盾构混凝土腐蚀与防护

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1、混凝土的腐蚀与防护一、水泥水化反应普通水泥主要成分：硅酸三钙（3CaOSiO 2） 、硅酸二钙（2CaOSiO 2） 、铝酸三钙 （3CaOAl 2O3） 、铁铝酸四钙（4CaOAl 2O3Fe2O3） 。硅酸盐水泥拌合水后,主要熟料矿物与水反应.分述如下：1) 硅酸三钙水化：3CaO.SiO2+6H2O=3CaO.SiO2.3H2O（凝胶）+3Ca(OH) 22) 硅酸二钙水化:2(2CaO.SiO2)+4H2O=3CaO.SiO2.3H2O（凝胶）+Ca(OH) 23) 铝酸三钙水化:3CaO.Al2O3+6H2O=3CaO.Al2O3.6H2O（水化铝酸钙，不稳定）3CaO.Al2O3+

2、3CaSO4.2H2O+26H2O=3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O（三硫型水化铝酸钙，钙矾石） ；3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O+2(3CaO.Al2O3)+4H2O=3(3CaO.Al2O3.CaSO4.12H2O)（单硫型水化铝酸钙） ；4) 铁铝酸四钙水化:4CaO.Al2O3.Fe2O3+7H2O=3CaO.Al2O3.6H2O+CaO.Fe2O3.H2O综上所述，如果忽略一些次要的和少量的成分，在完全水化的水泥石中，水化硅酸钙约占 70%，氢氧化钙约占 20%，钙矾石和单硫型水化硫铝酸钙约 7%。二、地下水对混凝土侵蚀类型1.结晶类腐蚀：即积在混凝土的

3、孔隙和毛细孔内的一些盐,产生结晶作用,造成因固相膨胀而引起的破坏。如果地下水中硫酸根离子的含量超过规定值，那么：SO 42-+Ca(OH)2形成CaSO 4.2H2O（二水石膏结晶体） ，CaSO 4.2H2O+CaOAl2O3.6H2O形成水化硫铝酸钙，这是一种铝和钙的复合硫酸盐，习惯上称为水泥杆菌。由于水泥杆菌结合了许多的结晶水，因而其体积比化合前增大很多，约为原体积的221.86，于是在混凝土中产生很大的内应力，使混凝土的结构遭受破坏。2.分解类腐蚀：即环境介质将混凝土溶成分溶解析出,引起孔隙率增大, pH值降低,使腐蚀物质更易浸入混凝土内部。如此循环,导致混凝土结构的很快破坏。地下水中

4、含有CO 2，CO 2与混凝土中的Ca(OH)2作用，生成碳酸钙沉淀。由于CaCO 3不溶于水，它可填充混凝土的孔隙，在混凝土周围形成一层保护膜，能防止Ca(OH) 2的分解。但是，当地下水中CO 2的含量超过一定数值，则超量的CO 2再与CaCO 3反应，生成重碳酸钙Ca(HCO 3)2 并溶于水。所以，当地下水中CO 2的含量超过平衡时所需的数量时，混凝土中的CaCO 3就被溶解而受腐蚀，这就是分解类腐蚀。地下水的酸度过大，即pH值小于某一数值，那么混凝土中的Ca(OH) 2也要分解，特别是当反应生成物为易溶于水的氯化物时，对混凝土的分解腐蚀更强烈。3.结晶分解复合类腐蚀：即酸、碱、盐介质

5、与水泥中的某些成分发生化学反应而引起的腐蚀,它们之间反应越强烈,新生成物越容易溶解,混凝土的破坏就越容易。当地下水中NH 4+，Mg 2+和NO 3，Cl ，SO 42-和离子的含量超过一定数量时，与混凝土中的Ca(OH) 2 发生反应，Ca(OH) 2与镁盐作用的生成物中，除Mg(OH) 2不易溶解外，CaCl 2 则易溶于水，并随之流失；硬石膏CaSO 4 一方面与混凝土中的水化铝酸钙反应生成水泥杆菌；另一方面，硬石膏遇水生成二水石膏。二水石膏在结晶时，体积膨胀，破坏混凝土的结构。三、腐蚀评价标准地下水环境分类：类地下水环境：混泥土处于强透水层中，强透水层指细纱、中砂、粗砂、砂砾等透水性极

