鋼筋混凝土的腐蝕機理與防護技術應用論文
摘要：本文簡要介紹了硫酸鹽及氯離子對鋼筋混凝土的腐蝕機理 ,及在腐蝕環境下鋼筋混凝土結構的主要防護措施，并以工程實例講述鋼筋混凝土在腐蝕環境下的設計應用，并分析不同防腐蝕措施的經濟性能。
關鍵詞：腐蝕機理；防護措施；經濟性能。
1引言。
在工程設計中，場地地下水、土常常具有腐蝕性，腐蝕嚴重影響混凝土結構耐久性、可靠性。在生產建設中的各類建、構筑地基基礎常用的結構形式一般為鋼筋混凝土結構，這些基礎與地下水、土直接接觸，建構筑物基礎受到腐蝕性水、土的侵蝕，會引起基礎混凝土剝落、喪失強度、鋼筋銹蝕等現象，從而降低基礎的耐久性，直接影響整個結構的使用安全。因此，防腐蝕設計以成為建構筑物基礎設計不可缺少的內容。
2鋼筋混凝土的腐蝕機理。
鋼筋混凝土的腐蝕分為兩部分：一部分是混凝土的腐蝕，另一部分是鋼筋的腐蝕。這里主要講述硫酸鹽及氯離子對鋼筋混凝土的腐蝕機理。
2.1硫酸鹽對混凝土的腐蝕機理。
混凝土硫酸鹽腐蝕的機理是一個非常復雜的物理、化學過程，硫酸鹽侵蝕引起的危害包括混凝土的整體開裂和膨脹以及水泥漿體的軟化和分解，主要是通過物理、化學作用破壞水泥水化產物，使其喪失強度。
硫酸鹽侵蝕的物理作用是指水土中的硫酸根離子通過混凝土孔隙進入混凝土結構中，在沒有與混凝土中的組分發生化學反應以前，在干濕循環狀態下，外部環境中的硫酸鈉吸水發生結晶膨脹。硫酸鈉吸水后體積膨脹，一般表現為混凝土表面開裂、強度降低。
硫酸鹽侵蝕的化學作用是指水土中的硫酸根離子通過混凝土孔隙進入混凝土結構中后與混凝土中的不同組分發生一系列的化學反應，這些化學反應生成的鹽類礦物一方面由于吸收了大量水分子而產生體積膨脹導致混凝土的`破壞，另一方面也可使水泥中硬化組分溶出或分解，導致混凝土強度和粘結性喪失。
2.2氯離子對鋼筋的腐蝕機理。
水或土對鋼筋的腐蝕主要為電化學反應過程。混凝土中鋼筋一般處于氫氧化鈣提供的堿性環境中，在這種堿性環境中鋼筋與氧化性物質作用，作用在金屬表面形成一種致密的、覆蓋性能良好的、牢固的吸附在金屬表面上的鈍化膜（水化氧化物 nFe2O3·mH2O），對鋼筋有很強的保護能力，防止鋼筋進一步銹蝕。相關研究表明鈍化膜在高堿性環境中才是穩定的，當鋼筋所處環境中pH<9時鈍化膜逐漸破壞。Cl-通過混凝土中孔隙到達鋼筋表面時，在Cl-作用下包裹鋼筋的混凝土環境pH迅速降低，鋼筋表面的鈍化膜就逐漸破壞，形成“電化學腐蝕電池”,產生電位差。
3主要防護措施。
3.1基本措施。
鋼筋混凝土腐蝕破壞的本質是水、土等外界環境下有害離子（諸如氯離子與硫酸根離子）的入侵，使混凝土內部環境改變導致。因此，保證混凝土自身密實完好、保持高堿度和防止有害離子入侵，是鋼筋混凝土防腐蝕措施的出發點。基本措施主要是提高混凝土自身的防護能力，如選擇低水化熱水泥，摻加外加劑、摻合料等提高混凝土的耐久性，增加保護層厚度提高混凝土的腐蝕裕量，避免使用早強水泥和早強劑等。
3.2附加措施。
