《硅烷对于混凝土防硫酸盐腐蚀的试验研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《硅烷对于混凝土防硫酸盐腐蚀的试验研究（12页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、中国矿业大学力学与建筑工程学院科研训练课程报告 1混凝土防蚀涂层材料硅烷的防护试验研究（力学与建筑工程学院土木 11-6 王超）摘要：随着时代的发展，混凝土早已成为建筑施工不可缺少的材料，本文主要阐述了混凝土两种腐蚀的原理氯盐腐蚀和硫酸盐腐蚀，氯盐腐蚀主要是对混凝土钢筋的腐蚀，而硫酸盐则是与水泥发生反应在内部生成结晶使混凝土涨裂。这两种腐蚀的过程中，都离不开水的作用，所以防水就成为混凝土防腐蚀的一大课题，由此决定采用硅烷浸渍涂层来解决混凝土腐蚀问题，纯度的未经稀释的硅烷浓缩液，小分子结构可胶结性表面，渗透到混凝土内部与暴露在酸性或碱性环境中的空气及基底中的水分子发生化学反应，形成一斥水处理层，
2、从而抑制水分子进入基底中。可有效防止基材因渗水、日照、酸雨和海水的侵蚀而引起的混凝土和内部钢结构的腐蚀、疏松、剥落。关键词：混凝土 硫酸盐腐蚀 氯盐腐蚀 硅烷1 现状概括混凝土结构结合了钢筋与混凝土的优点，造价较低，是土木工程结构设计中的首选形式，其应用范围非常广泛。虽然，随着新的结构计算理论的提出和新型建筑材料的出现，将来还会出现许多新的结构形式，但可以肯定的是，混凝土结构仍然是最常用的结构形式之一1。这并不说明钢筋混凝土结构是十全十美的，事实上，从混凝土应用于土木工程至今的 150 年间，大量的钢筋混凝土结构由于各种各样的原因而提前失效，达不到预定的服役年限。这其中有的是由于结构设计的抗力
3、不足导致的，有的则是由于使用荷载的不利变化而造成的，但更多的是由于结构的耐久性不足而造成的失效，特别是沿海及近海地区的混凝土结构，由于海洋环境对混凝土的侵蚀，导致钢筋锈蚀而使结构发生早期损坏，丧失了结构的耐久性能，这已成为实际工程中的重要问题。早期损坏的结构需要花费大量的财力进行维修补强，甚至造成停工停产的巨大经济损失，引起结构耐久性失效的原因存在于结构的设计、施工及维护的各个环节。以往的乃至现在的结构工程设计中，普遍存在着重强度设计而轻耐久性设计的现象。以我国 1989 年颁布的混凝土结构设计规范(GBJ10289)为例。该规范除了一些保证混凝土结构耐久性构造措施之外，只是在正常使用极限状态
4、验算中控制了一些与耐久性设计有关的参数，这些参数的控制对结构耐久性设计并不起决定性的作用，并且这些参数也会随时间而变化。同时，不合格的施工也会影响混凝土结构的耐久性，常见的施工问题如混凝土质量不合格、钢筋保护层厚度不足都有可能导致钢筋提前锈蚀。另外，在结构的使用过程中，由于没有合理的维护而造成的结构耐久性降低也是不容忽视的，如对结构的碰撞、磨损以及使用环境的劣化，这都会使混凝土结构无法达到预定的使用年限。国内外统计资料表明，由于混凝土结构的耐久性病害而导致的损失是巨大的，并且耐久性问题会越来越严重。据调查，美国 1975 年由于腐蚀引起的损失中国矿业大学力学与建筑工程学院科研训练课程报告 2达
5、 700 亿美元，1985 年则达 1680 亿美元，英国英格兰岛中部环形快车道上 11座混凝土高架桥，当初建造费 2800 万英镑，到 1989 年因为维修而耗 4500 万英镑，是造价的 1.6 倍，估计以后 15 年还要耗资 1.2 亿英镑，累计接近当初造价的 6 倍，这反映了结构耐久性造成的损失大大超过了人们的估计。在我国，混凝土结构耐久性的问题也十分严重，据 1986 年国家统计局和建设部对全国城乡 28 个省、市、自治区的 323 个城市和 5000 个镇进行普查的结果，目前我国已有城镇房屋建筑面积 46.76 亿平方米，占全部房屋建筑面积的60%，已有工业厂房约 5 亿平方米，覆
