滨海地区地下混凝土结构防腐设计.pdf

第 3 2卷 第 3期 有 色 冶 金 设 计 与 研 究 2 0 1 1 笠 6 月 滨海地区地下混凝土结构防腐设计 杨小伟 ( 中国瑞林工程技术有限公司， 江西南昌 3 3 0 0 0 2 ) 摘要 通过 了解氯 离子对混凝土的腐蚀及破坏机理 ， 介绍滨海地 区一工程 中地下混凝 土结构防腐做 法及相 关 混凝 土耐 久性设 计措施 ( 关键词 腐蚀 ； 破坏机理 ； 钢筋阻锈剂； 防护 ； 耐久性设计 中图分类号 ： T U 5 0 3 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 4 4 3 4 5 ( 2 0 1 1 ) 0 3 0 0 2 8 0 3 De s i g n o n An t i - c o r r o s i o n o f Un d e r g r o u n d Co n c r e t e S t r u c t u r e i n t h e Co a s t a l Ar e a YANG Xi a o w e i ( C h i n a N e r i n E n g i n e e ri n g C o ， L t d ， N a n c h a n g ， J i a n g x i 3 3 0 0 0 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t B y u n d e r s t a n d i n g t h e me c h a n i s m o f c o r r o s i o n a n d d a ma g e o f C h l o ri n e i o n o n c o n c r e t e ， t h i s p a p e r e l a b o r a t e s c o r r o s i v e p r e v e n t i o n me t h o d o f c o n c r e t e s t r u c t u r e a n d d e s i g n me a s u r e o n d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e f o r a c e r t a i n p r o j e c t i n t h e c o a s t a l a r e a Ke y wo r d s c o r r o s i o n ； d a ma g e me c h a n i s m； s t e e l b a r i n h i b i t o r ； p r o t e c t i o n ； d e s i g n o f d u r a b i l i t y 滨海地区地下混凝土结构由于长期处于地下海 水等自然环境中， 遭受破坏的程度严重， 尤其是位于 地下水位干湿交替部位的混凝土结构中的钢筋具有 强腐蚀作用。 地下海水环境中混凝土结构的破坏因 素主要有： 钢筋锈蚀作用、 冻融循环作用、 溶蚀作用、 盐类侵蚀作用、 碱一骨科反应作用等。 众多沿海地区 工程的资料表明， 对引起钢筋锈蚀起主导作用的是 海水中的氯离子。 本文通过了解氯离子对混凝土的 腐蚀及破坏机理 ， 介绍滨海地 区一工程 中地下混凝 土结构防腐做法及相关措施。 1 项 目概述 本项目位于黄骅港渤海新区， 东临渤海， 场地为 虾塘、 盐田回填而成。