广州地区地下钢筋混凝土结构耐久性调查与分析.pdf

D u r a b i l i t yI n v e s t i g a t i o na n dA n a l y s i so fU n d e r g r o u n d R e i n f o r c e dC o n c r e t eS t r u c t u r ei nG u a n g z h o uA r e a T i a nMe i c u n （G u a n g z h o uT a i j i E n g i n e e r i n gT e c h n o l o g yC o r p o r a t i o n G u a n g z h o u5 1 0 5 0 7 ， C h i n a ） A b s t r a c t ：C o m b i n e dw i t hd u r a b i l i t yi n v e s t i g a t i o no fu n d e r g r o u n dr e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r ei nG u a n g z h o ua r e a ， a n a l y s i sc o r r o s i o nd a m - a g et y p e so fu n d e r g r o u n dr e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r e ， s o m ec a l c u l a t i o np a r a m e t e r si sd e t e r m i n e dt h r o u g he x p e r i m e n t s ， a n dg i v e so u ts o m e d e s i g nm e a s u r e st oe n h a n c et h ed u r a b i l i t yo fu n d e r g r o u n dr e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r e ， r e f e r e n c ef o rt h ed e s i g n e r s . K e y w o r d s ：u n d e r g r o u n d ；c o r r o s i o n ；c o n c r e t e ；d u r a b i l i t y 广东土木与建筑 GUANGDONG ARCHITECTURE CIVIL ENGINEERING2014 年 3 月 第 3 期 MAR 2014 No．3 混凝土和钢筋并非无限耐久性建筑材料， 有一 定的使用寿命， 管理期需要进行维修和保养， 寿命的 长短决定后期维护费用的高低。 我国规范 GB 50068- 2001 《建筑结构可靠度设计统一标准》 规定： 临时结 构设计使用年限为 5 年， 普通房屋和构筑物为 50 年， 重要建筑物为 100 年。而三峡工程提出了 500 年的 要求， 这些设计要求都是建立在混凝土结构耐久性 研究成果的基础上。南方城市地下混凝土结构所处 的环境比地上结构更为恶劣， 对混凝土的耐久性设 计要求更高。笔者通过广州地区地下钢筋混凝土结 构耐久性调查， 分析了地下钢筋混凝土结构腐蚀破 坏的类型， 通过实验确定了一些计算参数， 并给出了 提高地下钢筋混凝土结构耐久性设计的设计措施， 供广大设计人员参考。 