天津地铁中的钢筋混凝土腐蚀及防护

时间：2015-12-20 13:19:13 所属分类：交通运输经济 浏览量:

摘 要: 论述了硫酸盐、氯离子等对钢筋混凝土的腐蚀机理, 并结合天津地铁 2 号线某车站的具体施工情况, 介绍了相应的防护措施。 关键词: 混凝土; 耐久性; 腐蚀 1 工程概况和地质特点 天津地铁 2 号线某车站主体为现浇钢筋混凝土箱型结构形式, 采用明挖顺作法

摘 要: 论述了硫酸盐、氯离子等对钢筋混凝土的腐蚀机理, 并结合天津地铁 2 号线某车站的具体施工情况, 介绍了相应的防护措施。

关键词: 混凝土; 耐久性; 腐蚀

1 工程概况和地质特点
天津地铁 2 号线某车站主体为现浇钢筋混凝土箱型结构形式, 采用明挖顺作法施工。
工程施工范围内地下水分为潜水及微承压水。其中, 潜水位于地表下 1.0～3.0 m, 主要依靠大气降水入渗和地表水入渗补给, 水位受季节影响明显; 微承压水分布于第Ⅱ陆相层以下, 一般位于地表 15.0 m 以下, 主要含水层为粉土和粉砂, 含水层厚度较大, 分布相对稳定, 该层接受上层潜水的补给, 以地下径流方式排泄, 同时以渗透方式补给深层地下水。
依据文献[1]的规定, 进行腐蚀性试验得出的结论是: 主要腐蚀由硫酸盐和氯离子引起的, 其中, 硫酸根离子最高浓度 2 291mg/L, 氯离子最高浓度 4006 mg/L。它们交互作用, 对钢筋混凝土形成侵蚀, 影响其耐久性能。
2 钢筋混凝土腐蚀机理的分析
2. 1 硫酸盐对混凝土腐蚀作用机理
Na2SO4、MgSO4 等硫酸盐与混凝土中水泥的水化产物 Ca(OH)2 反应生成:
(1)钙矾石(3CaO、Al2O3、3CaSO4、31H2O)[2]。它是一种针状结晶体, 固相体积是原来的 1.5 倍。由于是在固化了的混凝土中发生反应, 因此在混凝土内形成膨胀应力而引起混凝土结构的破坏。
(2) 白色松软的不定形物质—Mg(OH)2。它会使水泥浆体的结构遭到破坏。
(3)石膏。溶于水后会造成混凝土的浸析增加。
(4)硅酸镁水化物。与硅酸钙水化物的取代反应会使混凝土强度下降。
2. 2 氯离子对钢筋的腐蚀作用机理
混凝土在水化作用时, 水泥中氯化钙生成氢氧化钙, 从而产生大量的氢氧根离子, 使 pH 值达到 12～14。钢筋在这样的高碱环境中, 表面容易生成一层致密的钝化膜而阻止钢筋的锈蚀。但当 pH 值小于一定的数值时, 钝化膜则难以形成, 氯离子一旦到达钢筋表面, 局部钝化膜便开始被破坏, 钢筋便会在各种作用下开始锈蚀。
(1)腐蚀电流的影响。当钢筋表面局部钝化膜遭到破坏后, 使某些部位露出铁基本体, 与尚完好的钝化膜区域之间构成电位差。大面积的钝化膜区作为阴极发生还原反应, 铁基体作为阳极而受到腐蚀。腐蚀由局部开始逐渐在钢筋表面扩展。
(2) 氯离子的阳极去极化作用[3]。加速阳极过程者, 称做阳极去极化作用, 而氯离子就具有这样的作用, 即: 在阳极氯离子与 2 价铁离子相遇生成 FeCl2,使 2 价铁离子消失, 从而加速阳极反应。但是 FeCl2是可溶的, 在向混凝土内扩散遇到氢氧根离子发生反应, 最后可氧化成铁的氧化物。在这个过程中, 氯离子只起“搬运”作用, 而不被“消耗”, 因此它会周而复始地起破坏作用。
(3)氯盐与水泥的作用。在一定的条件下, 氯盐可与水泥中的铝酸三钙生成不溶性“复盐”, 从而降低氯离子含量, 同时降低硫酸盐与铝酸三钙作用而发生“膨胀”破坏。但当混凝土的碱度降低时, “复盐”会分解重新释放出氯离子, 对钢筋产生腐蚀。
2. 3 其他的腐蚀因素
如果外界环境中 CO2、SO2、工业酸性介质等渗入到混凝土中, 也会与其中的含碱物发生化学反应, 这样将降低混凝土的碱度, 也可能导致部分水泥水化物分解。此外, 气候条件、地下微生物等也有可能腐蚀钢筋。
3 钢筋混凝土防护措施
通过上面腐蚀机理的分析, 要提高钢筋混凝土的耐久性就要做到: 保持混凝土的高碱度; 提高混凝土的密实度, 增强抗渗能力; 控制硫酸根离子、氯离子的含量。

