多因素耦合作用下鋼筋混凝土的腐蝕研究現(xiàn)狀

高 升（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043）

多因素耦合作用下鋼筋混凝土的腐蝕研究現(xiàn)狀

高 升（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043）

混凝土結(jié)構(gòu)通常受土壤環(huán)境水中硫酸鹽和鎂鹽溶液的侵蝕。構(gòu)筑物或建筑物都大量使用混凝土，若蘭州地鐵建設(shè)過(guò)程中地下水的可溶性鎂鹽、硫酸鹽的含量過(guò)量時(shí)，則會(huì)對(duì)混凝土產(chǎn)生侵蝕作用，因而影響混凝土結(jié)構(gòu)的壽命,甚至?xí)斐蓢?yán)重的事故。因此研究多因素耦合作用下鋼筋混凝土的腐蝕將對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期安全有重要的意義。

耦合作用；鋼筋混凝土；腐蝕

1 背 景

對(duì)蘭州地鐵軌道交通1號(hào)線的土質(zhì)和地下水腐蝕情況進(jìn)行調(diào)研和分析，針對(duì)地鐵車站所處的硫酸鹽、氯鹽和鎂鹽化學(xué)侵蝕等地下水、土環(huán)境進(jìn)行取樣，作為試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷母g環(huán)境設(shè)計(jì)參考。通過(guò)地勘報(bào)告中對(duì)于地鐵各個(gè)區(qū)間和站點(diǎn)的水文地質(zhì)條件的分析和總結(jié)，由表1可以看出具有代表性的幾個(gè)站點(diǎn)及區(qū)間的地下水中腐蝕性離子的含量。

表1 蘭州地鐵地下水中腐蝕性離子濃度匯總

2 硫酸鎂對(duì)混凝土的腐蝕研究現(xiàn)狀

2.1 硫酸鎂對(duì)混凝土的化學(xué)腐蝕機(jī)理

硫酸鎂對(duì)混凝土的腐蝕是硫酸鹽腐蝕中最嚴(yán)重的一種，其原因就在于Mg2+和SO42-對(duì)混凝土都具有腐蝕性，這種雙重腐蝕使得對(duì)混凝土的腐蝕大大加強(qiáng)，破壞也就更加厲害，化學(xué)反應(yīng)主要有以下兩種：

在以上反應(yīng)中，由反應(yīng)生成的Mg(OH)2是一種溶解度很低且強(qiáng)度也較低的無(wú)膠結(jié)能力的松散狀物質(zhì)，它的沉淀會(huì)在短時(shí)間內(nèi)阻塞混凝土內(nèi)的毛細(xì)孔形成鈍化膜，短時(shí)間內(nèi)抑制Mg2+向混凝土內(nèi)部的擴(kuò)散，但是由于在上述反應(yīng)中也同時(shí)生成了石膏和鈣礬石，而這兩種物質(zhì)都具有膨脹性，所以隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，會(huì)使混凝土體積膨脹而產(chǎn)生裂縫，此時(shí)Mg2+和SO42-又得以進(jìn)入混凝土內(nèi)部發(fā)生上述反應(yīng)，從而使腐蝕加劇。此外，由于Ca(OH)2的大量消耗，溶液pH值降低，為了維持溶液pH，C-S-H水化產(chǎn)物開始分解，生成石膏和水化強(qiáng)度不高粘性很差的硅酸鎂（M-S-H）[1]，從而降低了混凝土強(qiáng)度和黏結(jié)性，加之膨脹應(yīng)力的增加，最終導(dǎo)致混凝土的破壞。