场地 自 然标高为 3 m ( 国家 8 5 高程系) ， 勘察测得场地地下水埋深 l 1 m( 以场地 自 然地面为基准) ， 水位高程约为 1 7 0 2 0 0 m， 属空隙 潜水， 主要受大气降水及潮汐的影响， 地下水位年变 化幅度为 0 5 0 1 0 0 m 。 场地勘察报告中的水质简分 析结果显示 ， 场地地下水属“ C 1 - - N a 型 水” ， 依据 岩 土工程勘察规范 ( G B 5 0 0 2 1 2 0 0 1 ) ， 地下环境类别 为 I I I 类 ， 综合判定地下水对 昆 凝土结构呈弱腐蚀 性， 长期浸水环境对钢筋混凝土中的钢筋具有弱腐 蚀性 ， 在干湿交替环境下对钢筋混凝土结构中的钢 筋具有强腐蚀性。 根据上部建筑物的结构形式、 传给基础荷载的 大小以及场地地质条件， 建筑物下部基础采用预应 力预制管桩和现浇钢筋混凝土承台的结构形式。 由于 现浇承台及预应力预制管桩处于干湿交替环境 ， 地 下海水中的c l -x 混凝土内的钢筋具有强腐蚀作用。 项目位于亚温带地区， 严重的冻融破坏可不予 考虑； 镁盐、 硫酸盐类侵蚀和碱一骨科反应破坏则可 以通过控制混凝土的组成成份来避免 ； 这样一来如 可解决地下海水中C l - X g 钢筋的腐蚀是关键。 为了采 取有针对性 防护措施 ， 增强地下混凝土的耐久性 ， 应 首先了解 C l 对 混凝土的腐蚀及破坏机理。 2 地下海水中混凝土腐蚀机理与防护 2 1 C卜 对混凝土的腐蚀及破坏机理 在水泥水化过程中生成大量的C a ( O H ) ， 使混凝 土空隙中充满饱和的 C a ( O H ) 溶液 ， 其 p H值大于 收稿日期： 2 0 1 1 0 2 2 4 作者简介： 杨小伟( 1 9 7 2 一) 男， 高级工程师， 主要从事结构设计研究工作。 第 3期 滨海地区地下混凝土结构防腐设计 2 9 1 2 。 钢筋在碱性介质中， 表面能生成一层稳定致密的 氧化物钝化膜 ， 使钢筋难于锈蚀。 但是当混凝土存在 c l _ 且C 1 - O H 一 的摩尔比大于 0 6 时， 即使p H值大于l 2 ， 钢筋表面的氧化物钝化膜也可能被破坏而遭受锈 蚀， 这是由于氯离子在这些条件下可以穿透或活化 钢筋表面的氧化物钝化膜。 在钢筋表面的不同部位 会出现较大的电位差 ， 产生 电化学反应 ， 形成阳极和 阴极 。 阳极 ： F e F e 2 + + 2 e 阴极 ： 0 2 + 2 H2 O + 4 e - - 4 0 H C l 腐蚀 ： F e + 2 C 1 一 + 4 H ， O F e C 1 4 H， 0 ( 绿锈 ) F e C 1 4 H 2 O F e ( O H ) 2 + 2 C l - + 2 H + + 2 H 2 0 由上面的反应可以看出， c l 一 不仅会破坏钢筋的 钝化膜 ， 而且作为腐蚀的中间产物， 给腐蚀起了催 化作用 ， 加速 了钢筋的锈蚀 。而钢筋的锈蚀会产生 膨胀 ， 导致混凝土裂缝的产生和结构的破坏 1 。 氯盐在引起钢筋锈蚀时可以起到以下四种作用 ： 1 ) 破坏钢筋的钝化膜 当 C l _ 进入混凝土中并达到钢筋表面 ， 吸附于局 部钝化膜处时， 可使该处的 p H值迅速下降至 4以 下 ， 使该处的钝化膜遭受破坏 。 2 ) 形成锈蚀 电偶 在不均质的混凝土中 ， “ 渗入型”氯化物到达钢 筋表面的浓度相差很大 ， 首先在很小的钢筋表面上、 混凝土孔隙内具有较高的氯化物浓度， 钝化膜局部 破坏， 这些部位露出铁基体， 成为小阳极。 此时钢筋 表面的大部分仍具有钝化膜， 成为大阴极， 小阳极和 大阴极之间存在电位差异并组成锈蚀电偶。 