氯化物对预应力钢筒混凝土管腐蚀机理分析.pdf

2 0 1 1 年第 1 期 ( 第 3 9卷) 黑龙江水利科技 H e i l o n g j i a n g S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f Wa t e r C o n s e r v a n c y 1 2 011 ( T o d a l N o 3 9 ) 文章编号： 1 0 0 7 7 5 9 6 ( 2 0 1 1 ) 0 l 一 0 0 8 7 0 2 氯化物对预应力钢筒混凝土管腐蚀机理分析 赵明宇 ， 李金瑞 ， 王立明 ( 1 辽宁省大伙 房水库输水工程建设局 ， 沈 阳 1 1 0 1 7 9； 2 大庆油 田建设集团哈尔滨华庆 管道 有限责任公 司， 哈尔滨 1 5 0 1 1 3 ) 摘 要 ： 分析了氯化物侵蚀混凝土及埋置其中的钢件机理以及生产使用 P C C P 时的应对措施。 关键词 ： 氯化物； P C C P ； 腐蚀机理 中图分类号： T V 5 2 8 文献标识码： B 1 概念 。 预应力钢筒混凝土管， ( 英文为“ P r e s t r e s s e d C o n c r e t e C y l i n d e r P i p e ” 简称 P C C P ) 。它是一种刚性的、 具有充分利用了 钢的抗拉及抗渗优点和混凝土抗压及防腐优点的复合管。 P C C P与环境及介质接触的表面全为混凝土或混凝土砂浆 层。所有钢件很好地被混凝土包裹起来。但混凝土中或环 境中的氯离子( 或氯化物) 是 P C C P中钢件的潜在破坏因素。 2 混凝土原材料中的氯化物 氯化物在溶解状态才与水泥发生反应。氯化物溶解后 的氯离子大水泥拌合物中比硅酸根、 铝酸根极性强， 会抑制 后者的溶解。 同时加速钙离子的溶 出， 从而加速水泥水化， 氯 浓度较低时， 其抑制硅酸根、 铝酸根溶出的效果明显 ， 减缓水 泥水化， 反之氯离子加速钙离子溶出效果明显 ， 从而加速水 泥水化。有研究表明， 水泥重量的 2 氯化钙相当于混凝土 的养护温度提高 1 1 o C。 不同氯化物对混凝土的影响有所不 同， 氯化钙在加速混 凝土凝结的同时还降低了混凝土的碱性且增加混凝土孔隙， 因此对预应力钢筒混凝土管的钢件增加了腐蚀的危险， 降低 混凝土的晚期强度； 在混凝土配合料中含有钠、 钾的氯化物 时， 混凝土碱性增加 ， 孔隙也会增加。相对而言 ， 钙的氯化物 比钠、 钾的氯化物对混凝土的负面影响要大。 混凝土中的氯有 3 种型式 ， 即： 化学结合的氯化物、 物理 吸附的氯离子和游离态的氯离子。游离态 的氯离子对混凝 土中的钢件锈蚀影响最大。 水泥中 C 3 A含量较低时， 混凝土配料中的硫酸盐先于氯 离子与 C 3 A发生反应 ， 生成钙钒石或单硫型铝酸钙 ， 大多数 的氯离子外于游离态型式存在于混凝土孔隙中， 这些游离氯 离子构成对混凝土中钢件潜在侵蚀性威胁。此时化学结合 的氯化物、 物理吸附的氯离子和游离态的氯离子三者构成相 对平衡 ； 若若平衡体系中有氯离子溢出， 平衡体被打破， 化学 结合的氯化物或物理吸附的氯离子将释放氯离子进行补充 ， 如果体系中有充足的氯化物 ， 就形成 了氯离子源， 可不断提 供氯离子参与其对混凝土中钢件的腐蚀反应。 3 P C C P埋设环境 中的氯化物 水泥中水化物的高碱度为埋置于预应力钢筒混凝土管 中的钢件提供了防腐条件。其水化物的p H值范围为 1 2 5 1 3 5 ， 在这样的 p H值下， 埋置于混凝土中的钢件表面形成一 个钝化的氧化层膜( p a s s i v a t i n g o x i d e fi l m) 并停留在表面上， 这样就避免了电化学腐蚀的可能性。 