2.2 硫酸鎂對(duì)混凝土的雙因素腐蝕研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)專家在鎂鹽與硫酸鹽對(duì)混凝土的雙腐蝕問題上做了一系列研究。梁永寧等[2]通過(guò)加速試驗(yàn)的方法研究混凝土在硫酸鈉和硫酸鎂中的腐蝕破壞機(jī)理，提出硫酸鎂腐蝕以化學(xué)腐蝕為主，在實(shí)驗(yàn)早期，鎂鹽腐蝕速度相較于硫酸鈉更快，當(dāng)?shù)胶笃跁r(shí)，由于硫酸鈉腐蝕既存在鹽結(jié)晶腐蝕又有化學(xué)腐蝕，兩種腐蝕相疊加會(huì)使混凝土的損傷速度比硫酸鎂腐蝕更快；劉贊群[3]等分別以不同的埋置深度將混凝土存在與不同濃度的硫酸鹽溶液中，發(fā)現(xiàn)溶液pH值的大小能夠影響腐蝕產(chǎn)物種類，較低時(shí)，對(duì)應(yīng)的腐蝕產(chǎn)物為石膏，較高時(shí)，對(duì)應(yīng)的腐蝕產(chǎn)物為鈣礬石；劉俊和牛荻濤等[4]采用干濕循環(huán)快速試驗(yàn)方法，通過(guò)對(duì)摻合料混凝土試件宏觀形態(tài)的記錄和微觀結(jié)構(gòu)的掃描，得到干濕循環(huán)環(huán)境下，不同的硫酸鹽種類及濃度對(duì)摻合料抗硫性能影響較大，同等濃度的MgSO2的影響程度大于NaSO2，不同種溶液，硫酸根離子濃度越高，影響程度越大。

國(guó)外學(xué)者的研究主要有：Gollop R S等[5]通過(guò)分析微觀結(jié)構(gòu)研究了抗硫酸鹽水泥（Sulfate-resisting Portland cement,SRPC）在硫酸鈉和硫酸鎂作用下的腐蝕機(jī)理，經(jīng)過(guò)6個(gè)月的腐蝕試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)SRPC相比普通水泥抗硫酸鹽腐蝕性能更優(yōu)，其內(nèi)部出現(xiàn)的裂紋和混凝土表面的腐蝕都較輕微。在硫酸鈉環(huán)境下，產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物主要是鈣礬石，混凝土的破壞膨脹開裂為主，在硫酸鎂環(huán)境下，由于鎂離子的脫鈣作用，腐蝕產(chǎn)物主要為石膏和鎂的氫氧化物，混凝土由于內(nèi)部組分的分解，開始粉化和表面剝落；Binici H等[6]通過(guò)試驗(yàn)研究了摻和料種類對(duì)混凝土在抗硫酸根離子和鎂離子腐蝕性能的影響，并以抗壓強(qiáng)度的下降幅度來(lái)表征其影響大小；Fikret Türker等[7]研究發(fā)現(xiàn)硫酸鹽溶液濃度達(dá)到某個(gè)臨界值時(shí)，混凝土的損傷會(huì)出現(xiàn)突變，同時(shí)發(fā)現(xiàn)硫酸鎂溶液的雙重腐蝕能加速混凝土的劣化速度。

2.3 多因素耦合作用下鋼筋混凝土的腐蝕研究現(xiàn)狀

針對(duì)單種腐蝕因素的研究，混凝土處于單一條件下耐久性的研究很多，然而實(shí)際環(huán)境中混凝土所處的外界環(huán)境并不單純，混凝土的腐蝕破壞往往是由于多種因素共同作用而形成的。幕儒等[8]通過(guò)不同手段研究了氯鹽、硫酸鹽腐蝕環(huán)境下高性能混凝土的劣化機(jī)理，試驗(yàn)結(jié)果表明礦物摻合料會(huì)提高混凝土的抗氯離子和抗硫酸根離子損傷能力，一定條件下硫酸根離子會(huì)降低混凝土抗氯離子腐蝕能力，氯鹽能夠減緩硫酸根離子對(duì)混凝土的損傷速度；不同的外部環(huán)境和應(yīng)力亦能使其腐蝕發(fā)生不同程度的變化；陳四利等[9]則著重通過(guò)試驗(yàn)?zāi)┢诨炷翉?qiáng)度的變化研究了凍融循環(huán)和硫酸鹽共同作用下混凝土的耐久性的影響，結(jié)果表明二者耦合能加速腐蝕速率。

氯化物是一種及其危險(xiǎn)的侵蝕介質(zhì)，是鋼筋混凝土的大敵。國(guó)內(nèi)外眾多的研究結(jié)果和工程實(shí)例都表明，氯化物的侵入引起的鋼筋銹蝕，是影響混凝土結(jié)構(gòu)的承載力，威脅其耐久性最主要和最普遍的原因。侵入鋼筋混凝土內(nèi)部的氯鹽會(huì)使其發(fā)生電化學(xué)腐蝕。當(dāng)Cl-侵入到鋼筋混凝土內(nèi)部后，其內(nèi)部會(huì)發(fā)生一系列復(fù)雜的電化學(xué)過(guò)程，這些電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，最終導(dǎo)致鋼筋混凝土內(nèi)部的鋼筋發(fā)生嚴(yán)重破壞。氯離子主要通過(guò)以下幾個(gè)步驟腐蝕鋼筋。