1广州地区地下混凝土结构耐久性现状 1.1地下混凝土结构耐久性侵蚀类型 广州地区地下混凝土结构耐久性侵蚀类型主要 有混凝土碳化、 地下水中氯盐侵蚀和硫酸盐侵蚀， 受 环境温度、 湿度、 CO2浓度、 混凝土渗透性、 混凝土碱 度等因素影响。 1.2某人防工程耐久性调查 该人防工程处于地表以下 40m， 建成已有 41 年， 坑道内常年平均气温 23.2℃， 相对湿度 60.3%， CO2浓 度 635.8PPm， 衬砌混凝土强度≥20MPa， 钢筋保护 层厚度分别为 20， 30， 42， 60， 100mm 等， 深层地下水 水质化验结果如下： CI－， SO2－， HCO3－， Ca2＋， Mg2＋， 游离 CO2的平均值分别为 218.2， 45.4， 232.5， 128.4， 19.6， 18.2mg L，pH 值平均值为 8.2。 腐蚀情况为： 隧道衬砌结构碳化深度超过 6mm 且存在较多裂缝， 部分混凝土中的钢筋锈蚀严重， 多 处存在渗水、 滴水、 抹灰溶解、 墙面起泡、 发黄、 发霉 等情况， 局部衬砌混凝土整体性方面有较多缺陷， 如 混凝土疏松、 离析、 衬砌背后回填不密实等。 在各出入 口段， 衬砌混凝土长期处于干湿循环状态， 部分结构 耐久性破坏， 钢筋锈蚀膨胀非常严重， 楼梯钢筋混凝 土破落随处可见， 已达不到正常使用要求。 1.3广州地铁一号线隧道某区间耐久性调查 广州地铁一号线建成于 1999 年， 该区间隧道为 明挖矩形混凝土结构， 埋深 1.8~11.2m， 一般为 4~6m， 主体结构采用C25防水混凝土， 外防水采用防水卷材。 隧道内平均气温 27.1℃，相对湿度 65.2%， CO2浓度 671.3PPm， 钢筋保护层厚度 25~36mm， 平均 30mm， 浅层地下水水质化验结果如下： CI－， SO2－， HCO3－， Ca2＋， 广州地区地下钢筋混凝土结构耐久性调查与分析 田美存 （广州市泰基工程技术有限公司广州 510507 ） 摘要： 结合广州地区地下钢筋混凝土结构耐久性调查， 分析了地下钢筋混凝土结构腐蚀破坏的类型， 通过实验确定了一 些计算参数， 并给出了提高地下钢筋混凝土结构耐久性的设计措施， 供设计人员参考。 关键词： 地下；腐蚀；混凝土；耐久性 表 1牛荻涛碳化公式计算条件及结果 1250.7720C2060.72312.212.5 2320.6659C2058.02310.710.1 3570.6552C2060.5239.28.6 4150.4628C2058.5237.06.4 5350.4578C2060.0236.46.1 检测 部位 样本数 （个 ） 参数 Kmc CO2浓度 （PPm ） 混凝土 强度 环境湿度 （% ） 环境温度 （℃ ） 碳化深度 （mm ） 计算值 实测值 田美存：广州地区地下钢筋混凝土结构耐久性调查与分析MAR 2014No．32014 年 3 月第 3 期 Mg2＋， 游离 CO2平均值分别为 96.8， 38.4， 96.8， 43.4， 0.0， 4.4mg L，pH 值平均值为 8.1。 腐蚀情况为： 隧道衬砌结构碳化深度 5.7~8.7mm， 普遍小于钢筋保护层厚度， 但地铁运行已超过 10 年， 考虑到相对封闭的环境影响， 混凝土碳化速度会加快。 对隧道结构钢筋进行电极电位测试， 局部已有腐蚀的 可能性， 同时存在电弧损伤和杂散电流腐蚀。 2地下混凝土结构腐蚀破坏的类型 2.1碳化侵蚀 ⑴ 碳化侵蚀机理 实验研究表明， 普通硅酸盐水泥水化后的产物 主要由氢氧化钙、 水化硅酸钙、 水化铝酸钙、 水化硫 铝酸钙等组成， 正常情况下水泥充分水化后孔隙溶 液为饱和的氢氧化钙溶液，其 pH 值为 12.5~13.5， 呈 碱性。 