6、强的含水层。类地下水环境：混凝土处于弱透水层中，且具有干湿交替作用，弱透水层指粉砂及颗粒小于粉砂的含水层。类地下水环境：混凝土处于弱透水层，且不具有干湿交替作用。结晶性腐蚀评价标准So42-在地下水中含量（mg/L）腐蚀等级类地下水环境 类地下水环境 类地下水环境无腐蚀 250 500 1500弱腐蚀 250-500 500-1500 1500-3000中等腐蚀 500-1500 1500-3000 3000-5000强腐蚀 1500-3000 3000-5000 5000-10000分解性腐蚀评价标准注：酸型、碳酸型、微矿化水型腐蚀共存时，以腐蚀等级高者作为分解性腐蚀的评价结论结晶分解性腐蚀

7、评价标准结晶性、分解性、结晶分解复合性三类腐蚀性，仅有一类腐蚀时，则按照该类腐蚀等级作为评价结论，若三类中有两类或三类腐蚀时，以具有较高腐蚀等级者作为综合评价结论。但报告中应将三类中各类的腐蚀等级注明。四、混凝土腐蚀的后果混凝土受到腐蚀后会进一步导致钢筋受到腐蚀，从而使结构整体承载力下降，达不到设计要求，结构危险增大或者失效。英国环保部门最近的一份报告估计，英国建筑工业的年成交额为 500亿镑，而现在，因腐蚀破坏，钢筋混凝土结构年维修费已达 55亿英镑(占 11%)，已成为英国一个沉重的财政负担。酸型腐蚀强透水层PH值碳酸型腐蚀侵蚀性CO2（mg/L）微矿化水型腐蚀强透水层HCO3-（mg/L

8、）腐蚀等级强透水层 弱透水层 强透水层 弱透水层无腐蚀 6.5 6.0 15 30 61弱腐蚀 6.0-6.5 5.0-6.0 15-30 30-60 30.5-60中等腐蚀 5.0-6.0 4.0-5.0 30-60 60-100 30.5强腐蚀 5.0 4.0 60 100类地下水环境 类地下水环境 类地下水环境腐蚀等级Mg2+NH4+（mg/L）Cl-+NO3-+So42-（mg/L）Mg2+NH4+（mg/L）Cl-+NO3-+So42-（mg/L）Mg2+NH4+（mg/L）Cl-+NO3-+So42-（mg/L）无腐蚀 1000 3000 2000 5000 3000 10000弱

9、腐蚀 1000-1500 3000-5000 2000-3000 5000-8000 3000-4000 10000-20000中等腐蚀 1500-2000 5000-8000 3000-4000 8000-10000 4000-5000 20000-30000强腐蚀 2000-3000 8000-10000 4000-5000 10000-20000 5000-6000 30000-50000 图一 混凝土结构受到腐蚀五、混泥土腐蚀的防护通过以上腐蚀机理的分析可知,混凝土腐蚀是受周围环境介质,主要是水、二氧化碳、二氧化硫、氯和硫酸盐等的渗入侵蚀,而造成溶析、碳化、膨胀开裂而破坏失效的;对于钢

10、筋混凝土来说,通常因水泥在水化过程中形成氢氧化钙而具有很高的 pH值,使钢筋处于钝化状态而受到保护。但因干湿交替、环境污染、大气和水质的恶化等,有害介质渗透进入,或因混凝土遭到损坏,有害介质的大量侵入,加快了钢筋的锈蚀,而钢筋的锈蚀又加快了混凝土的破坏,二者相互促进,相互加速,最终导致结构失稳。因此,提高混凝土构筑物的抗蚀性和耐久性,应从两方面入手。一方面要选择优质材料,确定适当配比,提高施工水平,适当增加混凝土层厚度,以改善混凝土结构本身的密实性;另一方面,要将混凝土构筑物同周围腐蚀介质隔离开来,以保护混凝土不受其侵蚀。对此,规范已从水泥品种、掺合料、水灰比和水泥用量选择、抗渗等级等方面作了