锈蚀电 偶作用的结果 ， 使钢筋表面产生坑蚀。 3 ) C l 一 的导电作用 混凝土中的 C l 一 和氯盐中的阳离子( N a, K + 、 C a 2 + 等) 的存在， 提高了混凝土的吸湿性， 形成了强电解 质溶液， 强化了离子的通路， 降低了阴、 阳极之间的 欧姆电阻， 从而加速 了点蚀速度。 4 ) C l 一 的去极化作用 关于 c l 一 的去极化 机理 ， 目前较流行 的说法是 C l 一 与 O H 一 争夺锈蚀产生的 F e 2 + ， 形成易溶的 F e C 1 4 H 0 ( 绿锈) ， 绿锈从钢筋阳极区向含氧量较高的混 凝土孔 隙迁移 ， 分解为 F e ( O H) ( 褐锈 ) ， 褐锈沉积于 阳极区周围， 同时放出 H + 和 C l 一 ， 它们又回到阳极区， 使阳极区附近的孔隙液局部酸化， C l - 再带出更多的 F e 。 这样 c l 作 为促进锈蚀的中间产物， 给锈蚀起到 了催化作用， 即c l 一 阳极去极化作用。 以上所述 C l 一 在钢筋锈蚀时起到的四个方面的 作用即为 C 1 一 引起钢筋锈蚀的机理。 2 2 C 卜 腐蚀的防护主要方法 1 ) 在混凝土中掺加钢筋阻锈剂。能促使钢筋表 面产生一层以 F e 2 0 ， 或 F e 。 0 为主要组成 的氧化物 保护膜 ， 该膜厚度约为 2 0 1 0 0 m， 并修补钢筋的缺 陷， 使整个钢筋被一层氧化物保护膜所包裹， 致密性 稳定性很好， 能阻止氯离子穿透， 降低铁离子的游离 速度 ， 从而达到防锈的 目的。 2 ) 采用环氧树脂涂敷钢筋表面 ， 防止钢筋锈蚀 。 钢筋表面采用致密材料涂覆 ，如环氧涂层环氧涂层 钢筋在欧美也有一定的应用 ，其应用效果评价不 一 。主要不利方面是， 表面涂层完整性和施工过程施 工质量较难控制。 环氧涂层钢筋与混凝土的握裹力 降低， 使钢筋混凝土结构的整体力学性能有所降低； 施工过程中对环氧涂层钢筋的保护要求极其严格， 加大了施工难度； 另外成本的明显增加也使其推广 应用受到制约。 3 ) 采用阴极保护。根据钢筋腐蚀的电化学原 理， 阴极防护的方式有牺牲阳极和外加电流两种。 由 于阴极保护系统的制造、 安装和维护费用过于昂贵 且稳定性不高， 目前在滨海地区钢筋混凝土结构中 很少应用。 3 本项 目采用的防腐设计主要措施 根据上述氯离子破坏机理， 考虑到项 目 投资、 工 期等因素。 本项 目地下混凝土的防腐设计措施采用 混凝土内掺钢筋阻锈剂的方法 ， 同时混凝土表面涂 刷环氧沥青的辅助涂层进行防腐。 钢筋阻锈剂采用 复合型， 同时具有改善混凝土组成成分功能的产品， 具体的掺量由生产厂商根据项 目的工程地质报告中 水质报告试验后确定。 表面涂刷环氧沥青的辅助涂 层， 涂层的厚度一般不小于 5 0 0 m 。 使用钢筋阻锈剂来防止混凝土 中钢筋被 c l _ 腐 蚀的优点： 1 ) 使用方便 ， 工艺简单。 可在预制构件厂 和工地与混凝土直接搅拌使用。 2 ) 成本低。 与阴极保 护 、 环氧涂层钢筋相 比成 本要低得多 ， 不增加 混凝 土在后期运行过程中无损检测的难度 ， 无需后期维 护和保养。 本工程中地下混凝土结构的防腐措施见表 1 。 4 地下混凝土耐久性设计措施2 】 采用混凝土内掺钢筋阻锈剂及混凝土结构表面 3 0 有 色 冶 金 设 计 与 研 究 第 3 2卷 涂刷辅助防腐涂层的方法来实现地下混凝土防腐设 计 ， 同时保证结构混凝土耐久性是防腐蚀设计的重 要环 节。