混凝土结构的腐蚀机理及预防措施.docx

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混凝土结构的腐蚀机理及预防措施

混凝土结构的腐蚀机理及预防措施

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混凝土结构的腐蚀机理及预防措施

摘要：

腐蚀是影响混凝土结构耐久性、可靠性的至关重要的因素。

为深入了解混凝土结构的腐蚀，本文从影响混凝土结构的腐蚀性介质，混凝土结构的腐蚀机理，混凝土结构的腐蚀预防措施，并结合电力工程中混凝土防腐措施的施工要点进行了阐述。

为了保证防腐蚀工程的质量，在设计中应根据腐蚀介质的性质、浓度和作用条件，结合工程部位的重要性等因素，正确选择防腐蚀材料和构造；在施工中应严格执行科学的制度，精心施工，确保建筑工程质量，提高建筑物使用寿命，执行可持续发展。

关键字：

混凝土结构腐蚀腐蚀性介质腐蚀机理预防措施施工要点工程实例

建筑（ARCHITECTURE），巨大的工艺品。

它组成我们赖以生存的不可缺少的空间，建筑也以其优美造型给我们带来愉悦。

随着社会的不断进步，随着对环境资源的重视，人们对建筑质量有更高的要求，也越来越重视建筑工程中的腐蚀现象。

由于多种因素，在建筑工程中，腐蚀无所不在。

腐蚀给国民经济带来巨大的损失，腐蚀给我们生存的建筑空间带来不确定的安全隐患。

所谓腐蚀，是材料与其环境间的物理化学作用引起材料本身性质的变化。

腐蚀反应的场所，首先是材料和腐蚀性介质之间相界面处。

在一个腐蚀系统中，对材料行为起决定作用的是化学成分、结构和表面状态。

腐蚀过程中如伴有机械应力的作用，将加速腐蚀而出现一系列特殊的腐蚀现象。

但单纯的机械负荷（如拉应力、摩擦、磨损、疲劳等）造成的材料损伤，则不属于腐蚀范畴。

由于电力工程的特点，电力工程建设中存在着大量的腐蚀行为。

如何通过设计选材适当、保证施工质量，减轻腐蚀给电力工程带来的负面影响，应成为电力工程技术人员探索的课题。

对电力土建专业来说，确保建筑物的耐久性，尤其是保证混凝土结构的耐久性，防止或减少混凝土结构中腐蚀出现，应该成为我们探索的目标。

一、影响混凝土结构的腐蚀性介质

为了确定建筑物不同部位的防护措施，将腐蚀性介质按其形态并结合不同的作用部位分为5种：

气态介质、腐蚀性水、酸碱盐溶液、固态介质和污染土。

各种介质对不同材料的腐蚀程度，可按介质类别、环境相对湿度和作用条件等因素分为强腐蚀性、中等腐蚀性、弱腐蚀性和无腐蚀性共四个等级。

1.气态介质包括腐蚀性气体和以液体为分散相的气溶胶（酸雾、碱雾等），其作用的部位主要是室内外上部建筑结构的构配件。

2.腐蚀性水系指在工业生产过程中受到各种介质污染的工业水（生产水和废水）或地下水，介质在腐蚀性水中的含量较低。

腐蚀性水作用的部位主要是地基、基础、污水池、地面和墙面等。

