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 No3 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 1.811.2m， 一般为 46m， 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 2536mm， 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 2014No32014 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 5.78.7mm， 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 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 12.513.5， 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 24 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。 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 0.40.7。 2.2氯盐侵蚀 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 OH 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。 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 2014No32014 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 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。 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 2124，而在 3035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