杭州酸雨环境对混凝土耐久性影响的研究.pdf

、 浙江 建筑 ， 第 2 7卷 ， 第 6期 ， 2 0 1 0年 6月 Z h e j i a n g C o n s t r u c t i o n，Vo 1 2 7，N o 6，J u n 2 0 1 0 杭州酸雨环境对 混凝土耐久性 影响的研 究 S t u d y o n t h e E ff e c t o f A c id R a i n o n t h e D u r a b i l it y o f C o n c r e t e i n H a n g z h o u 张 苑竹 ， 徐羿 ， 叶腾挺 ， 姜啸 ZH ANG Y u a n z h u ，XU Y i ，Y E 一 t i n g，J I ANG X i a o ( 浙江大学城市学院土木系， 浙江 杭州 3 1 0 0 1 5 ) 摘要： 分析 了杭州地区酸雨污染 的现状和变化趋势 ， 调查研究了杭州酸雨环境对混凝土耐久性 的影 响。认 为杭州酸雨环 境 对混凝 土结构为 中等侵蚀及强侵蚀作用 ， 酸雨会导致混凝土表面出现 白霜 ， 粗骨料外露等外 观破损 ， 加速结构 中性化 ， 严重影响混 凝土结构的预期寿命 。 关键词 ： 酸雨 ； 混凝土 ； 耐久性 ； 杭州 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 l 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 83 7 0 7 ( 2 0 1 0 ) 0 60 0 6 2 0 3 酸雨一般指 p H值 5 6的大气降水 ， 是一种大 气污染现象。酸雨 的形成是一个复杂的大气化学和 大气物理过程 ， 主要是由煤炭石油等化石燃料燃烧 过程中排放 的致酸性气体 S O 、 N O 等在 大气 中转 化为硫 酸和硝 酸所 致 。酸雨是 当前 我 国主要 的环境 问题之 ， 对环境危害极大。杭州处 于我 国华东酸 控 区 ， 酸雨污 染严 重 ， 在 1 9 9 8年 被 列 为 全 国 酸雨 控 制城市 。国内外 实地 调 查 和 已有 的研 究 表 明 ， 酸雨 能加速混凝土腐蚀与损伤 ， 严重影 响混凝土的耐久 性 能 。因此 ， 研 究 酸雨 环 境 对 混凝 土 耐 久 性 的作 用 因素 和作 用规 律具有 重要 的现 实意 义 。 1 杭州酸雨现状分析 1 1 杭 州酸 雨现状 根据 历年杭 州市 环境状 况 公 报及 文 献 12 ， 可以看出杭州酸雨污染总体呈不断加重的趋势。 图 1 反 映 了 1 9 8 3 2 0 0 8年 杭 州 城 区降 水 年 均 酸雨率和 p H均值的变化情况。杭州市酸雨率一般 在 6 0 一 9 0 之间变化 ， p H均值在 4 05 2之间 波动 。1 9 9 5年酸雨率和 p H均值有较明显的降低 ， 这是 由于国 家在 “ 九 五 ” 期 间对 全 国范 围 内 S O ：的 排放 总量 控 制 的结 果 。随 着 杭 州 市 社 会 经 济 的 持续高速发展 ， 从 2 0 0 0年起酸雨率持续上升、 降水 p H值逐步降低。 杭州市 的酸雨 区面积不 断扩大 ， 1 9 9 8年 杭州市 重 酸雨区覆盖面积 5 5 8 6 8 5 k m ， 占全市总面积 的3 3 7 ； 2 0 0 2年杭 州 市重 酸雨 区覆 盖 面积 达 1 3 6 2 5 k m ， 占 全市总面积的 8 2 1 ； 2 0 0 5年全市均被重酸雨区覆 盖 ； 2 0 0 8年有所好转( 见表 1 ) 。 