混凝土碳化是混凝土中性化的过程， 地下隧道 中的 CO2通过混凝土中的微裂隙通道侵入混凝土 内部， 溶解于孔隙液相， 与水泥水化碱性产物发生化 学反应， 生成碳酸钙或者其他碳酸物， 降低混凝土碱 度到 8.5 左右， 从而破坏混凝土钢筋钝化膜， 造成钢 筋锈蚀， 体积膨胀 （为原始体积的 2~4 倍） ， 致使混 凝土孔隙胀裂， 加快 CO2气体侵入混凝土内部的速 度， 最终使钢筋锈蚀严重、 混凝土保护层开裂。 ⑵ 碳化深度计算分析 碳化腐蚀需要一个较长的过程， 碳化腐蚀深度达 到钢筋保护层厚度时， 钢筋才开始腐蚀。经过国内外 专家学者多年的研究，碳化深度计算有多种计算模 型， 理论模型有 Fick 扩散理论公式、 阿列克谢耶夫公 式、 Papadakis 公式等， 经验模型有牛荻涛公式、 张誉 公式、 龚洛书公式、 邱小云公式等。 以广州某人防工程耐久性实测资料， 计算地下 混凝土碳化深度， 其结果见表 1 和图 1。可知， 牛荻 涛公式比较符合广州地区，碳化深度计算值与实测 值较接近， 式中 Kmc在广州地区推荐值为 0.4~0.7。 2.2氯盐侵蚀 ⑴ 氯盐侵蚀机理 地下混凝土氯盐侵蚀就是氯离子侵蚀。 当混凝土 与地下水中的氯离子接触时， 氯离子会透过混凝土毛 细通道到达钢筋表面， 当钢筋周围混凝土液相中氯离 子含量达到腐蚀的临界值时， 钢筋钝化膜就会局部遭 到破坏。 在阳极区铁发生腐蚀生成亚铁离子， 在腐蚀 电池电场作用下， 氯离子不断向阳极迁移富集， 生成 FeCl2， 然后向外扩散与阴极区的 ［OHˉ］ 生成铁锈前 身 Fe （OH ） 2， 遇到水和氧后进一步氧化成铁锈 Fe2O3 n H2O。这个化学反应过程同时释放氯离子， 氯离子 继续向阳极迁移富集， 如此循环往复， 钢筋发生锈蚀 膨胀， 最终使混凝土开裂破坏。 ⑵ 氯盐侵蚀分析 地下混凝土氯盐侵蚀分析是通过距混凝土表面 某一深度处氯离子的浓度来进行的， 氯离子从地下水 通过混凝土孔隙、 微裂缝向混凝土内部传输的过程非 常复杂， 是毛细管作用、 渗透、 扩散、 电化学迁移等几 种侵入方式的组合，扩散被认为是主要的传输方式， 与混凝土水胶比、 矿物掺合料、 环境氯盐含量、 环境 温度、 湿度、 干湿变化等因素有关。 当混凝土结构中的 氯离子含量达到一定界限时， 混凝土中的钢筋才能发 生锈蚀， 这个浓度称为临界氯离子浓度。 地下钢筋混凝土结构锈蚀临界氯离子浓度模拟 试验的过程为：试件制备→浸泡→采用钢筋锈蚀仪测 试钢筋电通量， 判断钢筋是否生锈→测量钢筋锈蚀时 钢筋表面混凝土中氯离子浓度 （质量百分比 ） →提出 适合城市地下结构的钢筋锈蚀混凝土 临界氯离子浓度值。 试件为f100300 圆柱体， 内部预 埋f16 钢筋。试验中考虑了不同的混 凝土配合比和不同的钢筋保护层厚度， 试件养护至 28d。试验测得各试块对应 的钢筋表面临界氯离子浓度值， 见表2。 由此可知， 氯离子侵蚀临界浓度平均值 图 1各碳化计算公式计算值与实测值比较 表 2钢筋表面临界氯离子浓度测试值 编 号 W C 保护层 厚度 （mm ） 浸泡 溶液 氯离子 浓度 （% ） 0.35 27.53.5%NaCl0.0558 42.03.5%NaCl0.0202 42.03.5%NaCl+5%Na2SO40.0202 B1 0.53 27.53.5%NaCl0.0449 B242.03.5%NaCl0.0434 B342.03.5%NaCl+5%Na2SO40.0419 C1 0.65 27.53.5%NaCl0.0557 C242.03.5%NaCl0.0546 C342.03.5%NaCl+5%Na2SO40.0498 D1 0.35 FA20 % 27.53.5%NaCl0.0383 D242.03.5%NaCl0.0221 D342.03.5%NaCl+5%Na2SO40.0195 A1 A2 A3 广东土木与建筑MAR 2014No．