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钢筋混凝土腐蚀机理



钢筋混凝土是一种非均匀的、多元、多孔的固、液、气三相并存的复合材料,混凝土构件所处环境中的某些腐蚀性介质会通过孔隙进入混凝土内部,与孔隙中的氢氧化钙饱和溶液及水泥水化产物接触发生某种化学反应及一系列的电化学、物理、化学破坏作用,称为钢筋混凝土的腐蚀。

钢筋混凝土的腐蚀包括混凝土中钢筋的腐蚀及混凝土材料本身的腐蚀,其中钢筋的腐蚀属于电化学腐蚀,混凝土材料本身的腐蚀属于化学腐蚀或物理腐蚀等。


一、钢筋锈蚀机理

混凝土孔隙液是氢氧化钙的饱和溶液,加上水泥中所含可溶性碱(K2ONa2O),使孔隙的pH值高达12.513.5。钢筋在此环境中处于钝化状态而受到保护。

二氧化碳和氯离子是破坏混凝土中钢筋钝化膜的两个最常见的环境介质。

在常见的污染物中,氯化物为最能促使混凝土中钢筋去钝化的物质。

盐污染混凝土可能有两种途径:一种是由混凝土原材料带进混凝土拌和物,如海产骨料、拌和用盐水、含盐的早强剂、减水剂等;另一种是混凝土硬化后,渗入混凝土的含盐环境介质,如海水、海雾和浪花以及冷天为防止高速公路路面冰冻而撒布的化冰盐。

 

二、混凝土腐蚀机理

混凝土的腐蚀机理包括:物理作用、化学腐蚀、微生物腐蚀.

1.  物理作用 

是指在没有化学反应发生时,混凝土内的某些成分在各种环境因素的影响下,发生溶解或膨胀,引起混凝土强度降低,导致结构受到破坏。

物理作用主要包括2类:侵蚀作用和结晶作用。

(1)侵蚀作用

当环境中的侵蚀性介质(如地下软水,河流、湖泊中的流水)长期与混凝土(如地下水位以下的基础结构、河流中的桥墩等)接触时,将会使混凝土中的可溶性成分(Ca(OH)2 )溶解。

在无压力水的环境下,基础周围的水容易被溶出的Ca(OH)2 饱和,使溶解作用终止。侵蚀作用仅仅发生在混凝土表面,影响不大。但在流水或压力水作用下,Ca(OH)2 会不断溶解、流失,使混凝土强度减小,pH 值降低, 孔隙率增大, 腐蚀性介质更容易进入混凝土内部, 如此循环, 导致混凝土结构破坏。

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(2)结晶作用

混凝土是一种非常典型的孔隙材料,环境中的某些盐类侵入到混凝土的毛细孔道中, 在湿度较大时会溶解, 但在湿度较低或低温环境下会吸水结晶。

随着孔隙中晶体的不断析出、积累,毛细孔中的晶体体积将不断膨胀, 对混凝土孔壁造成极大的结晶压力, 从而引起混凝土的膨胀开裂。

冰冷地区的冻融破坏也属于此类反应。

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2.化学腐蚀

化学腐蚀是指混凝土中的某些成分与外部环境中腐蚀性介质(如酸、碱、盐等)发生化学反应生成新的化学物质而引起混凝土结构的破坏。

钢筋混凝土的化学腐蚀主要包括:酸性物质腐蚀、分解腐蚀、硫酸盐腐蚀、碱-集料反应等。

(1)酸性物质腐蚀

大气中的CO2SO2NO2,酸雨与酸性水、酸性土等,均能与混凝土直接起反应,中和混凝土中的碱[Ca(OH)2],也能与混凝土中的其它成分起作用而发生腐蚀。

同时混凝土中碱度的降低,会导致钢筋表面钝化膜的破坏,也加速了其内部钢筋的腐蚀。

(2)分解腐蚀

n  水泥水化产生部分Ca(OH)2,使混凝土具有强碱性(pH12.6),使其内部钢筋处于钝化状态。但Ca(OH)2是不稳定的,一方面易与酸性物质发生中和反应,另一方面能不断溶于软水中。在大气中,也能不断从混凝土内部向表面析出。

n  混凝土中Cl-的渗入,能加速Ca(OH)2的溶解,Mg2+NH4+能置换Ca2+,这都是促进分解的因素。因此,在软水中或环境中存在Cl-Mg2+NH4+等离子的条件下,混凝土往往会发生分解类腐蚀。

(3)硫酸盐腐蚀

n  硫酸盐能与混凝土中的水泥水化产物起化学反应,生成体积更大的新结晶物。其化学反应式为:

n  Na2SO4·10H2O + Ca(OH)2 → CaSO4·2H2O + 2NaOH + 8H2O

n  3CaSO4·2H2O + 4CaO·Al2O3·19H2O → 3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O + Ca(OH)2

(4)-集料反应

n  水泥在水化过程中会析出碱性物质,如NaOHKOH,在混凝土的硅质集料中如果含有碱活性的物质,如氧化硅,就会发生碱-硅酸反应,形成体积膨胀的硅胶,使混凝土受到破坏。

3.微生物腐蚀

n  生物对混凝土的腐蚀大致有2种形式:

n  (1)生物力学作用。生长在基础设施周围的植物的根茎会钻入混凝土的孔隙中, 破坏其密实度。

n  (2)类似于混凝土的化学腐蚀。典型的是硫化细菌在它的生命过程中, 能把环境中的硫元素转化成硫酸, 反应式如下:

         2S+ SO2 + 2H2O → 2H2SO4


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