收稿日期 ： 2 0 0 91 22 4 基金项 目： 浙江大学城 市学 院教师科研基金( J 5 2 4 0 8 0 0 6 ) 作者简介： 张苑竹( 1 9 7 5 一) ， 女， l l J l l 自贡人， 副教授 ， 从事混凝土耐久性研究。 图 1 杭 州城 区年均酸雨率 、 p H 均值变化规律 6 5 4 3 2 1 O o石 斟陧豁 第 6期 张苑竹等： 杭州酸雨环境对混凝土耐久性影响的研究 6 3 1 2杭 州酸雨趋 势 分析 酸雨的形成具有综合性 、 复杂性 的特征， 影响因 素众多， 既与当地酸性污染源的排放有直接关系， 还 与酸性污染物质的迁移、 扩散模式、 土壤性质、 大气颗 粒物的缓冲能力和当地自然气象条件密切相关 J 。 由于能 源 和原 材 料 消 耗 的大 幅 度增 长 ， 杭 州 市 大气 中的 S O 、 N O 浓度呈上升加剧趋势。杭州市 每年燃煤消耗 1 6 0 0万 t ， 年增加量在 1 0 0万 t 以上 。 煤炭消费量增长是造成工业 S O 排放量不断上升的 主要原 因 。杭州市 的机 动车保有量超过 1 5 0万 辆 ， 每 年还 以 5万 辆 以 上 的 速 度 递 增 ， 预计 到 2 0 1 0 年主城 区机 动 车 N O 排 放 量 达 6 5 0 4万 t 年 。此 外 ， 杭州市属亚热带季风气候区， 城市上空大气层结 构稳定 ， 加上杭州市三面环 山的地理环境均不利于 大气 中 S O ： 、 N O 的扩散与稀释 。冬春季节在北到东 北的主导风向下， 外来的大气污染物还会对杭州的酸 雨形成叠加作用。此外 ， 杭州市土壤偏酸性， 扬尘也 偏酸性 ， 不能对 酸雨 的形成起 有效 的缓 冲作用 。可 以预计， 杭州的酸雨污染将是一个长期存在的环境问 题 ， 酸雨治理是一项 任重道远 的长期工作 。 2酸雨对 混凝 土耐久性的影响 2 1 酸 雨对 混凝 土的侵 蚀研 究 国内外学者 通过实地调查 ， 室外 长期暴 露试 验及 实验室模拟 酸雨试验 ， 研究 了酸雨对 混凝土 的侵蚀 作 用。研究认为， 酸雨会使混凝土 出现表面损伤、 力学 性能劣化 和中性化 ， 严重影 响混凝土 的耐久 性能 。 酸雨 中的 H 首 先 与 混 凝 土 表 面 的 C a ( O H) ， 反应， 分解出的c a 与降水中的S O ： 一 离子会生成二 水硫酸钙， 一部分附着在混凝土表面形成灰 白色 的 石膏粉末“ 白霜” ， 另一部分会成为沉淀析 出。随着 混凝土碱性降低 ， 在高碱性环境 中才能稳定存在的 水 化硅 酸钙 和水化 铝 酸 钙 会 逐 步分 解 ， 加 上 雨 水 的 冲刷作用 ， 建筑物表面的胶凝材料逐步流失 ， 粗骨料 外露形 成 水刷石 一样 的麻 面 。 随着反应从混凝土外表面深入到内部， 混凝土逐 渐剥落 ， 质地变得 疏松 ， 材料的强度和抗腐蚀能力逐步 下降。环境中的 s O ： 侵入混凝土后， 会逐步形成钙矾 石、 石膏等化学反应产物， 因其产物体积可增大数倍会 在混凝土内部 引起很大的内应力 ， 导致结构胀裂破坏 。 外界侵蚀性介质使混凝土碱性降低的过程称为 中性化。当中性化深度穿过混凝土保护层达到钢筋 表面处， 会破坏钢筋表面致密的氧化膜 ， 在水和空气 的共 同作用 下 ， 钢 筋 开始 锈 蚀 。钢 筋 锈蚀 后 其 截 面 面积减 少 、 力 学 性 能 劣 化 、 与 混 凝 土 的粘 结 性 能 降 低 ， 影 响结 构 的承 载安 全 。 从 目前 的研 究 观点 来 看 ， 影 响混 凝 土 耐久 性 的 因素有内因和外因两个方面。内因主要取决于混凝 土的质量， 与其组分、 配合 比、 养护时间、 施工质量等 因素密 切相关 。对普 通硅 酸盐 混凝土 酸雨 的 p H 值、 雨速、 持续时间等因素会影响其耐久性 J 。 