6、盖的国有固定资产超过 5000 亿元，这些建筑物中约有 23 亿平方米需要分期分批进行评估与加固。而其中半数以上急需维修加固之后才能正常使用。国外学者曾用“五倍定律”形象地描述了混凝土结构耐久性设计的重要性，即设计阶段对钢筋防护方面节省 1 美元，那么就意味着，发现钢筋锈蚀时采取措施将追加维修费 5 美元，混凝土表面顺筋开裂时采取措施将追加维修费 25 美元，严重破坏时采取措施将追加维修费 125 美元。因此，钢筋混凝土结构耐久性问题是一个十分重要也是迫切需要加以解决的问题，通过开展对钢筋混凝土结构耐久性的研究，一方面能对已有的建筑结构物进行科学的耐久性评定和剩余寿命预测，以选择对其正确的处理
7、方法;另一方面也可对新建工程项目进行耐久性设计与研究，揭示影响结构寿命的内部与外部因素,从而提高工程的设计水平和施工质量,确保混凝土结构生命全过程的正常工作2。由于地球上地理地质环境多种多样，复杂多变，大致上可以分为陆地环境和海洋环境。近十几年来，我国城市轨道交通建设迅速发展，国内的大部分城市已经建成运营或者正在筹划建设城市轨道交通，随着西安、兰州、西宁等城市的轨道交通相继开工，城市轨道交通也开始逐步向我国西北内陆市不断延伸。我国西北部地区分布有广泛的盐渍土环境，盐渍土是指各种盐化、碱化土壤，主要分布在内陆干旱、半干旱地区及滨海地区，其工程环境内可溶性盐严重超标，盐卤对混凝土的侵蚀破坏非常严重
8、3。根据调查发现，普通的钢筋混凝土构件直接置于盐渍土环境中，两三年即遭腐蚀，35 年后会出现钢筋锈蚀、混凝土开裂等严重的破坏。目前国内尚无在盐渍土环境修建建铁的工程经验，城市轨道交通中地下线部分多为浅埋的地下钢筋混凝土结构，对于长期在气候恶劣、侵蚀介质浓度高、环境非常复杂的地铁工程，如何保证结构的百年耐久性要求，满足城市交通干线的正常使用就显得非常重要。混凝土结构在恶劣环境条件下会受到物理和化学的强烈侵蚀作用，最终导致结构的耐久性不足，发生破坏。全球呈现出大量混凝土结构由于耐久性问题造成的巨大经济损失:19 世纪 30 年代建造的美国俄勒冈州 Alsae 海湾上的多拱大桥，由于混凝土的水胶比问
9、题使结构在短时间内侵入大量氯离子，造成结构中国矿业大学力学与建筑工程学院科研训练课程报告 3最终无法修复而拆除、更换4;英国为解决海洋环境下混凝土建筑物的腐蚀与防护问题，每年就花费近 20 亿英镑5。当前，我国沿海及海洋工程建设增长迅速，混凝土结构的耐久性问题同样也十分严重6。海洋环境下混凝土结构耐久性问题日益彰显，从而引发了一系列的耐久性研究。2 盐卤腐蚀机理盐卤腐蚀大多数为硫酸盐腐蚀和氯盐腐蚀这两种，下面分别介绍下两种腐蚀的原理。2.1 腐蚀是引发结构内部钢筋腐蚀、结构劣化的主要原因。水泥水化过程形成的孔隙溶液主要包含 NaOH、KOH，使得孔隙溶液处于高碱度状态，pH 值大约13138。
10、该环境下钢筋表面会自发形成厚度为几纳米的钝化膜。钝化膜只有在高碱性环境中才是稳定的。当 pH11.5 时，钝化膜开始不稳定；当 pH988时，钝化膜生成困难或逐渐破坏。外界环境侵入的 穿透混凝土保护层，吸附于局部钝化膜处，造成钢筋表面的 pH 值迅速降低，从而破坏钢筋表面的钝化膜。钝化膜消失的区域发生阳极反应，周围被动区域发生阴极反应。在氧气和水的作用下，钢筋开始发生腐蚀。 侵入导致混凝土内部钢筋腐蚀为典型的点蚀现象。侵入的 不仅破坏钢筋表面钝化膜引发腐蚀，而且能够同阳极反应产生的 结合，搬走 ，加速腐蚀进程，造成钢筋横截面积明显地减小。钢2+ 2+筋腐蚀产物为铁化合物的混合物，体积大约为原先
