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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
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