在較強的腐蝕環境條件下，僅僅依靠基本措施尚不能達到耐久性要求，必須采取相應的附加措施，附件措施主要指混凝土構件表面的外涂層、覆蓋層、隔離層等；采用鋼筋阻銹劑，減緩有害離子對的鋼筋腐蝕速度，提高鋼筋混凝土的耐久性；采用如環氧涂層鋼筋、耐蝕鋼筋、不銹鋼鋼筋、鍍鋅鋼筋等特種鋼筋，特種鋼筋能有效的隔離有害離子滲入與鋼筋接觸，從而能保護鋼筋不受腐蝕；采用陰極保護措施使混凝土內鋼筋受到電化學保護，降低及延緩鋼筋腐蝕速度。
4工程應用。
以某項目筏板基礎設計為工程實例，分析該項目地基基礎的防腐蝕設計。
4.1場地水文地質條件。
場地地下水對混凝土結構具有弱腐蝕性，腐蝕介質為“SO42-”;在長期浸水條件下，地下水對鋼筋混凝土結構中鋼筋具弱腐蝕性；在干濕交替條件下對鋼筋混凝土結構中鋼筋具有強腐蝕性，腐蝕介質為“Cl-”.按地層滲透性水對混凝土結構具微腐蝕性。
4.2基礎防腐蝕措施。
基礎采用樁筏基礎，基礎防腐蝕設計采用基本措施及附加措施相結合的設計理念。由于在長期浸水條件下，地下水對鋼筋混凝土結構中鋼筋具弱腐蝕性；在干濕交替條件下對鋼筋混凝土結構中鋼筋具有強腐蝕性，腐蝕介質“Cl-”.根據《工業建筑防腐蝕設計規范》（以下簡稱規范） 強腐蝕環境下不允許采用混凝土土灌注樁，又由于氣化框架基底反力，采用灌注樁設計較為安全合理，因此樁基在滿足最小埋置深度的前提下盡量加大埋置深度，使樁身至于長期浸水條件下，所處水土腐蝕環境為弱腐蝕。筏板基礎由于厚度較大，無法避免的置于水土干濕交替條件下，腐蝕環境為強腐蝕。
4.2.1 混凝土防腐基本措施。
（1）擇優選擇水泥品種。
水泥采用普通硅酸鹽水泥，并在混凝土攪拌過程中摻入礦物摻合料。普通硅酸鹽水泥具有早期強度高、凝結硬化快、堿度高、碳化慢等特點，在普通硅酸鹽水泥中摻入礦物摻合料，可改善混凝土的微孔結構，降低混凝土的滲透性，從而提高混凝土的耐久性。
（2）控制混凝土的水灰比和水泥用量。
腐蝕介質對構件的腐蝕，一般有外而內逐步進行，混凝土的抗滲性能對腐蝕速度有重要影響。混凝土的抗滲性能主要取決于混凝土的密實度，而對混凝土密實度起控制作用的水灰比和水泥用量，其中水灰比起主要作用。樁基混凝土在“SO42-”、“Cl-”環境下腐蝕等級均為弱腐蝕，根據《規范》規定，混凝土最小水泥用量為320kg/m3,最大水灰比為0.45,抗滲等級不低于P8;筏板混凝土在“Cl-”環境下腐蝕等級為強腐蝕，根據《工業建筑防腐蝕設計規范》（以下簡稱規范）規定，混凝土最小水泥用量為 340kg/m3,最大水灰比為0.4.
（3）混凝土保護層厚度。
混凝土對鋼筋的保護，除需要一定密實的混凝土外，還需要有一定厚度的保護層，這是提高混凝土結構耐久性的重要措施。根據《規范》規定，樁基鋼筋的混凝土保護層厚度不應小于55mm,在“SO42-”弱腐蝕環境下混凝土增加腐蝕裕量不小于20mm,選取樁基鋼筋最外層保護層厚度不小于75mm;筏板混凝土在“Cl-”強腐蝕環境下鋼筋最外層保護層厚度不小于 50mm.