11、铁体积的 34 倍。腐蚀产物生成带来的体积膨胀在混凝土内部产生拉应力，使得混凝土表面开裂，混凝土与钢筋之间 的粘结力减小，影响了结构 的稳定性。7依据点蚀过程， 侵入导致的混凝土内 部钢筋腐蚀的化学反应式为：水泥中的铝酸三钙( ),在一定条件下可与氯盐作用生成不溶性 “复盐”,降3低了混凝土中游离的 存在 ,所以, 含量高的水泥品种有利于抵御 的侵 3 害。海洋环境中优先选用 含量较高的普通硅酸盐水泥 ,道理就在于此。但是,应3该注意的是,“复盐”只有在强碱性环境下才能生成和保持稳定,当混凝土的碱度降低时,“复盐”会发生分解,重新释放出 来。就此而言,“复盐”还有潜在危险的一面。保持混凝土的高
12、碱性对于防止“复盐”的分解也是非常重要的。此外,在同时含有硫酸盐的情况下, 与 生成“ 复盐”,有利于降低硫酸盐 3中国矿业大学力学与建筑工程学院科研训练课程报告 4与 作用而发生的“膨胀”破坏。就是说 在一定条件下可抑制硫酸盐对混3 凝土的破坏作用,但必须保持混凝土的高碱度,并且氯盐、硫酸盐在混凝土中有较低的浓度。否则,氯盐与硫酸盐高浓度的累加作用,将加速钢筋腐蚀和对混凝土的破坏。2.2 腐蚀42混凝土硫酸盐腐蚀的机理不仅仅是化学反应过程，他是一个非常复杂的物理化学过程，他的侵蚀机理就是硫酸盐渗入混凝土内部，与内部结构发生了化学反应，生成了难溶的膨胀性物质，这些膨胀性物质会在其内部吸收大量的
13、水分子使其逐渐膨胀，形成了膨胀内应力，当这个膨胀内应力超过了混凝土的抗拉强度时，就会使混凝土损坏。另一方面硫酸盐也可以让硬化水泥石中的 CH和 C-S-H 等组分溶出或者分解，导致混凝土的强度和黏性减小8。混凝土最终会出现表面发白，在棱角处开始出现损伤，接着裂缝就开是剥落，导致混凝土结构成为一种易碎的松散状态。混凝土硫酸盐腐蚀主要有内部腐蚀和外部腐蚀两种类型。1）内部腐蚀内部腐蚀是指混凝土本身含有硫酸盐成分，这些硫酸盐是在混凝土搅拌的时候就存在的，所以这部分硫酸盐是随着混凝土龄期的增长而减少的，所以内部腐蚀是一个逐渐减慢的过程。2）外部腐蚀外部腐蚀就是指混凝土存在在有腐蚀性硫酸盐环境中，这些硫
14、酸盐离子通过扩 散、毛细吸收、 渗透等方法渗 入混凝土内部，与混凝土中的水泥石发生反应，形成膨胀物，最终破坏水泥石的结构。下面详细介绍一下外部腐蚀的机理。2.1）钙矾石结晶型绝大多数硫酸盐对混凝土都有显著的侵蚀作用，这些硫酸盐都可以和水泥石中的 反应生成硫酸钙，硫酸钙再与水泥石中的的固态水化铝酸钙反应Ca(OH)2生成三硫型水化铝酸钙(3CaO 3 .32 O 又称钙矾石)，反应如下：Al2O3 CaSO4 H2钙矾石是溶解度极小的盐类矿物，在化学结构上结合了大量的结晶水（实际上的结晶水为 3032 个） ，其体积约为原水化铝酸钙的 2.5 倍，使固相体积显著增大，加之它在矿物形态上是针状晶体
15、，在原水化铝酸钙的固相表面成刺猬状析出，放射状向四方生长，互相挤压而产生极大的内应力，致使混凝土结构物受到破坏。研究表明，这种膨胀内应力的大小与钙矾石结晶生成的晶体大小和形貌有很大的关系，当液相碱度低时，形成的钙矾石往往为大的板条状晶体，中国矿业大学力学与建筑工程学院科研训练课程报告 5这种类型的钙矾石一般不带来有害的膨胀。当液相碱度高时，如在纯硅酸盐水泥混凝土体 系中，形成的钙矾石一般为小 的针状或片状，甚至呈凝胶状， 这类钙矾石的吸附能力强，可产生很大的吸水肿胀作用，形成极大的膨胀应力。因此合理控制液相的碱度是减轻钙矾石危害膨胀的有效途径之一。钙矾石膨胀破坏的特点是混凝土试件表面出现少数较粗大的裂缝。钙矾石的形成使混凝土产生了大裂缝，这样使硫酸盐更容易渗透到混凝土的内部，造成侵蚀的恶性循环9。2.2）石膏结晶型当侵蚀溶液中 的浓度大于 1000 毫克/升时，若水泥石的毛细孔为饱42和石灰溶液所填充，不仅会有钙矾石生成，而且还会有石膏结晶析出,其离子反应方程为:水泥石内部形成的二水石膏体积增大 1.24 倍，使水泥石因内应力过大而破坏,根据浓度积规则，只有当 和 的浓度积大于或等于 的浓度积42 Ca2+ 42时才能有石膏结晶析出，显然侵蚀溶液中 浓度和毛细孔中的石灰溶液浓42度具有重要意义，但有专家认为，当侵蚀溶