2 2杭 州酸 雨环境 对混 凝土 耐久性 的影 响 根 据 C e m b u r e a u ( 欧洲水 泥统 计 与技术 协会 ) 的 建 议 ， 评价侵 蚀性 水 和 土壤 对 混 凝 土 的 化学 侵 蚀 程 度 ， p H值 在 6 55 5为 弱侵 蚀 ； p H 值在 5 5 4 5 的为中等侵蚀 ； p H值在 4 54 0的为强侵蚀 ； p H 值 4 0的为特强 侵蚀 。本 文 的酸 雨 统计 数 据表 明过去 2 0年杭州地区的降水对混凝土为 中等侵蚀 及强 侵蚀 作用 。 通过对杭州城 区混凝土结构的外观调查发现， 酸雨对 不 同时期 建造 的混凝 土结 构 已经造 成 了不 同 程 度 的侵蚀 ， 主要 表 现 为 混凝 土 表 面 出 现 白霜 和 粗 骨 料外 露 ( 见 图 2 、 图 3 ) ， 而硫 酸 盐侵 蚀 造成 的膨 胀 胀 裂破 坏并未 见 到 。从 现 场 调查 来 看 ， 杭 州 地 区 一 般 1 0年左右即出现类似的外观损伤。与重庆、 昆明 地 区 的调查结 论类 似 。 浙江建筑 2 0 1 0年第 2 7卷 一 一 图 2 混凝土表面的 自霜 图 3 混凝土表面粗骨料裸露 ( 摄于大关小区 ) ( 摄于下沙 ) 混 凝土 中性化 深度反 映 了外界 侵蚀性 介 质对混 凝 土 的侵 蚀程度 ， 实地 调 查 中 需要 采 用 半 破损 法 滴 定 酚酞检 查 。C O ： 引起 混 凝 土 中性化 的深 度 ( 碳 化 深度 ) 的预测模 型一 般采用 = ( 1 ) 式中： 一碳化深度 ； 一 碳化 系数 ； f 一碳 化时 间 。 牛荻涛基于实地调查和国内外的有关资料提 出 了碳化 系数 计算公 式 叫 K t( 7 4 ) 式 中 ： 一 地 区 影 响 系数 ， 南 方 地 区 可取 0 8 ， 北 方 地 区取 1 0； 一 室内外影响系数， 室外取 1 0 ， 室内取 1 8 7 ； 考虑养护时间的修正系数 ， 对一般结构可 取 1 5。 文献 1 1 通 过试 验研 究 认 为 ， 酸雨 对 混凝 土 的 中性化也符合 = k 的规律， 其中酸雨的中性化系 数 是 无雨 中性化 系数 的 1 1 4倍 ， 即 k =1 1 4 k ( 3 ) 利用式 ( 1 ) 、 ( 2 ) 、 ( 3 ) 可 以对 杭 州地 区大气 和酸 雨环 境 中混 凝 土 中性化 深度 达到 钢筋位 置 处 的时间 t ( c ) 进 行预 测 ， 某 些 学 者认 为 该 时 间 即 为混 凝 土 结 构的预期使用寿命 。 从 图 4可 以看 出 ， 酸雨会 加速 混凝土 的中性化 ， 在混凝土强度等级低， 保护层厚度偏低 ， 例如出现施 工负允差的情况下， 酸雨环境 中混凝土结构中性化 深 度达 钢筋位 置处 只需 3 0年左 右 ， 在有水 和氧 气 的 条件下很容易引起钢筋锈蚀 ， 影 响结构的正常安全 使用 。 3 结 语 ( 1 ) 过去 2 0年杭州地区的降水对混凝土为中 图 4 大气和酸雨环境中混凝土结构的预期寿命 等侵蚀及强侵蚀作用。由于酸雨成因的复杂性和综 合性， 可以预计杭州酸雨环境对混凝 土的侵蚀将长 期存在。 ( 2 ) 调 查 表 明 酸 雨 会 导 致 混 凝 土 表 面 出现 白 霜 、 粗 骨料外 露等外 观 破损 。 ( 3 ) 计 算 表 明 酸 雨 会 加 速 混 凝 土 中性 化 进 程 ， 在混凝土强度等级低、 保护层厚度偏低情况下会严 重影响结构的预期寿命。 