2.3.1 破壞鈍化膜。

因初期水泥水化，其產(chǎn)物使混凝土與鋼筋界面生成一層致密的鈍化膜，研究表明該水化產(chǎn)物的包裹對(duì)混凝土中鋼筋具有保護(hù)的作用，但氯離子作為一種極強(qiáng)的脫鈍劑，其通過(guò)擴(kuò)散作用進(jìn)入混凝土到達(dá)鋼筋表面，吸附于局部鈍化膜處。達(dá)到一定濃度的氯離子將會(huì)造成鋼筋表面鈍化膜的pH迅速降低，當(dāng)鋼筋表面的pH降低至4以下，鋼筋表面鈍化膜將被破壞。

2.3.2 形成“活化-鈍化”腐蝕電池

氯離子作為一種半徑小且活性較大的離子，其能夠從混凝土的孔隙處滲透進(jìn)去與鋼筋表面的金屬原子發(fā)生反應(yīng)破壞鈍化膜；然而對(duì)不均質(zhì)的混凝土來(lái)說(shuō)，氯離子對(duì)鋼筋表面鈍化膜的破壞過(guò)程通常只是發(fā)生在局部，局部發(fā)生腐蝕部位和其它部位將會(huì)形成電位差，成為腐蝕電池。腐蝕電池原理：鋼筋表面因腐蝕而暴露的金屬此時(shí)成為該腐蝕電池的陽(yáng)極，而鋼筋表面的鈍化膜區(qū)域就會(huì)成為腐蝕電池的陰極。鋼筋表面產(chǎn)生大量的蝕坑的原因就是腐蝕電池作用的結(jié)果。并且由于這種狀態(tài)下腐蝕電池的兩極是大陰極對(duì)應(yīng)于小陽(yáng)極，因此蝕坑的發(fā)展會(huì)非常迅速。

2.3.3 去極化作用

氯離子對(duì)混凝土中鋼筋的腐蝕作用不僅會(huì)促成鋼筋表面形成腐蝕電池，并且會(huì)加速電池的腐蝕作用。具體表現(xiàn)為：氯離子首先與腐蝕的陽(yáng)極產(chǎn)物Fe2+形成氯化亞鐵，將陽(yáng)極產(chǎn)物迅速轉(zhuǎn)移，加快陽(yáng)極腐蝕的進(jìn)行。而氯離子本身在此過(guò)程卻不會(huì)被消耗，只是起到了催化劑的作用。氯離子雖然并不是腐蝕產(chǎn)物，但是擴(kuò)散進(jìn)入混凝土中的氯離子，將會(huì)對(duì)混凝土起到循環(huán)的破壞作用。其腐蝕方程為：

圖1 混凝土受外界環(huán)境影響而劣化的整體模型

2.3.4 導(dǎo)電作用

離子通路是形成腐蝕電池的重要因素。氯離子的存在將會(huì)強(qiáng)化混凝土中的離子通路，降低金屬電阻，提高腐蝕電池的電化學(xué)腐蝕過(guò)程效率，從而加速電化學(xué)腐蝕過(guò)程。