3.酸碱盐溶液：

含有不同浓度介质的酸碱盐液体（包括完全潮解或溶解的腐蚀性固体），其作用的部位主要是地面、水沟、墙面、设备基础的地上部位、储槽和污水池等。

4.固态介质包括腐蚀性碱、盐的颗粒、粉尘和以固体为分散相的气溶胶，主要作用于地面、墙面和有上部建筑结构的构配件。

5.污染土系指建筑场地由于生产或自然环境等综合因素造成地基土的污染，主要作用于地下水部位的地下混凝土构筑物。

二、混凝土结构的腐蚀机理

1、素混凝土结构

素混凝土的基本组成材料是水泥、砂、石和水。

影响素混凝土结构的耐久性的主要因素为碱-集料的反应（混凝土中碱含量超标，暴露在水或潮湿环境使用时，其中的碱与碱活性集料间发生反应，引起膨胀）。

2、钢筋混凝土结构

钢筋混凝土结构材料是混凝土与钢筋的复合体，它的腐蚀形态可分为两种：

一是由混凝土的耐久性不足，其本身被破坏，同时也由于钢筋的裸露、腐蚀而导致整个结构的破坏；二是混凝土本身并未腐蚀，但由于外部介质的作用，导致混凝土本身化学性质的改变或引入了能激发钢筋腐蚀的离子，从而使钢筋表面的钝化作用丧失，引起钢筋的锈蚀。

从化学成分来看，钢筋的锈蚀物一般为Fe（OH）3、Fe（OH）2、Fe3O4·H2O、Fe2O3等，其体积比原金属体积增大2～4倍。

由于铁锈膨胀，对混凝土保护层产生巨大的辐射压力，其数值可达30MPa（大于混凝土的抗拉极限强度）使混凝土保护层沿着锈蚀的钢筋形成裂缝（俗称顺筋裂缝）。

这些裂缝进一步成为腐蚀性介质渗入钢筋的通道，加速了钢筋的腐蚀。

钢筋在顺缝中的腐蚀速度往往要比裸露情况快，等到混凝土表面的裂缝开展到一定程度，混凝土保护层则开始剥落，最终使构件丧失承载能力。

在通常情况下，混凝土空隙中充满了由于水泥水解时产生的氢氧化钙饱和溶液，其碱度很高，pH值在12以上。

钢筋在高碱度的环境中，表面沉积一层致密的氢氧化铁薄膜，而转入钝化状态，即使有空气和水分进入，也不可能导致钢筋的腐蚀。

当混凝土受到外部因素作用而使混凝土的液相碱度降低时，钢筋由钝化状态转化为活性状态，此时若有空气和水分进入，钢筋便开始生锈。

造成混凝土液相碱度降低的原因，一般说来是由于酸性气体与混凝土中氢氧化钙作用的结果。

酸性气体沿着混凝土中的空隙或裂缝，从外部逐渐向内部渗透，与混凝土空隙中的氢氧化钙溶液产生中和反应，大大降低了混凝土空隙中氢氧化钙的浓度。

空气中的二氧化碳属于酸性气体，它与混凝土中氢氧化钙作用（俗称碳化作用），其反应式如下：

Ca（OH）2＋CO2→CaCO3＋H2O

生成的碳酸钙为微溶的化合物，其饱和溶液pH值为9，远远小于钢筋保持钝化状态所要求大于11.5的数值。

其它酸性气体如SO2、H2S、HCl、NOx也可以与混凝土中氢氧化钙作用（称为混凝土的中性作用），但它们对钢筋的腐蚀，除了使钢筋成活化状态外，还与它们中性化后生成的盐类的性质、种类有关。