(1)水泥和骨料材料的选择
水泥是配置混凝土的关键原料。为提高混凝土抗硫酸根离子腐蚀性和抗裂性能, 选用含 C3A、碱量低的普通硅酸盐水泥和坚固耐久的洁净骨料, 并控制水泥和骨料中氯离子的含量; 要重视单方混凝土中胶凝材料的用量和混凝土骨料的级配, 以及对粗骨料的粒形要求, 并尽可能减少混凝土胶凝材料中的硅酸盐水泥用量。
(2)掺入高效活性矿物掺料
活性矿物质掺料中含有大量活性 SiO2 及活性Al2O3。由于现在水泥产品的细度减小、活性增加, 使得水化反应加速、放热加剧、干燥收缩增加, 导致混凝土温度收缩和干缩产生的裂纹增加。将二级粉煤灰、S95 级矿粉复合掺入混凝土中, 可以减少热开裂, 提高抗渗性, 降低混凝土中钙矾石的生成量。
（3）使用高效减水剂
一般情况下, 材料的组合与配合比中对混凝土抗渗性最具影响力的因素是水灰比。因此在保证混凝土拌和物所需流动性的同时, 应尽可能降低用水量。加入减水剂可以使水泥体系处于相对稳定的悬浮状态,在水泥表面形成一层溶剂化水膜, 同时将水泥在加水搅拌中絮凝体内的游离水释放出来, 达到减水的目的。
(4)添加防腐剂
采用 SRA- 1 型防腐剂, 其 SiO2 与水泥的水化产物氢氧化钙生成水化硅酸钙凝胶, 降低硫酸盐腐蚀速度; 其二次水化反应也减少氢氧化钙的含量, 降低液相碱度, 从而减少了硫酸根离子生成石膏的钙矾石的数量, 减缓了膨胀破坏。同时它还相对降低水泥中铝酸盐的含量。它的氯离子渗透系数为抗硫酸盐水泥的0.1, 为普通硅酸盐的 0.5, 所以, 当硫酸根离子和氯离子并存时, 它更有利于抵抗盐类腐蚀。
4 结语
为提高混凝土的耐久性, 我们选用了优质原材料, 除水泥、水和骨料, 还掺入了足够数量的矿物集料和高效减水剂, 这样就减少了水泥用量、混凝土内部空隙率以及体积收缩; 在施工过程中, 由于加强了施工各环节控制, 严把混凝土施工质量关, 确保水灰比、坍落度在要求范围内, 混凝土振捣严格按规程进行操作, 同时重视混凝土振捣后的抹面工作, 所以施工后经检验, 质量效果甚佳, 受到建设单位好评。

参考文献:
[1] 首都规划建设委员会办公室. GB 50307- 1999 地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范[S]. 北京: 中国计划出版社, 2000.
[2] 杨卫东,刘建民,迟培云.沿海地区钢筋混凝土的腐蚀及防护
[J]. 混凝土, 2003,(8): 22- 24.
[3] 洪乃丰. 氯盐与钢筋腐蚀破坏[J]. 工业建筑, 1999,29(10):60- 63.

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