32014 年 3 月第 3 期 为 0.04%， 考虑到试验腐蚀时间较实际工程为短， 广 州地区地下混凝土结构推荐氯离子侵蚀临界浓度值 为 0.05%， 该值考虑了混凝土对氯离子的结合及吸附 性能影响。 2.3硫酸盐侵蚀 ⑴ 硫酸盐侵蚀机理 硫酸盐侵蚀也即硫酸根离子侵蚀， 主要有物理 侵蚀 （盐结晶 ） 和化学侵蚀两种。地下结构临空面周 围含有石膏、 芒硝和其他盐类溶解的环境水， 渗透到 混凝土表面毛细孔和其它缝隙中， 在干湿交替条件 下， 由于低温蒸发浓缩析出白毛状或梭柱状硫酸盐 结晶， 可产生很大的结晶压力并膨胀， 致使混凝土由 表及里、 逐层破裂疏松脱落。 化学侵蚀是当地下水中硫 酸根离子浓度高于1000mg L时， 与水泥中的 Ca （OH ） 2 发生化学反应， 生成含水石膏结晶， 引起混凝土体积 成倍膨胀而破坏。 ⑵ 硫酸盐侵蚀分析 实验表明， 地下混凝土硫酸盐侵蚀速度与混凝 土水胶比、 孔隙率、 矿物掺合料、 温度、 湿度等有关， 地下混凝土结构硫酸盐物理侵蚀发生最明显的温度 为 21℃~24℃，而在 30℃~35℃时物理侵蚀明显减缓。 温度起伏变化和半干湿循环条件也会加速硫酸盐的 侵蚀能力， 相对湿度 45%时更有利于地下结构硫酸 盐侵蚀， 并随温度升高而降低。水胶比、 孔隙率的增 大会使侵蚀速度加快。 在氯离子和硫酸根离子共同作 用下， 不会出现混凝土侵蚀效果的简单叠加， 而是在 短时间内相互牵制， 因混凝土中的水化物要与两种盐 发生化学反应， 延缓了某一种盐对混凝土的侵蚀。 3地下混凝土结构耐久性设计措施 3.1适当增加保护层厚度 在地下结构设计中增加混凝土保护层厚度是提 高钢筋混凝土使用寿命最简单和经济的做法，可延 长氯离子和硫酸根离子入侵的时间， 但保护层不应过 厚， 否则会增加自重， 易产生干缩或荷载作用下的微 裂缝， 宜为 40 （45 ） ~75 （100 ） mm （括号内为预应力混 凝土结构保护层厚度 ） 。 3.2高性能混凝土 高性能混凝土通常采用低水胶比和添加其他外 加剂， 增加混凝土密实度而提高其耐久性， 掺入硅灰、 粉煤灰有利于混凝土结构致密，提高混凝土抗氯离子 和硫酸根离子入侵能力并抑制碳化速度。 3.3表面涂层 混凝土表面涂层采用气密性好、 粘结性好的涂料， 可防止空气中的 CO2或地下水中的氯离子和硫酸根 离子入侵， 延缓混凝土的腐蚀； 钢筋表面涂层主要有 环氧树脂涂层和镀锌，由于环氧树脂涂层钢筋牺牲 了材料的力学性能， 镀锌钢筋的镀锌层又不够稳定， 限制了涂层钢筋的大面积应用。 3.4阻锈添加剂 阻锈剂可阻止或减少混凝土中钢筋的锈蚀， 阻 锈剂分为阳极型阻锈剂、阴极型阻锈剂和复合型阻 锈剂。阳极阻锈剂的作用是提高钢筋钝化膜抵抗氯 离子的渗透性， 提高钢筋锈蚀氯离子临界浓度， 阴极 阻锈剂是阻止电化学反应， 从而达到保护钢筋的目的， 阻锈剂一般在施工时加入混凝土中。 3.5阻锈钢筋 使用阻锈钢筋可大大提高地下结构的耐久性需 求， 阻锈钢材主要包括不锈钢材和耐蚀合金钢材， 前 者在一些重要建 （构 ） 筑物中开始应用， 后者则仍处 于研究阶段， 只有在日本有少量的应用。 参考文献 ［1］牛荻涛. 混凝土结构耐久性与寿命预测 ［M］ . 北京： 科学 出版社， 2003 ［2］美国ACI委员会报告. 混凝土中金属的腐蚀 ［C］ . 海工钢筋 混凝土耐久性译文集. 交通部第三航务工程研究所， 1988 ［3］冯乃谦. 高性能混凝土 ［M］ . 中国建筑工业出版社， 1996 ［4］刘秉京. 混凝土结构耐久性设计 ［M］ . 北京： 人民交通出 版社， 2007