某些卤离子（如Cl-、I-、Br-）对钝化膜有特殊的破坏作用。

它们在钢筋保护层不被碳化或中性化的情况下也可以破坏钢筋钝化膜，使腐蚀过程得以进行。

氯离子是这一类离子中最常遇到的。

氯离子半径很小，穿透力强，很容易吸附在钢筋阳极区的钝化膜上，取代钝化膜中氧离子，使钢筋起保护作用的氢氧化铁变为无保护作用的氯化铁。

氯化铁的溶解度比氢氧化铁的溶解度大得多。

由于氯离子到达钢筋表面的不均匀性，特别是氯离子作用在钢筋局部区域时，则局部区域为阳极，形成了大阴极小阳极的腐蚀。

这种坑蚀或局部腐蚀对结构的危害较大。

影响混凝土中性化（包括碳化）速度的因素很多，但主要的因素是混凝土的密实度，即抗渗性能。

混凝土愈密实，即抗渗性能愈高，则外界的气体只能作用于混凝土表面，向内部渗透比较困难。

影响混凝土密实度的主要因素是混凝土的水灰比和单位水泥用量。

水泥品种对混凝土的中性化速度有一定的影响；不同品种的水泥，因其掺合料的品种及含量不同，水解时生成的碱性物质数量不同，使混凝土的中性化速度也就不同了。

普通硅酸盐水泥的熟料含量多，掺合料的含量一般不大于15%，其碱度比其它品种的水泥高，中性化速度相对的要慢。

火山灰质硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥，由于掺合料中的活性氧化硅与水泥熟料中水解时产生的氢氧化钙结合，从而降低了混凝土孔隙中的液相碱度，加快了碳化或中性化的速度。

3、预应力混凝土结构

预应力混凝土结构的腐蚀除了具有普通混凝土结构的腐蚀类型外，由于采用高强度钢筋和钢筋在高应力条件下工作，所以可能发生应力腐蚀和钢材的氢脆。

（1）应力腐蚀

应力腐蚀是钢筋在拉应力和腐蚀性介质共同作用下形成的脆性断裂。

这种破坏与单纯的机械应力破坏不同，它可以在较低的拉应力作用下破坏；这种破坏又与单纯的电化学腐蚀破坏不同，它可以在腐蚀性介质很弱的情况下而破坏。

腐蚀性介质与钢筋作用，在钢筋表面形成一个大小不等弥散分布的腐蚀坑后，每个腐蚀坑相当于一个缺口，钢筋在拉应力的作用下，形成应力的不均匀分布和应力集中，在缺口的边缘，当钢筋平均应力不高时，其集中的应力即可达到断裂应力的水平，而引起钢筋的断裂。

由于缺口的存在，形成了拉应力三轴不相等状态，阻碍了钢筋塑性变形的开展，使塑性变形性能在钢筋断裂前不能充分发挥出来，延伸率、冷弯等塑性指标均有明显下降。

预应力钢筋的腐蚀是拉应力与腐蚀性介质共同作用的结果，腐蚀因素对钢筋断裂的最初形成起主要作用，而拉应力则促进了腐蚀的发展。

（2）氢脆

氢脆是预应力钢筋在酸性与微碱性的介质中发生脆性断裂的另一中类型。

氢脆与应力腐蚀的机理完全不同。

应力腐蚀发生在钢筋的阳极，而氢脆发生在钢筋的阴极区域。

氢脆是由于钢筋吸收了原子氢，而使其变脆，所以称为氢脆。

钢筋在腐蚀过程中，表面可能有少量氢气产生，在通常情况下，生成的原子氢会迅速结成分子氢，在常温下是无害的，但当这一过程受到阻碍时，氢原子就会向钢筋内部扩散而被吸收到金属内部的晶格中去，如果钢筋内部有缺陷存在，氢原子很可能重新结合成为氢分子。

氢分子的生成产生很大的压力，出现"鼓泡"现象。

使钢筋变脆。

产生氢脆的钢筋在受到超过临界值的拉力作用时，便会发生断裂。

硫化氢是能引起预应力钢筋氢脆的介质之一。

4、纤维混凝土结构

我国工程中常见的纤维混凝土为钢纤维混凝土、玻璃纤维混凝土以及聚丙烯纤维混凝土。

它们均是将纤维材料均匀分布在水泥砂浆、混凝土中，用以改变基材的物理力学性能。

纤维混凝土的腐蚀机理与普通混凝土基本相同，但纤维的直径较细，且均匀分布，其耐久性相对普通混凝土要强一些。

开裂的纤维混凝土构件在潮湿的环境下，裂缝处的混凝土碳化后，碳化区的钢纤维开始锈蚀。

有研究表面，钢纤维混凝土中钢筋的锈蚀较普通混凝土钢筋的锈蚀减轻，其原因除了钢纤维阻裂作用的影响外，还在于细小纤维在混凝土中乱向均匀分布，从而改变了钢筋电化学锈蚀的离子分布状态，阻止了钢筋的锈蚀。