为更好地增强地下结 构混凝土 的耐久性 能 ， 在结构类型的确定 、 水泥材料的选用及结构构造 措施方面等均应给予重视。 表 1 地下混凝土结构防腐一览表 1 ) 采用的结构类型、 结构布置和结构构造应尽 可能有利于阻挡或减轻环境对结构的作用 ， 便于施 工并有利于保证施工质量， 便于工程今后使用过程 中的检查和维修 。 2 ) 选用抗海水侵蚀性能好的水泥品种。 选用抗 硫酸盐硅酸水泥， 能够对硫酸根离子与混凝土游离 的氢氧化钙生成二水硫酸钙、 与水化铝酸钙生成硫 酸钙的膨胀反应有抑制作用 ， 具有较好的抗硫酸盐 性能。 3 ) 提高混凝土的密实度。 密实度高的混凝土孔 隙率低， 抗海水渗入的能力强， 使用寿命也就长。混 凝土的抗渗性能主要决定于混凝土的密实度， 而对 混凝土密实度起控制作用的是水灰比和水泥用量， 其中水灰 比起主要作用 。 因此 ， 泥凝土浇筑时要严格 控制水灰 比。 4 ) 防止混凝土开裂或严格控制裂缝的宽度。钢 筋腐蚀产物铁锈的体积约为原先铁体积的 2 5 倍， 所产生的膨胀压力会造成混凝上的开裂、 剥落 ， 裂缝的产生又会招致更严重的腐蚀。因此在结构设 计和施工管理上， 应尽量避免裂缝出现， 或严格控制 裂缝宽度 。 可选用引气 、 缓凝 、 可降低水化热和阻锈功 能为一体 的混凝土 H J I 剂 ， 以减少因混凝土硬化后的 收缩过大产生的收缩应力增大使混凝土出现裂缝。 5 ) 适 当提高混凝土强度和水泥用量。混凝土抗 压强度越高， 混凝土的抗渗性能就越好， 耐腐蚀性也 越好。 另外， 混凝土强度高， 密实性好， 水泥用量多， 则 碱度高， 碳化速度就慢， 可以长期保证钢筋表面的碱 度， 对防止钢筋过早的电化学腐蚀十分有利。 工业 建筑防腐蚀设计规范 ( G B 5 0 0 4 6 2 0 0 8 ) 3 1规定在弱腐 蚀等级时， 最低混凝土强度等级为 C 3 0 。 6 ) 适 当加厚钢筋保护层的厚度 。 混凝土的保护 层厚度的增加对防腐设计十分重要， 是提高混凝土 结构耐久性的重要措施。 从混凝土的腐蚀机理出发， 可以延缓氯离子的渗透速度。 根据调查， 保护层厚度 若减少 1 4 ， 则混凝土中性化层到达钢筋表面的时间 可缩短一半 。 7 ) 注重防、 排水和密封等构造措施， 尽可能避免 水和氯盐等有害物质接触混凝土表面， 防止混凝土 在使用过程中遭受干湿交替。 8 ) 对于严重环境作用下的重要工程 ， 宜采取多 重防护对策， 即综合采用多种的防护措施， 可以在一 种措施失效后启动下一种措施 ， 如结构锈蚀后启动 阴极保护； 也可以多种措施同时平行地起作用， 如同 时采用阻锈剂和涂层钢筋等。 5 结束语 本工程地下混凝土结构 中掺入钢筋阻锈剂来 防 止氯离子对钢筋的腐蚀 ， 混凝土外表面涂刷环氧沥 青涂层的辅助防腐措施。 从施工过程来看， 无论混凝 土采用工厂商品混凝土还是现场搅拌的方式， 施工 可操作性强， 同时易于检测。 工程于 2 0 0 8 年初开工 建设以来， 地下混凝土结构施工质量良好。 当然， 如何减少地下海水对混凝土结构的腐蚀， 增强结构混凝土耐久性是一项涉及面较广的系统工 程。 随着工程界对此类问题的关注度提高， 相信将来 会有更好 的新技术 、 更多的新材料运用到此类工程 当中。 参 考文献 【 1 洪乃丰 基础设施腐蚀防护和耐久性【 M 】 北京： 化学工业出版社 2 O O 3 【 2 C C E S 0 1 2 0 0 4 ， 混凝土结构耐久性设计与施工指南【 s 】 【 3 】G B 5 0 0 4 6 2 0 0 8 ， 工业建筑防腐蚀设计规范【 s 】