淺談建筑基礎腐蝕機理及防腐蝕措施
關鍵詞：建筑基礎，腐蝕，機理分析，防腐措施
1引言
建筑基礎埋置于地下，有可能會受到腐蝕性水和污染土的侵蝕，引起基礎混凝土開裂破壞、鋼筋受到腐蝕，導致基礎的耐久性降低。因此，對于腐蝕環(huán)境下的建筑基礎，必須進行防腐蝕設計。
2混凝土腐蝕機理分析
2.1碳化作用
空氣中或溶于水中的CO2與水泥石中的Ca(OH)2、水化硅酸鈣(3CaO.2SiO2.3H2O)等起反應，導致混凝土中堿度降低和混凝土本身的粉化�；炷撂蓟芏喾N因素影響，混凝土的材料、配比、環(huán)境條件如溫度、濕度、CO2濃度等對其都有影響，碳化作用對混凝土的腐蝕作用是最明顯的，其主要反應式如下：
Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O
CO2+H20→H2CO3
Ca(OH)2+H2CO3→CaCO3+H2O
2.2氯鹽腐蝕
氯鹽腐蝕是沿海混凝土建筑物和公路混凝土結(jié)構腐蝕破壞最重要的原因之一。氯鹽既可能來自于外部的海水、海霧、化冰鹽；也可能來自于建筑過程這使用的海砂、早強劑、防凍劑等。它可以和混凝土中的Ca(OH)2.3CaO.2A12O3.3H2O等起反應，生成易溶的CaCl2和帶有大量結(jié)晶水、比反應物體積大幾倍的固相化合物，造成混凝土的膨脹破壞，其反應式如下：
2Cl+Ca(OH)2→CaCl2+2OH-
2Ca(OH)2+2C1-十(n-1)H20→CaO.CaCl2.nH2O
3CaCl2+3CaO.Al2O3.6H20+25H2O→3CaO.Al2O3.3CaCl2.31H2O
2.3硫酸鹽的腐蝕
硫酸鹽也是破壞混凝土結(jié)構耐久性的一個重要因素，硫酸及硫酸鹽溶液進入混凝土的毛細孔中，硬化時水分蒸發(fā)，濃度提高，直接結(jié)晶，體積膨脹或直接與水泥石成分發(fā)生化學反應，生成結(jié)晶，體積膨脹，從而導致混凝土脹裂破壞。在海水、湖水、鹽沼水、地下水、某些工業(yè)污水及流經(jīng)高爐礦渣或煤渣的水中常含有鈉、鉀、銨、鎂等硫酸鹽，與Ca(OH)2起置換反應，生成硫酸鈣。生成物的體積比反應物大1.5倍以上，呈針狀結(jié)晶，引起很大的內(nèi)應力。其破壞特征是在表面出現(xiàn)幾條較粗大的裂縫。反應式如下：
4CaO.Al2O3.12H2O+3Na2SO4+2Ca(OH)2+2OH2O→3CaO.Al2O3.CaSO4.31H20+6NaOH
Ca(OH)2+SO42-十2H2O→CaSO4.2H2O+2OH-
2.4酸的腐蝕
在硫酸、鹽酸等生產(chǎn)車間和受酸雨危害的地區(qū)，混凝土構筑物受到強烈的腐蝕作用。酸對混凝土的腐蝕主要是酸能與水泥石中的Ca(OH)2發(fā)生中和反應生成可溶性的鈣鹽，破壞了水泥石中的堿度，使水化硅酸鈣等其它水化產(chǎn)物自行分解，而且鹽酸還能直接與這些水化產(chǎn)物反應生成可溶性鈣鹽，使單位體積內(nèi)Ca(OH)2和CSH(B)含量減少�；炷量紫堵试龃�，力學性能劣化。酸還可以與混凝土中的某些成分發(fā)生反應生成非凝膠性物質(zhì)或易溶于水的物質(zhì)，使混凝土產(chǎn)生由外及內(nèi)的逐層破壞。另外，酸還可以促使水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣的水解，從而破壞了孔隙結(jié)構的膠凝體，使混凝土的力學性能劣化。
2.5堿的腐蝕
堿對混凝土的腐蝕主要表現(xiàn)在與空氣中的CO2在混凝土表面或孔隙中產(chǎn)生強烈的碳化作用，其反應式如下：
CO2+2NaOH→Na2CO3+H2O
CO2+2KoH→K2CO3+H2O
水分蒸發(fā)后碳酸鹽結(jié)晶：
Na2CO3+10H2O→Na2CO3.10H2O
K2CO3+15H2O→K2CO3.15H2O