5、轻骨料混凝土结构及加气混凝土

轻骨料混凝土的腐蚀机理与类型基本与普通混凝土相同，由于大多数轻骨料抵抗气体扩散能力较低，腐蚀性气体较易渗入内部，因此必须控制轻骨料混凝土的密实度。

加气混凝土的显气孔较多，不致密，吸水率高，碳化速度较快，在正常使用条件下尚需对钢筋进行表面涂覆保护层，而且加气混凝土表面气孔多，不容易进行保护，所以在腐蚀环境下不宜使用加气混凝土。

三、预防混凝土结构腐蚀的措施

对混凝土结构腐蚀预防应针对其不同的结构组成制定不同的措施。

1、原材料的选择

（1）水泥

水泥是水泥砂浆和混凝土的胶结材料。

水泥类材料的强度和工程性能，是通过水泥砂浆的凝结、硬化而形成。

水泥石一旦遭受腐蚀，水泥砂浆和混凝土的性能将不复存在。

由于各种水泥的矿物质组份不同，因而它们对各种腐蚀性介质的耐蚀性就有差异。

正确选用水泥品种，对保证工程的耐久性与节约投资有重要意义。

水泥按其用途及性能要求分为三类，即通用水泥、专用水泥和特殊水泥。

环境条件

优先选用

可以选用

不得选用

气态腐蚀

硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥

矿渣硅酸盐水泥

火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥

硫酸根离子腐蚀的地下工程

抗硫酸硅酸盐水泥

C3A含量小于5%的普通硅酸盐水泥、大坝水泥

C3A含量大于5%的硅酸盐水泥

碱液腐蚀

C3A含量不大于5%的普通硅酸盐水泥或硅酸盐水泥

矿渣硅酸盐水泥

高铝水泥

液态腐蚀

地下工程

矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥

普通硅酸盐水泥

地上工程及有干湿交替作用的地下工程

硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥

矿渣硅酸盐水泥

火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥

预应力混凝土

硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥

高铝水泥

（2）、粗、细集料

发生碱-集料反应的必要条件是碱、活性集料和水。

粗、细集料的耐蚀性和表面性能对混凝土的耐蚀性能具有很大影响。

集料与水泥石接触的界面状态对混凝土的耐蚀性有一定影响。

混凝土中所采用粗细集料，应保证致密，同时控制材料的吸水率以及其它杂质的含量，确保材质状况。

我国幅员辽阔，集料种类千差万别，在不少地域均发现过活性集料。

这些活性集料共分两类，一类为碱-硅酸反应（ASR），一类为碱-碳酸盐反应（ACR）。

施工中要严格加强对活性集料的控制。

（3）、拌合及养护用水

混凝土拌合及养护用水，应考虑其对混凝土强度的影响。

水灰比的大小很大程度影响混凝土强度值的大小。

拌合水应检查其杂质情况，防止影响砂浆及混凝土生成时杂质影响其耐久性。

海水中含有硫酸盐、镁盐和氯化物，除了对水泥石有腐蚀作用外，对钢筋的腐蚀也有影响，因此在腐蚀环境中的混凝土不宜采用海水拌制和养护。

（4）、外加剂

混凝土外加剂是在拌制混凝土过程中掺入，用以改善混凝土性质的物质。

混凝土外加剂的范围很广，品种很多，我国外加剂的品种目前已超过百种，其中包括减水剂、早强剂、加气剂、膨胀剂、速凝剂、缓凝剂、消泡剂、阻锈剂、密实剂、抗冻剂等。

在建筑防腐工程中，外加剂的使用主要是为了提高混凝土密实性或对钢筋的阻锈能力，从而提高混凝土结构的耐久性。

实践证明，采用加入外加剂的方法，可以在一定范围内达到提高混凝土结构的耐腐蚀能力，是一种经济而有效的技术措施。

但由于外加剂的化学组成，来自外加剂中的氯盐可能使混凝土结构中的钢筋脱钝，给结构物带来隐患。

在进行外加剂选择时需对其中氯盐的含量进行检测，并做相关实验。

2、防腐混凝土的配合比设计

为提高混凝土的密实性和抗中性化能力，混凝土的强度等级宜大于或等于C25。

受氯离子腐蚀或其它大气腐蚀时，钢筋混凝土构件中可掺入钢筋阻绣剂。

对于预应力混凝土结构，其混凝土强度等级不小于C35，后张法预应力混凝土构件应整体制作，不得采用块体拼装的构件。

混凝土配合比的设计，应按以下两种情况进行：

一是按设计要求的强度（即按正常要求的强度）进行配合比设计；二是按密实度的要求（即按最大水灰比和最小水泥用量的要求）进行配合比设计，但强度等级往往大于前者。

腐蚀环境中的混凝土配合比设计，必须取用上述两种情况中强度等级的较高者。

按《工业建筑防腐设计规范》规定，混凝土的水泥用量和水灰比的要求如下。

项目

钢筋混凝土

预应力混凝土

水泥用量，kg/m3不少于㎏㎡

300

350

水灰比不大于

0.55

0.45

腐蚀环境条件下的结构应采用密实混凝土、高密实混凝土或特密实混凝土；混凝土的密实性用直接指标（即渗透系数或相应的抗渗标号）表示；混凝土密实性的间接指标（即吸水率和水灰比）是参考指标。