4.2.2 混凝土防腐附加措施及其經濟性能分析。
（1）基礎表面防護措施基礎表面防護措施是指在基礎表面涂刷環氧瀝青或聚氨酯瀝青涂層或貼相應材料的玻璃布等。該措施的核心意義在于在混凝土表面形成一種保護膜，阻止或減緩水土中有害離子的滲入，以延緩混凝土及混凝土中鋼筋的腐蝕。經過經濟性能對比（見下文）本工程中筏板基礎及埋置在圖中的混凝土柱采用涂刷環氧瀝青或聚氨酯瀝青涂層的措施對混凝土進行保護。
（2）采用鋼筋阻銹劑及外加劑等措施混凝土中摻入適量的阻銹劑，可以延緩混凝土構件中的“電化學反應”,降低鋼筋腐蝕的速率。添加鋼筋阻銹劑是鋼筋混凝土在惡劣腐蝕環境下的一種有效的防腐蝕補充。此外在混凝土中摻加抗硫酸鹽類侵蝕防腐劑可將水泥水化硬化中生成大量的不穩定或亞穩狀態物質轉變成穩定的，有利于均質、密實，對強度、耐久性起貢獻作用的水泥石結構物質，使混凝土或鋼筋混凝土達到抵抗化學侵蝕、物理作用。本工程中樁基根據《規范》規定，樁身混凝土中摻加抗硫酸鹽類侵蝕防腐劑。
（3）使用特種鋼筋特種鋼筋主要包括環氧涂層鋼筋、不銹鋼鋼筋、鍍鋅鋼筋等，特種鋼筋較普通鋼筋在惡劣腐蝕環境下，其表面的鍍膜可以將鋼筋與混凝土隔離開，即使有害離子滲入混凝土也可以有效的防止鋼筋腐蝕。
該項目筏板基礎在中部設有溫度后澆帶，在施工過程中外漏鋼筋、混凝土不可避免的與水、土接觸，后澆帶預留外漏鋼筋使用環氧涂層鋼筋可有效阻止鋼筋腐蝕。
（4）不同附加措施經濟性能分析。
在強腐蝕環境下，建筑基礎一般可采用基礎表面防護和外加劑等措施，這兩種措施均有較好的防腐蝕效果且滿足《規范》規定。但兩者對不同構件的經濟性能應區別對待。以地下板類構件（如：筏板、水池等）為例，以構件體積為標準單位（即1m3），通過改變不同的構件厚度求得相應的展開面積來計算構件防腐措施的經濟性能。采用防腐涂層（涂刷環氧瀝青或聚氨酯瀝青涂層）每平米防腐涂層49.04元考慮，采用外加劑（抗硫酸鹽類侵蝕防腐劑）每立方米按80.00元考慮。其對比分析見表 1.
通過表1可以看出，地下板類構件當厚度不大于0.613m時，采用抗硫酸鹽類侵蝕防腐劑經濟效果明顯，并且隨構件厚度的降低其經濟效果越明顯；地下板類構件當厚度大于0.613m時，采用基礎表面防腐蝕涂層措施的經濟性能更好；筏板基礎在采用基礎表面防腐蝕涂層措施較采用外加劑措施約降低成本65%.
5結論與建議。
建筑基礎防腐蝕設計應遵循預防為主和防護結合的原則，因地制宜，區別對待，綜合選擇防腐蝕措施。在工程項目中建筑基礎防腐蝕設計主要分為兩部分，一部分是混凝土的腐蝕，一部分是鋼筋的腐蝕，最大限度的保證混凝土的高堿度和防止有害離子的入侵是防腐蝕措施的出發點.合理有效的以防腐蝕基本措施和附加措施相結合為原則，針對不同水文地質條件選取有效的防護措施。
通過工程實例分析建議：
（1）合理選擇基礎類型及埋置深度，盡量使基礎埋置于腐蝕等級較弱的深度。
（2）合理選用水泥品種、混凝土配比、鋼筋保護層厚度等基礎防護措施。
（3）合理選用不同類型的附加防護措施，做出經濟上的最優化選擇，并同時考慮施工可行性。
參考文獻：
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