在不均质的混凝土中氯离子能够破坏钢筋表面钝化膜 ， 使钢筋发生局部腐蚀。在阳极区铁发生腐蚀生成铁离子， 当 钢筋 混凝土界面环境存在氯离子时， 在腐蚀电池产生的电 场作用下 ， 氯离子不断向阳极区迁移、 富集。F e “和 C l 一 生成 可溶于水的F e C 1 ： ， 然后向阳极区外扩散， 与本体溶液或阴极 区的O H一 ( O H一 是由阳极传来电子和氧及水的反应生成) 生 成俗称“ 褐锈” 的 F e ( O H) ， 遇孔隙液中的水和氧很快又转化 成其他形式的锈。F e C 1 ： 生成 F e ( O H) ： 后， 同时放出 c l 一 ， 新 的c l 一 又向阳极区迁移， 带出更多的 F e “。c l 一 不构成腐蚀 产物， 在腐蚀 中也未被消耗， 如此反复对腐蚀起催化作用。 可见 c 1 一 对钢筋的腐蚀起着阳极去极化作用， 加速钢筋的阳 极反应， 促进钢筋局部腐蚀， 这是氯离子侵蚀钢筋的特点。 由于氢氧化铁是限制沉积在阳极和阴极间的部位， 在持 续腐蚀的情况下， 氢氧化铁越积越厚， 逐步形成带结晶水 的 氢氧化铁， 造成体积膨胀， 使混凝土胀裂或剥落。其化学反 应过程如下； 阳极( 氧化) 反应 F e F e “ 十2 e 一 ( 1 ) l 阴极( 还原) 反应 ： O ： + 2 H 2 O+ 4 e 一 ( O H) 一 ( 2 ) 综合反应 ： 2 F e + 2 H 2 O+ O 2 F e ( O H ) 2 ( 3 ) 在有氧和水补充条件下： 2 F e ( O H) 2 F e ( O H) 3 F e 2 O 3 n H 2 O ( 4 ) 上述反应过程可用图 1形象表现出来： 图 1 钢筋腐蚀过程及反应机理 收稿日期】 2 0 1 0 0 9 0 8 作者简介 赵明宇( 1 9 7 0一) ， 男， 辽 宁沈阳人， 高级工程师； 李金瑞( 1 9 5 9一) ， 男， 黑龙江哈 尔滨人， 高级工程师； 王立明： ( 1 9 7 7一) ， 男， 辽 宁沈 阳人 ， 工程师。 一 8 7 2 0 1 1 年第 1 期 ( 第 3 9卷) 黑龙江水利科技 H e i l o n g j i a n g S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f Wa t e r C o n s e r v a n c y No 1 2 01 l ( T o d a l N o 3 9 ) 铁锈的体积的变化如图2 、 图3所示， 最严重的腐蚀可使 钢筋体积增加为原来 的六倍， 所以混凝土中的钢筋腐蚀， 初 期会胀裂混凝土， 使混凝土表面产生沿钢筋方 向的裂缝， 进 而会使保护层的混凝土产生凸出现象， 更严重时会使混凝土 表面的保护层剥落， 钢筋应力消失或断裂。造成 P C C P爆裂。 铁锈 铁锈 图 2 钢筋表面铁锈体积增 长 0 1 2 3 4 5 6 7 图 3 不 同氧化程度铁锈体 积变化 在质量好的混凝土中， 钢筋是不易受到腐蚀 的， 造成钢 筋腐蚀原因很多 ， 主要有： 1 ) 钢筋表面的钝化氧化铁保护膜受到破坏 ， 导致铁元素 转化为铁离子， 产生氧化反应的阳极区。 使钝化氧化铁保护膜破坏的因素， 包括混凝土品质量差 或有裂缝， 使有害物质入侵； 混凝土受碳化作用， 使水溶性的 碱性氢氧化钙， 转变羯非水溶性的碳酸钙， 使混凝土的 p H值 降低至 1 1 5以下 ； 或钢筋附近有氯离子存在。 2 ) 混凝土中有电解质溶液并溶有氧气， 若接受经钢筋传 导过来的电子 ， 即形成阴极反应。