混凝土的密实性指标见下表。

混凝土的密实性

混凝土的密实性指标

直接指标

间接指标

混凝土的抗渗等级

吸水率，%

水灰比不大于

一般密实

S4

大于4.7～5.7

0.6

高密实

S6

大于4.2～5.7

0.55

特密实

S8

小于4.2

0.45

施工现场若有条件，应按直接指标控制；若无条件时，可按最大水灰比、最小水泥用量和设计强度双控制。

为减少水泥和混凝土中碱的含量，应尽量采用低碱水泥。

同时合理使用粉煤灰、矿渣等矿物掺和料，也是提高混凝土抗裂和耐久性能的重要途径。

3、针对不同的腐蚀环境应设计不同的保护层厚度。

4、加强混凝土养护，控制混凝土表面裂缝，确保施工质量。

四、电力工程中防腐蚀混凝土结构的施工要点

由于电力工程的特点，其环境和使用要求更需要预防腐蚀。

（1）为保证钢筋位置的正确，混凝土保护层应满足设计要求。

钢筋的垫块，应采用细石混凝土或水泥砂浆制作，有条件时最好采用定型的塑料垫块，不得采用石子作垫块，严禁使用短钢筋作为垫块。

扩建工程中，特别是有大气腐蚀的条件下，构件的钢筋绑扎后应立即浇灌混凝土，避免产生锈蚀。

钢筋不宜在露天存放，应放在密闭的仓库中，这一点对预应力钢筋和钢丝尤为重要。

（2）混凝土的养护方法不但对混凝土的密实度和抗渗性有一定影响，而且也影响到混凝土的中性化速度。

如果混凝土早期养护不良，混凝土表面就会迅速干燥。

由于水泥水化的程度不够充分，致使混凝土的渗透性增大。

如果混凝土采用蒸汽养护，将影响水泥熟料水化反应的程度，并加速水泥石中的氧化硅和氧化钙的结合，因而使混凝土渗透性增大，碳化速度也必然随之加快。

因此在腐蚀环境下的混凝土施工时应进行养护方案设计，科学进行养护。

（3）外加剂的添加必须根据外加剂的品种、性质在规定时间内完成。

当外加剂为固体粉料时，可与水泥、砂、石同时搅拌，且适当延长搅拌时间。

当外加剂为液体时，应按固体含量计算掺量，并从用水量中扣除外加剂的水量。

减水剂的掺入量应根据不同的水泥品种、施工方法、施工环境温度等条件进行现场试配。

缓凝型的减水剂严禁过量掺入，否则会造成假凝或不凝现象。

普通型和缓凝型的减水剂不适合5℃以下的混凝土施工；当温度低于5℃时，应与早强剂复合使用，并采取冬季施工。

含气量大于3%的减水剂应采用高频振捣将混凝土捣实，或加入消泡剂使用。

阻锈剂的掺量应按使用环境确定，不得随意增大或减少。

分成A、B组分的阻锈剂必须按比例同步加入。

钢筋阻锈剂也可与其它外加剂复合使用。

当复合使用产生絮凝或沉淀等现象时，应作适应性试验。

（4）混凝土结构进行防腐处理时，采用混凝土密封剂进行钢筋混凝土或砂浆表面的防水和防腐。

施工前应除去混凝土或砂浆基层表面的浮土、松动残渣、污油等杂物。

对缝隙、破损部位采用同标号的水泥砂浆或混凝土修复。

用低压喷雾器将密封剂均匀喷在基层表面两遍。