11、要求,建设实施过程中,在严格按规范要求作好防腐工程的基础上,建议还要根据各工程实际情况和环境特点,结合采取以下具体措施:1.改善混凝土本身的结构(1)使用普通混凝土时,应针对不同环境选用不同水泥,如在酸性环境中选用耐酸水泥;在海水中选用耐硫酸盐水泥和普通硅酸盐水泥等;增加混凝土中水泥用量;降低水灰比,控制灰砂比;粗细集料，应保证致密，同时控制材料的吸水率以及其他杂质的含量，确保材质状况；应正确选择混凝土搅拌及养护用水，检查其杂质含量，目前主要采用自来水，严禁采用海水及井水；掺入引气剂、阻锈剂、减水剂、防水剂、密实剂、粉煤灰和矿碴等外加剂,可以显著改善混凝土的抗渗和耐久性;进行合理的搅拌、振捣和

12、充分的湿养护。但在使用外加剂时,要十分注意材料之间的和宜性能,防止产生和诱发新的腐蚀,例如慎用钠盐为主要物质的填加剂,以避免发生碱骨料反应。(2)使用高性能混凝土。高性能混凝土是基于结构耐久而设计的全新混凝土。它与传统混凝土相比,具有许多特点和优点:不用振捣就可自动填充模板,可节省设备,减少噪声污染;具有良好的自密实性,可降低劳动强度和能源消耗;不会由于水化热的产生、水化硬化或干燥收缩等原因引发初始裂缝;具有高抗渗性,可以阻止 CL-、O 2、和 H2O的渗入,从而预防了潜在的危险,延长了混凝土的使用寿命。2.对混凝土进行表面改性(1)在加热干燥的混凝土表面浸渍亚麻仁油,可延长 56 倍的使用

13、寿命。(2)在混凝土表面使用硫磺浸渍砂浆,对较弱的酸和盐类有较好的耐蚀性能。(3)用石蜡 80%和褐煤蜡 20%混合制成细蜡粒,以一定比例与水泥拌合,待混凝土硬化后,加热其表面,蜡粒熔化就会填满混凝土孔隙,可以防止侵蚀性离子的掺入。(4)对混凝土表层进行天然的或人工的碳化,可以明显提高混凝土的抗蚀性。用盐溶液、甚至低浓度的酸溶液处理混凝土,使骨料表面生成一层难溶解的钙盐以取代 Ca(OH)2,这也是一种提高混凝土抗蚀性的方法,例如用氟硅酸(或氟化镁、氟化锌等)处理混凝土表面,其反应式为：3Ca(OH) 2+H2SiF6=3CaF2+Si(OH)4+2H2O3.对混凝土表面进行涂覆在混凝土表面涂

14、覆一层耐腐、抗渗、无毒、持久的涂料是一种成本低廉、简单易行的方法。从涂料的性质、功能及物理性能等方面来看,主要有鳞片涂料(由玻璃鳞片和耐腐蚀热固性树脂构成,具有优越的防腐蚀和抗渗透性能,应用于海洋、石油等苛刻条件下的腐蚀环境)、粉末涂料(不含溶剂,以粉末熔融成膜,无溶剂污染,具有涂覆方便、固化迅速等特点。主要类型有:环氧树脂、聚酯TGIG、聚脂HAA、聚氨酯,丙烯酸系等)及厚膜涂料、导电涂料、水性涂料等等,但在具体应用时,要根据所处的环境特点和防腐蚀需要,选用相应的品种。此外,还可以考虑灵活应用在钢筋表面进行防腐蚀处理、对钢筋实施电化学阴极保护、在混凝土中添加缓蚀剂、保持混凝土干燥等防腐蚀措施。六、腐蚀后所采取的措施对于已经遭受腐蚀的构筑物,可以根据腐蚀情况,采取去掉表面腐蚀层,重新进行涂装,或进行裂缝灌浆等办法,恢复钢筋钝化状态,保证结构的正常使用。