蝕過程得以進行。氯離子是這一類離子中最常遇到的。氯離子半徑很小,穿透力強,很容易吸附在鋼筋陽極區的鈍化膜上,取代鈍化膜中氧離子,使鋼筋起保護作用的氫氧化鐵變為無保護作用的氯化鐵。氯化鐵的溶解度比氫氧化鐵的溶解度大得多。由于氯離子到達鋼筋表面的不均勻性,特別是氯離子作用在鋼筋局部區域時,則局部區域為陽極,形成了大陰極小陽極的腐蝕。這種坑蝕或局部腐蝕對結構的危害較大。
  
  影響混凝土中性化(包括碳化)速度的因素很多,但主要的因素是混凝土的密實度,即抗滲性能。混凝土愈密實,即抗滲性能愈高,則外界的氣體只能作用于混凝土表面,向內部滲透比較困難。影響混凝土密實度的主要因素是混凝土的水灰比和單位水泥用量。水泥品種對混凝土的中性化速度有一定的影響;不同品種的水泥,因其摻合料的品種及含量不同,水解時生成的堿性物質數量不同,使混凝土的中性化速度也就不同了。
  
  普通硅酸鹽水泥的熟料含量多,摻合料的含量一般不大于15%,其堿度比其它品種的水泥高,中性化速度相對的要慢。火山灰質硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥,由于摻合料中的活性氧化硅與水泥熟料中水解時產生的氫氧化鈣結合,從而降低了混凝土孔隙中的液相堿度,加快了碳化或中性化的速度。
  
  3、預應力混凝土結構
  
  預應力混凝土結構的腐蝕除了具有普通混凝土結構的腐蝕類型外,由于采用高強度鋼筋和鋼筋在高應力條件下工作,所以可能發生應力腐蝕和鋼材的氫脆。
  
  (1)應力腐蝕
  
  應力腐蝕是鋼筋在拉應力和腐蝕性介質共同作用下形成的脆性斷裂。這種破壞與單純的機械應力破壞不同,它可以在較低的拉應力作用下破壞;這種破壞又與單純的電化學腐蝕破壞不同,它可以在腐蝕性介質很弱的情況下而破壞。
  
  腐蝕性介質與鋼筋作用,在鋼筋表面形成一個大小不等彌散分布的腐蝕坑后,每個腐蝕坑相當于一個缺口,鋼筋在拉應力的作用下,形成應力的不均勻分布和應力集中,在缺口的邊緣,當鋼筋平均應力不高時,其集中的應力即可達到斷裂應力的水平,而引起鋼筋的斷裂。由于缺口的存在,形成了拉應力三軸不相等狀態,阻礙了鋼筋塑性變形的開展,使塑性變形性能在鋼筋斷裂前不能充分發揮出來,延伸率、冷彎等塑性指標均有明顯下降。預應力鋼筋的腐蝕是拉應力與腐蝕性介質共同作用的結果,腐蝕因素對鋼筋斷裂的最初形成起主要作用,而拉應力則促進了腐蝕的發展。
  
  (2)氫脆
  
  氫脆是預應力鋼筋在酸性與微堿性的介質中發生脆性斷裂的另一中類型。氫脆與應力腐蝕的機理完全不同。應力腐蝕發生在鋼筋的陽極,而氫脆發生在鋼筋的陰極區域。氫脆是由于鋼筋吸收了原子氫,而使其變脆,所以稱為氫脆。鋼筋在腐蝕過程中,表面可能有少量氫氣產生,在通常情況下,生成的原子氫會迅速結成分子氫,在常溫下是無害的,但當這一過程受到阻礙時,氫原子就會向鋼筋內部擴散而被吸收到金屬內部的晶格中去,如果鋼筋內部有缺陷存在,氫原子很可能重新結合成為氫分子。氫分子的生成產生很大的壓力,出現"鼓泡"現象。使鋼筋變脆。產生氫脆的鋼筋在受到超過臨界值的拉力作用時,便會發生斷裂。硫化氫是能引起預應力鋼筋氫脆的介質之一。
  
  4、纖維混凝土結構
  
  我國工程中常見的纖維混凝土為鋼纖維混凝土、玻璃纖維混凝土以及聚丙烯纖維混凝土。它們均是將纖維材料均勻分布在水泥砂漿、混凝土中,用以改變基材的物理力學性能。
  
  纖維混凝土的腐蝕機理與普通混凝土基本相同,但纖維的直徑較細,且均勻分布,其耐久性相對普通混凝土要強一些。開裂的纖維混凝土構件在潮濕的環境下,裂縫處的混凝土碳化后,碳化區的鋼纖維開始銹蝕。有研究表面,鋼纖維混凝土中鋼筋的銹蝕較普通混凝土鋼筋的銹蝕減輕,其原因除了鋼纖維阻裂作用的影響外,還在于細小纖維在混凝土中亂向均勻分布,從而改變了鋼筋電化學銹蝕的離子分布狀態,阻止了鋼筋的銹蝕。
  
  5、輕骨料混凝土結構及加氣混凝土
  
  輕骨料混凝土的腐蝕機理與類型基本與普通混凝土相同,由于大多數輕骨料抵抗氣體擴散能力較低,腐蝕性氣體較易滲入內部,因此必須控制輕骨料混凝土的密實度。
  
  加氣混凝土的顯氣孔較多,不致密,吸水率高,碳化速度較快,在正常使用條件下尚需對鋼筋進行表面涂覆保護層,而且加氣混凝土表面氣孔多,不容易進行保護,所以在腐蝕環境下不宜使用加氣混凝土。
  
  三、預防混凝土結構腐蝕的措施

  對混凝土結構腐蝕預防應針對其不同的結構組成制定不同的措施。
  
  1、原材料的選擇
  
  (1)水泥
  
  水泥是水泥砂漿和混凝土的膠結材料。水泥類材料的強度和工程性能,是通過水泥砂漿的凝結、硬化而形成。水泥石一旦遭受腐蝕,水泥砂漿和混凝土的性能將不復存在。由于各種水泥的礦物質組份不同,因而它們對各種腐蝕性介質的耐蝕性就有差異。正確選用水泥品種,對保證工程的耐久性與節約投資有重要意義。
  
  水泥按其用途及性能要求分為三類,即通用水泥、專用水泥和特殊水泥。

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