浅析天津地铁钢筋混凝土的腐蚀及防护

结合天津地铁2号线沙柳路站的具体施工情况,论述了硫酸盐、氯离子等对钢筋混凝土的腐蚀机理,并介绍了相应的防护措施,以提高地铁钢筋混凝土的耐久性。

关键词:混凝土,硫酸盐,氯离子,腐蚀 钢筋混凝土结构的耐久性问题一直没有得到很好的解决,为此这方面的研究日益受到重视,外界恶劣环境的侵蚀,会使混凝土保护层受损、开裂和剥落,从而使混凝土内的钢筋产生锈蚀,降低构件的耐久性和结构的安全性,特别是沿海地区的地下混凝土结构中的钢筋锈蚀更为严重。文中结合天津地铁2号线的沙柳路站的具体施工情况对钢筋混凝土的防腐性进行分析。 1 工程概况和地质特点 沙柳路站位于河东区卫国道与沙柳路交口处,主体采用现浇钢筋混凝土箱形结构形式;车站采用明挖顺作法施工。本工程岩土工程勘察报告显示,水质表层地下水对钢筋混凝土结构中的钢筋具有中等腐蚀性,对钢结构具有中等腐蚀性;微承压水对混凝土结构具硫酸盐中等腐蚀性,对钢结构具有中等腐蚀性。 依据GB50307-1999地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范的规定,进行了腐蚀性试验得:主要腐蚀由硫酸盐和氯离子引起的,其中SO42-最高浓度2291mg/L,Cl-最高浓度4006mg/L。它们交互作用,对钢筋混凝土形成侵蚀,影响其耐久性能。 2 钢筋混凝土腐蚀机理的分析 2.1 硫酸盐对混凝土腐蚀作用机理 Na2SO4,MgSO4等硫酸盐与混凝土中水泥的水化产物Ca(OH)2反应生成: 1)钙矾石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O),一种针状结晶体,固相体积是原来的1.5倍,由于是在固化了的混凝土中发生反应。因此,在混凝土内形成膨胀应力而引起混凝土结构的破坏。 2)Mg(OH)2,一种白色松软的不定形物质,会使水泥浆体的结构遭到破坏。 3)氯化钙和石膏,其溶于水后会造成混凝土的浸析增加。 4)硅酸镁水化物,其与硅酸钙水化物的取代反应会使混凝土强度下降。 2.2 氯离子对钢筋的腐蚀作用机理 混凝土在水化作用时,水泥中氯化钙生成氢氧化钙,使混凝土中含有大量的OH-,使pH值一般可达到12~14,钢筋在这样的高碱环境中,表面容易生成一层致密的钝化膜。研究结果表明,这种钝化膜能阻止钢筋的锈蚀,只有这层膜遭到破坏后,钢筋才开始锈蚀。 2.2.1 破坏钝化膜 钝化膜只有在高碱性环境中才是稳定的。当pH值小于一定的数值时,就会难以生成钝化膜或已经生成的会逐渐受损。Cl-进入混凝土中并到达钢筋表面,局部钝化膜开始破坏,发生钢筋腐蚀。 2.2.2 氯离子导电作用 由于混凝土结构中氯离子的存在,降低了阴极、阳极间的电阻,强化了离子通路,提高了腐蚀电流的效率,从而加速了钢筋的电化学腐蚀过程。 2.2.3 形成腐蚀电流 Cl-对钢筋表面钝化膜的破坏,使某些部位露出铁基本体,与尚完好的钝化膜区域之间构成电位差。大面积的钝化膜区作为阴极发生还原反应,铁基体作为阳极而受到腐蚀。腐蚀由局部开始逐渐在钢筋表面扩展。 2.2.4 氯离子的阳极去极化作用 加速阳极过程者,称做阳极去极化作用,Cl-具有这样的作用:阳极:Fe—2e=Fe2 ,Cl-与Fe2 相遇生成FeCl2,使Fe2 消失,从而加速阳极反应。但是FeCl2是可溶的,在向混凝土内扩散遇到氢氧根离子发生反应,最后可氧化成铁的氧化物。在这个过程中,Cl-只起“搬运”作用,而不被“消耗”。因此,混凝土中的Cl-会周而复始的起破坏作用。 2.2.5 与水泥的作用对钢筋的锈蚀影响 在一定的条件下,氯盐可与水泥中的铝酸三钙生成不溶性“复盐”,可以降低Cl-含量,同时降低硫酸盐与铝酸三钙作用而发生“膨胀”破坏。但当混凝土的碱度降低时,“复盐”会分解重新释放出Cl-,对钢筋产生腐蚀。