电解质溶液可作为铁离子 和氢氧根离子移动的媒介( 见图4 ) 。 在正常的混凝土中， 钢筋会受到碱性环境的保护， 但是 当混凝土内部有氯离子， 且有氧和水分共同存在时， 不论氯 离子是来 自水泥、 骨料、 拌合水、 掺合料等混凝土材料， 或是 来 自海洋环境、 溶雪剂等的氯离子 ， 均会使混凝土 中的钢筋 产生腐蚀。 氯离子对混凝土中的钢筋是否会造成腐蚀 ， 须视混凝土 内部氧及水分提供程度和碱性而定 ， 若混凝土的质量好 ， 渗 透性低或外层有屏蔽涂层 ， 使氧不易渗入 ， 或混凝土处于干 燥状态 ， 钢筋就不易腐蚀。若混凝土的碱性高， 即使有少量 一 8 8 一 的氯离子， 钢筋也不会立即腐蚀 ， 但是若混凝土的碱性降低， 即使少量的氯离子也会加速钢筋腐蚀。有研究表明， 当混凝 土内部 c l 一 O H一 的莫耳比 0 6时， 即使混凝土的 p H 值 1 1 5 ， 碱性环境对钢筋的保护作用会消失， 钝化的氧化 铁保护膜会受到破坏， 使钢筋易於腐蚀。当钢筋表面的钝化 氧化铁受到破坏后 ， 钢筋的腐蚀速率将受混凝土的电阻和氧 的提供量控制 ， 若混凝土在干燥情形下 ， 或没有氧提供 的环 境下， 钢筋的腐蚀速率仍较慢 ， 若由于混凝土的品质量差、 渗 透性大或有裂缝 ， 氧和水均易侵入混凝土， 而使钢筋的腐蚀 速率加快。 氯离子对钢筋腐蚀的影响机理， 可由不同的角度说 明， 主要是氯离子会破坏钢筋表面的钝化氧化铁保护膜 ， 形成水 溶性的氯化铁复合物， 并溶解离开钢筋表 面扩散至混凝土 中， 与氢氧根离子结合生成氢氧化铁释放出氯离子， 再与氧 和水反应形成铁锈， 由于氯化铁会溶解并经扩散离开钢筋表 面， 加上会再度释放氯离子 ， 所以不但对钢筋没有保护作用 ， 还会促使腐蚀反应持续进行。当混凝土 中有氯离子存在时， 也会增加混凝土内孔隙溶液 的导电度， 增加腐蚀反应 的活 性。氯离子( 氯化钙) 也会降低混凝土的碱性 ， 使 P C C P中钢 件钝化保护膜更易受到破坏而腐蚀。 阴 极 区 阳 极 区 i 阴 极 区 一 O- O- 一 -；- ： 一 一 一 ： 一 图4 混凝土中钢筋腐蚀机理 4结论 不论是来 自生产 P C C P原料中的氯化物 ( 或氯离子) 还 是 P C C P使用环境中和氯化物( 或氯离子) ， 都是对 P C C P潜 在的破坏性因素， 氯在对 P C C P侵蚀破坏过程 中起到了媒介 作用， 间接地破坏混凝土、 混凝土中钢件保护层( 催化铁锈生 成体积膨胀导至混凝土开裂) ； 另一方面在钢件与混凝土体 系形成的化学电池 中， 氯离子增加了电解质的导电度 ， 加速 了电解质中离子的移动， 钢件锈蚀加快。因此， 在生产和应 用 P C C P时要采取相对应的措施以减轻或消除氯化物( 或氯 离子) 对 P C C P的破坏。 参考文献 ： 1 “ p r e c a s t c o n c r e t e p i p e d u r a b i l i t y ” ， A m e r i c a n c o n c r e t e p i p e a s se c i a t i o n， ，v ie n n a ，v i r g i n i a 2 2 1 8 2) ，C P i n f o N o 0 27 1 0 s e p t e m b e r 1 9 91 2 “ C o n c r e t e P r e s s u r e P i p e ” ， A m e ri c a n Wa t e r Wo r k s A s s o c i a t i o n ， J a n 1，2 0 08