浅谈建筑基础腐蚀机理及防腐蚀措施

　　摘要：结合多年的实际工作经验，从碳化作用、氯盐腐蚀、硫酸盐的腐蚀、酸的腐蚀、碱的腐蚀分析了建筑基础腐蚀机理，并且提出了防腐措施，仅供相关技术入员参考。
　　关键词：建筑基础，腐蚀，机理分析，防腐措施
　　1引言
　　
　　建筑基础埋置于地下，有可能会受到腐蚀性水和污染土的侵蚀，引起基础混凝土开裂破坏、钢筋受到腐蚀，导致基础的耐久性降低。因此，对于腐蚀环境下的建筑基础，必须进行防腐蚀设计。
　　2混凝土腐蚀机理分析
　　2.1碳化作用
　　空气中或溶于水中的CO2与水泥石中的Ca(OH)2、水化硅酸钙(3CaO.2SiO2.3H2O)等起反应，导致混凝土中碱度降低和混凝土本身的粉化。混凝土碳化受多种因素影响，混凝土的材料、配比、环境条件如温度、湿度、CO2浓度等对其都有影响，碳化作用对混凝土的腐蚀作用是最明显的，其主要反应式如下：
　　Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O
　　CO2+H20→H2CO3
　　Ca(OH)2+H2CO3→CaCO3+H2O
　　2.2氯盐腐蚀
　　氯盐腐蚀是沿海混凝土建筑物和公路混凝土结构腐蚀破坏最重要的原因之一。氯盐既可能来自于外部的海水、海雾、化冰盐；也可能来自于建筑过程这使用的海砂、早强剂、防冻剂等。它可以和混凝土中的Ca(OH)2.3CaO.2A12O3.3H2O等起反应，生成易溶的CaCl2和带有大量结晶水、比反应物体积大几倍的固相化合物，造成混凝土的膨胀破坏，其反应式如下：
　　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硫酸盐的腐蚀
　　硫酸盐也是破坏混凝土结构耐久性的一个重要因素，硫酸及硫酸盐溶液进入混凝土的毛细孔中，硬化时水分蒸发，浓度提高，直接结晶，体积膨胀或直接与水泥石成分发生化学反应，生成结晶，体积膨胀，从而导致混凝土胀裂破坏。在海水、湖水、盐沼水、地下水、某些工业污水及流经高炉矿渣或煤渣的水中常含有钠、钾、铵、镁等硫酸盐，与Ca(OH)2起置换反应，生成硫酸钙。生成物的体积比反应物大1.5倍以上，呈针状结晶，引起很大的内应力。其破坏特征是在表面出现几条较粗大的裂缝。反应式如下：
　　4CaO.Al2O3.12H2O+3Na2SO4+2Ca(OH)2+2OH2O→3CaO.Al2O3.CaSO4.31H20+6NaOH
　　Ca(OH)2+SO42-十2H2O→CaSO4.2H2O+2OH-
　　2.4酸的腐蚀
　　在硫酸、盐酸等生产车间和受酸雨危害的地区，混凝土构筑物受到强烈的腐蚀作用。酸对混凝土的腐蚀主要是酸能与水泥石中的Ca(OH)2发生中和反应生成可溶性的钙盐，破坏了水泥石中的碱度，使水化硅酸钙等其它水化产物自行分解，而且盐酸还能直接与这些水化产物反应生成可溶性钙盐，使单位体积内Ca(OH)2和CSH(B)含量减少。混凝土孔隙率增大，力学性能劣化。酸还可以与混凝土中的某些成分发生反应生成非凝胶性物质或易溶于水的物质，使混凝土产生由外及内的逐层破坏。另外，酸还可以促使水化硅酸钙和水化铝酸钙的水解，从而破坏了孔隙结构的胶凝体，使混凝土的力学性能劣化。
　　2.5碱的腐蚀
　　碱对混凝土的腐蚀主要表现在与空气中的CO2在混凝土表面或孔隙中产生强烈的碳化作用，其反应式如下：
　　CO2+2NaOH→Na2CO3+H2O
　　CO2+2KoH→K2CO3+H2O
　　水分蒸发后碳酸盐结晶：
　　Na2CO3+10H2O→Na2CO3.10H2O
　　K2CO3+15H2O→K2CO3.15H2O