3 钢筋混凝土防护措施 通过上面腐蚀机理的分析,要提高钢筋混凝土的耐久性就要做到:保持混凝土的高碱度;提高混凝土的密实度,增强抗渗能力;控制SO42-,Cl-的含量。 3.1 水泥和骨料材料的选择 水泥是配置抗腐蚀混凝土的关键原料。为提高混凝土抗SO42-腐蚀性和抗裂性能,选用含C3A、碱量低的普通硅酸盐水泥和坚固耐久的洁净骨料。并控制水泥和骨料中Cl-的含量;要重视单方混凝土中胶凝材料的用量和混凝土骨料的级配以及粗骨料的粒形要求,并尽可能减少混凝土胶凝材料中的硅酸盐水泥用量。 3.2 掺入高效活性矿物掺料 活性矿物质掺料中含有大量活性SiO2及活性Al2O3。由于现在水泥产品的细度减小、活性增加,使得水化反应加速、放热加剧、干燥收缩增加,导致混凝土温度收缩和干缩产生的裂纹增加。将二级粉煤灰,S95级矿粉复合掺入混凝土中,可以减少热开裂,提高抗渗性,降低混凝土中钙矾石的生成量。 3.2 掺入高效活性矿物掺料 活性矿物质掺料中含有大量活性SiO2及活性Al2O3。由于现在水泥产品的细度减小、活性增加,使得水化反应加速、放热加剧、干燥收缩增加,导致混凝土温度收缩和干缩产生的裂纹增加。将二级粉煤灰,S95级矿粉复合掺入混凝土中,可以减少热开裂,提高抗渗性,降低混凝土中钙矾石的生成量。 3.3 掺入高效减水剂 一般情况下,材料的组合与配合比中对混凝土抗渗性最具影响力的因素是水灰比。因此在保证混凝土拌合物所需流动性的同时,应尽可能降低用水量。加入减水剂可以使水泥体系处于相对稳定的悬浮状态,在水泥表面形成一层溶剂化水膜,同时使水泥在加水搅拌中絮凝体内的游离水释放出来,达到减水的目的。天津地铁2号线的具体施工中掺入了DF-6缓凝高效减水剂,以降低水灰比,增加混凝土的密实性。 3.4 掺加防腐剂 针对地下水同时含SO42-,Cl-,采用SRA-1型防腐剂,可以将水泥抗硫酸盐极限浓度提高到1500mg/L。因为,其中的SiO2与水泥的水化产物氢氧化钙生成水化硅酸钙凝胶,降低硫酸盐腐蚀速度;次水化反应也减少氢氧化钙的含量,降低液相碱度,从而减少了硫酸根离子生成石膏的钙矾石数量,减缓了膨胀破坏。同时它还相对降低水泥中铝酸盐的含量,它的氯离子渗透系数为抗硫酸盐水泥的0.1,为普通硅酸盐的0.5,所以SO42-和Cl-并存时,它更有利于抵抗盐类腐蚀。 4 施工要点和防腐效果 严格控制混凝土施工质量,确保水灰比、坍落度在要求范围内,混凝土振捣按操作规程进行充分捣固,保证了混凝土的密实度,同时重视混凝土振捣后的抹面工作。施工后经检验,质量效果甚佳,深受建设单位好评,在天津地铁2号线施工中得到推广。 5 结语 为提高混凝土的耐久性,选用了优质原材料,除水泥、水和骨料,并掺入了足够数量的矿物集料和高效减水剂,这样就减少了水泥用量、混凝土内部空隙率以及体积收缩;并结合施工天气,加强施工各环节控制,提高了其耐久性。但是混凝土是水泥、砂、石、水等多成分构成的一种性能多样化的材料,其性能不仅与组成材料有直接关系,而且还与施工技术,所处环境及维护条件等因素有关。因此,研究的工作难度大,进展慢。在这方面还需要做大量的研究工作,以便满足和适应当前建筑市场的需要。 参考文献: [1]GB50046-95,工业建筑防腐蚀设计规范[S]. [2]张信鹏,王德森.耐腐蚀混凝土[M].北京:化学工业出版社,1989. [3]洪乃丰.海砂的利用与钢筋锈蚀的防护[J].建筑技术,1996(1):27-28. [4]洪乃丰.氯盐与钢筋腐蚀破坏[J].工业建筑,1999(10):40-41.