當混凝土沒有蒸發(fā)表面時，主要表現(xiàn)為堿骨料反應。所謂堿骨料反應是指混凝土原材料中的水泥、外加劑、混合材和水中的堿(Na2O或K2O)與骨料中的活性成分(氧化硅、碳酸鹽等)發(fā)生反應，生成物重新排列和吸水膨脹所產(chǎn)生的應力誘發(fā)產(chǎn)生裂縫，最后導致混凝土結(jié)構的破壞。
根據(jù)反應機理，堿骨料反應又可分為三種類型：①堿硅酸反應，堿與骨料中的活性SiO2反應，生成堿硅凝膠，堿硅凝膠吸水膨脹后產(chǎn)生內(nèi)應力，導致混凝土開裂，堿硅酸反應發(fā)生最為普遍，危害也最為嚴重；②堿碳酸鹽反應，堿與骨料中的碳酸鈣鎂反應，將白云石轉(zhuǎn)化為水鎂石和粘土，水鎂石結(jié)晶重排和黏土吸水膨脹產(chǎn)生應力導致破壞；③堿硅酸鹽反應，從機理上說仍屬于堿硅酸反應，但膨脹進程緩慢。堿骨料反應發(fā)生需要兩個條件：首先混凝土原材料中含堿量高，現(xiàn)在大多數(shù)國家規(guī)定骨料中的堿不超過O.6％或混凝土含堿量不超過30kg/ms；第二是有水分和空氣的供應，越是潮濕的環(huán)境堿骨料反應越容易發(fā)生硅灰、粉煤灰和高爐礦渣均可緩解、抑制堿骨料反應的發(fā)生。
3鋼筋腐蝕機理分析
由于腐蝕性介質(zhì)Cl-的作用，使鋼筋表面原有的鈍化膜被破壞，由鈍化狀態(tài)轉(zhuǎn)化為活性狀態(tài)，產(chǎn)生鋼筋的銹蝕，而鋼筋銹蝕是一個電化學過程，是腐蝕電池作用的結(jié)果。因為氯離子半徑很小，穿透力強，很容易吸附在鋼筋陽極區(qū)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?yōu)闊o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(qū)域時，則局部區(qū)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(jié)構的危害較大。
一般的電化學反應表達式為：
陽極反應：Fe一2e：Fe2-
陰極反應：O2+2H2O+4e一4OH-
綜合反應：2Fe+O2+2H2O：2Fe(OH)2(伴有電流)
從化學成分來看，銹蝕物一般為Fe(OH)3、Fe(OH)2、Fe3O4.H2O、Fe2O3等，其體積比原金屬體積增大2～4倍，由于鐵銹膨脹，對混凝土保護層產(chǎn)生巨大的輻射壓力，其數(shù)值可達30MPa(大于混凝土的抗拉極限強度)，使混凝土保護層沿著銹蝕的鋼筋形成裂縫(俗稱順筋裂縫)。這些裂縫進一步成為腐蝕性介質(zhì)滲入鋼筋的通道，加速了鋼筋的腐蝕。鋼筋在順縫中的腐蝕速度往往要比裸露情況快，等到混凝土表面的裂縫開展到一定程度，混凝土保護層則開始剝落，最終使構件喪失承載能力。
4防腐蝕的措施
4.1原材料的選擇
4.1.1水泥
由于各種水泥的礦物質(zhì)組份不同，因而對各種腐蝕性介質(zhì)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有重要意義。在水泥品種的選擇上，應注意以下幾個方面：
1）選擇低水化熱水泥
2）避免使用早強水泥和早強劑
3）選擇有害堿含量低的水泥，以防止發(fā)生堿骨料反應。
4）選擇鋁酸三鈣（C3A）較低的水泥，雖然鋁酸三鈣（C3A）具有高強效應，但它能與硫酸鹽土產(chǎn)生化學反應，產(chǎn)生體積膨脹，引起混凝土開裂。此外，合理使用粉煤灰、礦渣等礦物摻和料，這也是提高混凝土抗裂和耐久性能的重要途徑。
水泥品種的選用見表1。
表1腐蝕環(huán)境中的水泥品種的選用表
環(huán)境條件優(yōu)先選用可以選用不得選用
液態(tài)腐蝕地下工程礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥普通硅酸鹽水泥——
地上工程有干濕交替作用的地下工程硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥礦渣硅酸鹽水泥火山灰硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥
預應力混凝土硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥——高鋁水泥
4.1.2粗、細骨料
混凝土中所采用粗細骨料，應保證致密，同時控制材料的吸水率以及其它雜質(zhì)的含量，確保材質(zhì)狀況。為了改善粗細骨料的顆粒級配，在允許的最大粒徑范圍內(nèi)應盡量選用粒徑較大的粗骨料，可減少骨料的空隙率，也有助于提高混凝土的耐久性。另外，為了避免產(chǎn)生堿骨料反應，《工業(yè)建筑防腐設計規(guī)范》規(guī)定，可采用花崗巖、石英石和石灰石，但是不得采用有堿骨料反應的活性骨料。
4.1.3攪拌及養(yǎng)護用水
考慮其對混凝土及砂漿強度的耐久性影響，應正確選擇混凝土攪拌及養(yǎng)護用水，檢查其雜質(zhì)情況，目前主要采用自來水，嚴禁采用海水和井水。
4.1.4外加劑
在拌制混凝土過程中摻入外加劑，可以改善混凝土性質(zhì)，如提高混凝土密實性或?qū)︿摻畹淖桎P能力，從而提高混凝土結(jié)構的耐久性，如阻銹劑、密實劑、加氣劑、減水劑等。由于外加劑的化學組成中的氯鹽可能使混凝土結(jié)構中的鋼筋脫鈍，給結(jié)構物帶來隱患。在選擇外加劑時需對其中氯鹽的含量進行檢測，并做相關實驗。
4.2控制混凝土的水灰比和水泥用量
提高混凝土自身的防腐性能，主要提高其密實性和抗中性化能力，在腐蝕環(huán)境下，一般混凝土的強度等級不得小于C30，對于預應力混凝土結(jié)構，其強度等級應提高一個等級。
水灰比的大小是決定混凝土密實性的主要因素，它不但影響混凝土的強度，也嚴重影響其耐久性，故必須嚴格控制。
保證足夠的水泥用量，同樣可以提高混凝土的密實性和耐久性。單位水泥用量較高的混凝土，拌和物比較均勻，可減少混凝土搗實過程中出現(xiàn)的局部缺陷；并且能保持鋼筋周圍有足夠的堿度，使鋼筋鈍化膜不容易破壞。《工業(yè)建筑防腐設計規(guī)范》中規(guī)定了最小水泥用量(kg/m3)和最大水灰比，在施工過程中應嚴格執(zhí)行。
4.3混凝土保護層的厚度
保護層厚度對鋼筋的防腐蝕具有重要的作用。首先，增大保護層厚度可使腐蝕介質(zhì)到達鋼筋表面的時間明顯推遲。根據(jù)調(diào)查，若保護層厚度減少1/4,則混凝土中性化層到達鋼筋表面的時間可縮短一半。其次，增大保護層厚度可增強抵抗鋼筋銹蝕產(chǎn)生的脹裂力。
當然，也不能一味地增大保護層厚度，因為保護層太厚時，受彎構件橫向裂紋會增大，涂料保護層也易脫落。
《工業(yè)建筑防腐設計規(guī)范》中規(guī)定了鋼筋的混凝土最小保護層厚度，在施工過程中應嚴格保證。
4.4基礎、基礎梁的表面防護措施
對處在強、中等腐蝕性環(huán)境中的基礎，應設碎石灌瀝青或瀝青混凝土的耐腐蝕墊層，厚度不應小于100mm�；A和墊層表面及基礎梁表面的防護措施有：環(huán)氧瀝青或聚氨酯瀝青涂層、樹脂玻璃鱗片涂層、聚合物水泥砂漿、瀝青冷底子油兩遍加瀝青膠泥涂層等，設計時應根據(jù)環(huán)境的腐蝕性等級，按《工業(yè)建筑防腐設計規(guī)范》的規(guī)定選用。
4.5鋼筋的防護措施
采用電化學保護。電化學保護分為陰極保護和陽極保護。陰極保護是一種經(jīng)濟有效的防護措施，應用范圍廣泛。而陽極保護是將被保護的金屬構件與外加直流電源的正極連接，當電流通過時迅速發(fā)生電化學反應，形成鈍化區(qū)，使金屬構件得到保護。
對鋼筋進行涂(鍍)層保護。鋼筋的表面防護分為金屬和非金屬表面防護。鍍鋅是常用的金屬表面防護，環(huán)氧樹脂和聚合體樹脂用于非金屬表面防護。
使用環(huán)氧涂層鋼筋。鍍鋅鋼筋、包鋼鋼筋以前很少使用，合金鋼鋼筋（耐蝕鋼筋）在日本有一定的發(fā)展，美國、加拿大一些國家對不銹鋼鋼筋、環(huán)氧涂層鋼筋在工程上應用廣泛。近年，我國也制定了環(huán)氧涂層鋼筋產(chǎn)品標準，并開始在工程中應用。
4.6混凝土的養(yǎng)護
加強混凝土養(yǎng)護，控制混凝土表面裂縫，確保施工質(zhì)量，對防腐蝕也起到一種加強作用。