参 考 文 献 1 孙介夫 ， 许梅德 试论杭 州 的酸雨及 其控制 J 污染 防治技 术 ， 1 9 9 4 ， 7 ( 3 ) ： 3 33 5 2 林丰妹 ， 焦荔 ， 盛侃 ， 等 杭州市酸雨 污染珊状及成 因分析 J 环境监测管理与技术 ， 2 0 0 4 ， 1 6 ( 3 ) ： 1 7 2 0 3 李宗恺 ， 王体 健 ， 金龙 山 中 国的 酸雨 模拟 及控 制 对策 研究 J 气象科学 ， 2 0 0 0 ， 2 0 ( 3 ) ： 3 3 9 3 4 7 4 吴丹 ， 王式功 ， 尚可政 中 国酸雨研 究综 述 J 干旱 气象 ， 2 0 0 6 ， 2 4 ( 2 ) ： 7 0 7 7 5 宋晓东 ， 江洪 ， 余树全 ， 等 浙江省酸雨的空间分布格局及其未 来变化趋势预测 J 环境污染与防治 ， 2 0 0 9 ， 3 1 ( 1 ) ： 1 3一l 6 6 刘慧玲 ， 周定 ， 谢绍 东 我国西 南地 区酸 雨对混 凝土性 能影 响的研究 J 哈尔滨工业大学学报 ， 1 9 9 7 ， 2 9( 6 ) ： 1 0 11 0 4 ( 7 Hi r o s h i O k o c h i ，H i d e k i K a me d a ， S h i n i e h i H a s e g a w a ， e t a 1 D e t e r i o r a t i o n o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s b y a c id d e p o s i t i o n a n a s s e s s me n t o f t h e r o l e o f r a i n wa t e r o n d e t e ri o r a t i o n b y l a b o r a t o r y a n d fi e l d e x p o s u r e e x p e ri me n t s u s i n g mo l a r s p e c i me n s J A t m o s p h e ri c E n - v i ron m e n t ， 2 0 0 0 ( 3 4 ) ： 2 9 3 72 9 4 5 8 陈剑雄 ， 吴建成， 陈寒斌 严 重酸雨环 境下建 筑物 的耐久性调 查 J 混凝土 ， 2 0 0 1 ( 1 1 ) ： 4 44 7 9 宋志刚 ， 杨圣元 ， 刘铮 ， 等 昆 明市 区酸雨 对混凝土结构侵蚀 状况调查 J 混凝土 ， 2 0 0 7 ( 1 1 )： 2 32 7 1 O 牛荻 涛， 陈亦奇 ， 于澍 混凝土结构 的碳化模 式与碳化寿命 分析 J 西安建 筑科技大学学报 ， 1 9 9 5 ， 2 7 ( 4 ) ： 3 6 5 3 6 9 1 1 Y o s h i h i k o K i s h i m o t o ，Ya s u h i k o S A T O，S h u i e h i Ho k o i Nu me r i c o l i n v c s t i g a t i b n o n t h e e f f e c t o f r a i n f o r n e u t r a l i z a t i o n p r o c e s s o f c o n c r e l e C 。J I N We i L i a n g ，T a m o n U E D A，P AMa h a m me d BAS HEER Ad v a n c e s i n c o n c r e t e s t ruc t u r a l d u r a b i l i t y Ha n g z h o n ： Z h e i i a n g U n i v e r s i t y P r e s s ， 2 0 0 8 ： 1 0 7 51 0 8 1