國(guó)外學(xué)者對(duì)此也做了一系列研究。1994 年，Mecha依據(jù)“最簡(jiǎn)單也是最有效的解決方案”，從根源分析影響耐久性的因素，提出了混凝土受外界環(huán)境影響劣化的整體模型[10]，見圖1，該模型認(rèn)為引起混凝土劣化的起始因素為腐蝕初期形成的孔隙和微裂縫，它們會(huì)在混凝土內(nèi)部形成一條通路，使得侵蝕性離子和水分等進(jìn)入其中而使混凝土內(nèi)部發(fā)生一系列化學(xué)腐蝕，最終導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)膨脹、開裂和整體性破壞。喬宏霞等[11]的研究表明，干濕循環(huán)作用下有害離子在混凝土中的侵蝕速度明顯加快.此外，硫酸鹽侵蝕是一個(gè)漫長(zhǎng)的劣化過(guò)程，需要積累各種環(huán)境下的長(zhǎng)期性能測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)滿足硫酸鹽侵蝕下實(shí)際混凝土結(jié)構(gòu)的壽命預(yù)測(cè)和服役性能的評(píng)估要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于多種因素耦合作用下的混凝土腐蝕性研究問題，目前的研究成果相對(duì)較少，且大多數(shù)都是物理環(huán)境和化學(xué)環(huán)境的耦合，比如干濕循環(huán)和硫酸鹽腐蝕環(huán)境下混凝土的腐蝕，而對(duì)于混凝土在多種腐蝕性化學(xué)離子的耦合作用下的腐蝕性缺乏研究，尤其是氯離子、硫酸根離子和鎂離子多重因素耦合作用下對(duì)鋼筋混凝土的研究更是相對(duì)匱乏。對(duì)于鋼筋混凝土而言，單純的氯鹽能夠?qū)︿摻钤斐呻娀瘜W(xué)腐蝕，而硫酸根離子和鎂離子都能夠腐蝕混凝土，使其膨脹開裂，表面出現(xiàn)裂縫。三個(gè)腐蝕因素相耦合是會(huì)相互抑制還是相互促進(jìn)，亦或是會(huì)發(fā)生更復(fù)雜的變化過(guò)程，需要我們進(jìn)一步探究。

[1]Manu Santhana.Menashl D.Cohen and Jan Olek.Mechanlsm of sulfate attack: A fresh look: Part1: Summary of experimental results [J].Cement And Concrete Research, 2002,32:915-921.

[2]梁詠寧,袁迎曙,硫酸鈉和硫酸鎂溶液中混凝土腐蝕破壞機(jī)理[J].硅酸鹽學(xué)報(bào),2007,35(4):504～508.

[3]劉贊群,混凝土硫酸鹽侵蝕基本機(jī)理研究[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2010.

[4]劉俊,牛荻濤. 摻合料混凝土在不同硫酸鹽環(huán)境中的性能分析[J].混凝土 ,2010,247(5):3-6.

[5]Gollop R S, Taylor H F W. Microstructureal and microanalytical studies of sulfate attack Ⅲ . Sulfate-resisting Portland cement: reaction with sodium and magnesium sulfate solutions [J]. Cem. Con. Res., 1995, (7): 1581-1590.

[6]Binici H, Aksogan O. Sulfate resistance of plain and blended cement [J]. Cem. Con. Comp., 2006, (1): 39～46.

[7]Fikret Türker, Fevziye Ak z, Sema Koral, et al. Effects of magnesium sulfate concentration on the sulfate resistacne of mortars with and without silica fume [J]. Cem.Concr. Res., 1997, 27 (2): 205～214.

[6]金偉良,趙羽習(xí)著.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性.北京:科學(xué)出版社,2002:55- 57.

[8]慕儒.凍融循環(huán)與外部彎曲應(yīng)力、鹽溶液復(fù)合作用下混凝土的耐久性與壽命預(yù)測(cè)[博士學(xué)位論文].南京:東南大學(xué),2000.

[9]陳四利,寧寶寬,胡大偉.硫酸鹽和凍融雙重作用對(duì)混凝土力學(xué)性質(zhì)的影響[J].工業(yè)建筑,2006,36(12):12-15.

[10]P.K.Metha. Concrete technology at the crossroads—problems and opportunities.Concrete Technology, Past,Present, and Future.Mohan Malhotra Symp.,ed.P.K.Metha.ACI Special Publ.SP-144，1994:1～30.

[11]喬宏霞.混凝土抗硫酸鹽腐蝕耐久性的評(píng)價(jià)方法研究[D]: [蘭州理工大學(xué)博士學(xué)位論文]. 蘭州,2007, 130-132.

Study on corrosion of reinforced concrete under multi factor coupling

Concrete structure is usually affected by sulfate and magnesium salt solution in the soil water environment. the structure or building used a large number of concrete,if excessive content of soluble magnesium salt and sulfate in groundwater in the process of Lanzhou subway construction,it will cause erosion of concrete,thus affecting the life of concrete structure,even which will cause serious accident.So it is important to study the corrosion of reinforced concrete under the coupling action of multi factors,which will be of great significance to the long-term safety of the subway structure.

coupling action；reinforced concrete；corrosion

TU503文獻(xiàn)辨識(shí)碼：B

：1003-8965(2017)02-0029-03

中鐵一勘院科研開發(fā)(院科13-24-01)