　　当混凝土没有蒸发表面时，主要表现为碱骨料反应。所谓碱骨料反应是指混凝土原材料中的水泥、外加剂、混合材和水中的碱(Na2O或K2O)与骨料中的活性成分(氧化硅、碳酸盐等)发生反应，生成物重新排列和吸水膨胀所产生的应力诱发产生裂缝，最后导致混凝土结构的破坏。
　　根据反应机理，碱骨料反应又可分为三种类型：①碱硅酸反应，碱与骨料中的活性SiO2反应，生成碱硅凝胶，碱硅凝胶吸水膨胀后产生内应力，导致混凝土开裂，碱硅酸反应发生最为普遍，危害也最为严重；②碱碳酸盐反应，碱与骨料中的碳酸钙镁反应，将白云石转化为水镁石和粘土，水镁石结晶重排和黏土吸水膨胀产生应力导致破坏；③碱硅酸盐反应，从机理上说仍属于碱硅酸反应，但膨胀进程缓慢。碱骨料反应发生需要两个条件：首先混凝土原材料中含碱量高，现在大多数国家规定骨料中的碱不超过O.6％或混凝土含碱量不超过30kg/ms；第二是有水分和空气的供应，越是潮湿的环境碱骨料反应越容易发生硅灰、粉煤灰和高炉矿渣均可缓解、抑制碱骨料反应的发生。
　　3钢筋腐蚀机理分析
　　由于腐蚀性介质Cl-的作用，使钢筋表面原有的钝化膜被破坏，由钝化状态转化为活性状态，产生钢筋的锈蚀，而钢筋锈蚀是一个电化学过程，是腐蚀电池作用的结果。因为氯离子半径很小，穿透力强，很容易吸附在钢筋阳极区的钝化膜上，取代钝化膜中氧离子，使钢筋起保护作用的氢氧化铁变为无保护作用的氯化铁，氯化铁的溶解度比氢氧化铁的溶解度大得多，由于氯离子到达钢筋表面的不均匀性，特别是氯离子作用在钢筋局部区域时，则局部区域为阳极，形成了大阴极小阳极的腐蚀，这种坑蚀或局部腐蚀对结构的危害较大。
　　一般的电化学反应表达式为：
　　阳极反应：Fe一2e：Fe2-
　　阴极反应：O2+2H2O+4e一4OH-
　　综合反应：2Fe+O2+2H2O：2Fe(OH)2(伴有电流)
　　从化学成分来看，锈蚀物一般为Fe(OH)3、Fe(OH)2、Fe3O4.H2O、Fe2O3等，其体积比原金属体积增大2～4倍，由于铁锈膨胀，对混凝土保护层产生巨大的辐射压力，其数值可达30MPa(大于混凝土的抗拉极限强度)，使混凝土保护层沿着锈蚀的钢筋形成裂缝(俗称顺筋裂缝)。这些裂缝进一步成为腐蚀性介质渗入钢筋的通道，加速了钢筋的腐蚀。钢筋在顺缝中的腐蚀速度往往要比裸露情况快，等到混凝土表面的裂缝开展到一定程度，混凝土保护层则开始剥落，最终使构件丧失承载能力。
　　4防腐蚀的措施
　　4.1原材料的选择
　　4.1.1水泥
　　由于各种水泥的矿物质组份不同，因而对各种腐蚀性介质的耐蚀性就有差异，正确选用水泥品种，对保证工程的耐久性有重要意义。在水泥品种的选择上，应注意以下几个方面：
　　1）选择低水化热水泥
　　2）避免使用早强水泥和早强剂
　　3）选择有害碱含量低的水泥，以防止发生碱骨料反应。
　　4）选择铝酸三钙（C3A）较低的水泥，虽然铝酸三钙（C3A）具有高强效应，但它能与硫酸盐土产生化学反应，产生体积膨胀，引起混凝土开裂。此外，合理使用粉煤灰、矿渣等矿物掺和料，这也是提高混凝土抗裂和耐久性能的重要途径。
　　水泥品种的选用见表1。
　　表1腐蚀环境中的水泥品种的选用表
　　环境条件优先选用可以选用不得选用
　　液态腐蚀地下工程矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥——
　　地上工程有干湿交替作用的地下工程硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥矿渣硅酸盐水泥火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥
　　预应力混凝土硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥——高铝水泥
　　
　　
　　4.1.2粗、细骨料
　　混凝土中所采用粗细骨料，应保证致密，同时控制材料的吸水率以及其它杂质的含量，确保材质状况。为了改善粗细骨料的颗粒级配，在允许的最大粒径范围内应尽量选用粒径较大的粗骨料，可减少骨料的空隙率，也有助于提高混凝土的耐久性。另外，为了避免产生碱骨料反应，《工业建筑防腐设计规范》规定，可采用花岗岩、石英石和石灰石，但是不得采用有碱骨料反应的活性骨料。
　　4.1.3搅拌及养护用水
　　考虑其对混凝土及砂浆强度的耐久性影响，应正确选择混凝土搅拌及养护用水，检查其杂质情况，目前主要采用自来水，严禁采用海水和井水。
　　4.1.4外加剂
　　在拌制混凝土过程中掺入外加剂，可以改善混凝土性质，如提高混凝土密实性或对钢筋的阻锈能力，从而提高混凝土结构的耐久性，如阻锈剂、密实剂、加气剂、减水剂等。由于外加剂的化学组成中的氯盐可能使混凝土结构中的钢筋脱钝，给结构物带来隐患。在选择外加剂时需对其中氯盐的含量进行检测，并做相关实验。
　　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，主要提高其密实性和抗中性化能力，在腐蚀环境下，一般混凝土的强度等级不得小于C30，对于预应力混凝土结构，其强度等级应提高一个等级。
　　水灰比的大小是决定混凝土密实性的主要因素，它不但影响混凝土的强度，也严重影响其耐久性，故必须严格控制。
　　保证足够的水泥用量，同样可以提高混凝土的密实性和耐久性。单位水泥用量较高的混凝土，拌和物比较均匀，可减少混凝土捣实过程中出现的局部缺陷；并且能保持钢筋周围有足够的碱度，使钢筋钝化膜不容易破坏。《工业建筑防腐设计规范》中规定了最小水泥用量(kg/m3)和最大水灰比，在施工过程中应严格执行。
　　4.3混凝土保护层的厚度
　　保护层厚度对钢筋的防腐蚀具有重要的作用。首先，增大保护层厚度可使腐蚀介质到达钢筋表面的时间明显推迟。根据调查，若保护层厚度减少1/4,则混凝土中性化层到达钢筋表面的时间可缩短一半。其次，增大保护层厚度可增强抵抗钢筋锈蚀产生的胀裂力。
　　当然，也不能一味地增大保护层厚度，因为保护层太厚时，受弯构件横向裂纹会增大，涂料保护层也易脱落。
　　《工业建筑防腐设计规范》中规定了钢筋的混凝土最小保护层厚度，在施工过程中应严格保证。
　　4.4基础、基础梁的表面防护措施
　　对处在强、中等腐蚀性环境中的基础，应设碎石灌沥青或沥青混凝土的耐腐蚀垫层，厚度不应小于100mm。基础和垫层表面及基础梁表面的防护措施有：环氧沥青或聚氨酯沥青涂层、树脂玻璃鳞片涂层、聚合物水泥砂浆、沥青冷底子油两遍加沥青胶泥涂层等，设计时应根据环境的腐蚀性等级，按《工业建筑防腐设计规范》的规定选用。
　　4.5钢筋的防护措施
　　采用电化学保护。电化学保护分为阴极保护和阳极保护。阴极保护是一种经济有效的防护措施，应用范围广泛。而阳极保护是将被保护的金属构件与外加直流电源的正极连接，当电流通过时迅速发生电化学反应，形成钝化区，使金属构件得到保护。
　　对钢筋进行涂(镀)层保护。钢筋的表面防护分为金属和非金属表面防护。镀锌是常用的金属表面防护，环氧树脂和聚合体树脂用于非金属表面防护。
　　使用环氧涂层钢筋。镀锌钢筋、包钢钢筋以前很少使用，合金钢钢筋（耐蚀钢筋）在日本有一定的发展，美国、加拿大一些国家对不锈钢钢筋、环氧涂层钢筋在工程上应用广泛。近年，我国也制定了环氧涂层钢筋产品标准，并开始在工程中应用。
　　4.6混凝土的养护
　　加强混凝土养护，控制混凝土表面裂缝，确保施工质量，对防腐蚀也起到一种加强作用。