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。