在第一遍喷涂后即将干燥时喷涂第二遍，喷涂时要使整个表面达到均匀、饱和。

喷涂后，在密封剂将干时，用水喷洒表面。

水量不宜过多，湿润即可，以促进化学反应加速完成。

由于密封剂一般为水性溶液，因此，当环境温度低于0℃时，不可施工。

基层喷涂密封剂后，在一天之内不应遭受雨水淋浸冲刷。

（5）加强混凝土的施工质量管理。

混凝土必须充分捣固，对混凝土振捣后的表面工序也需要认真对待，压实表面对混凝土的抗腐蚀将起到相当重要的作用。

五、工程实例

现以我公司承建的某电厂冷却水塔为例，就如何通过施工技术手段控制混凝土结构的腐蚀进行阐述。

该发电厂位于河北省，工程位于燕山南麓冲积平原上。

该地区年平均气温11.2℃，年降雨量621mm。

地下水对砼无影响。

发电厂一期工程装机容量2×350mw燃煤机组，配备二座淋水面积为6000M2的双曲线自然通风冷却塔，风筒高度120M，喉部高90M，壁厚最大处0.75M、最小处0.23M。

施工中，我们采取如下技术措施：

1、风筒施工采用低坍落度砼，其标号为C30，水泥为冀东普硅525#水泥。

采用配合比如下：

水泥（kg）

水（kg）

河砂（kg）

碎石（kg）

木钙（kg）

340

187

769

1154

0.85

2、集料（砂、石）进行严格的碱含量检测。

3、根据结构耐久性的需要，对处于特殊环境中的池壁的炭化程度进行推算并协商设计适当增加了保护层的厚度。

4、严格控制混凝土施工质量，确保水灰比、坍落度在技术人员所要求范围，混凝土振捣按操作规程进行，保证混凝土的密实度，同时重视混凝土振捣后的抹面工作。

5、在混凝土表面刷防水涂膜，既可对混凝土进行养护，同时也是有效的防锈途径。

腐蚀的存在不可避免，但腐蚀的消除并不是不能实现。

只要我们深入了解腐蚀产生的原因，了解混凝土结构产生腐蚀的机理，从而针对性地采取措施，针对性进行混凝土结构的防腐蚀设计，通过各个环节的施工质量控制，并针对有可能出现腐蚀的结构提前预备腐蚀防治手段，我们就能够控制腐蚀不给我们造成危害。

提高混凝土质量、延长工程使用寿命、尽量减少维修重建费用是建筑业执行可持续发展的关键。

混凝土的生产必须遵循一定的规律，需要一定的时间，不能一味地强调施工进度，实践证明献礼工程、限期工程弊多利少，在任何情况下应以保证混凝土结构的长期耐久性为最重要的目标。

参考文献

[1]GB50046-95《工业建筑防腐蚀设计规范》，中国计划出版社，1995年。

[2]GB50212-91《建筑防腐蚀工程施工及验收规范》，中国计划出版社，1991年。

[3]涂湘缃等，《实用防腐蚀施工技术手册》，化工部化工防腐蚀科技情报中心站，1992年。

[4]混凝土结构的耐久性与使用寿命陈肇元编

[5]张信鹏，王德森，《耐腐蚀混凝土》，化学工业出版社，1989年

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