工程中地下水腐蚀性机理及防护措施
2022-06-09
1引言
随着我国现代化建设的高速发展，各类工程项目大量兴建，建筑物及构筑物高度不断增加，基础及配套地下构件埋深也随之加深，受到地下水腐蚀，基础及结构混凝土逐渐开裂剥落、钢筋锈蚀等性能劣化，导致混凝土的耐久性降低，直接影响整个结构的安全和寿命，另一方面，由于工农业废渣、废水的污染，局部地区地下水腐蚀性加剧的问题应予以充分重视。
2地下水腐蚀性机理
按《岩土工程勘察规范》GB50021-2001（以下简称勘察规范），工程中对地下水腐蚀性评价主要是针对混凝土结构、混凝土结构中钢筋和钢结构这3个对象进行的，地下水中腐蚀性化学组分有氯盐、硫酸盐、镁盐、铵盐、钙盐、苛性碱、碳酸盐等，根据各化学组分的含量对照勘察规范中相应评价标准划分地下水腐蚀性强弱。地下水中主要的腐蚀性组分的腐蚀机理论述如下：
2.1氯盐（Cl-）腐蚀
CaCl2、MgCl2、NaCl、KCl等氯盐中的氯离子是地下水中主要的腐蚀介质，决定了地下水腐蚀性的强弱。氯盐是使钢筋混凝土结构中的钢筋锈蚀破坏的主要原因。
氯离子可以和混凝土水泥石中的Ca（OH）2及3CaO·2Al2O3·3H2O等起反应，生产体积比反应物大几倍的固相化合物，造成混凝土的膨胀破坏，反应式如下：
2Ca（OH）2+2Cl-+nH2O→CaO·CaCl2·（n-1）H2O
3CaCl2+3CaO·Al2O3·6H2O+25H2O→3CaO·Al2O3·3CaCl2·31H2O
氯离子对钢筋的锈蚀过程可分2步：
（1）破坏钝化膜，在水泥水化的高碱性（pH值12～13）水泥浆液的包裹下，钢筋表面产生一层以致密的氧化物Fe3O4为主的钝化膜，当pH值<10左右，新钝化膜生成困难，已生成的钝化膜逐渐遭到破坏。当孔隙中溶解的氯离子含量超过临界值时，Cl-进入钢筋混凝土中并到达钢筋表面，并吸附于局部钝化膜处，可使该处的pH值迅速降到4以下，使钢筋表面的钝化膜遭到破坏。
（2）形成"腐蚀电池"，Cl-对钢筋表面钝化膜的破坏首先发生在局部，使这些部位露出了铁基体，与尚完好的钝化膜区域之间构成电位差。铁基体作为阳极而受腐蚀，大面积的钝化膜作为阴极，形成"腐蚀电池"，钢筋表面产生点蚀（坑蚀），另一方面Cl-的导电作用强化了离子通路，降低了阴阳极之间的电阻，提高了腐蚀电池的效率，从而加速了电化学腐蚀过程，坑蚀发展十分迅速。
2.2硫酸盐（SO42-）的腐蚀
硫酸盐是破坏混凝土结构耐久性的一个重要因素，硫酸盐既腐蚀混凝土又腐蚀钢筋，其危害很大。
硫酸盐与混凝土（水化产物）发生化学作用，其反应产物体积增大，膨胀作用使混凝土产生微观、宏观开裂或粉化脱落，强度不断降低。硫酸盐的腐蚀过程为：首先与水泥中游离的Ca（OH）2反应，生成CaSO4·H2O（石膏），以上反应物的体积膨胀可达1～2倍；所生成的CaSO4随之可进一步与混凝土中的水化铝酸钙起反应，产生含更多结晶水的大分子产物，体积又会增加2倍左右。
2.3其他腐蚀
镁离子Mg2+、NH4+会置换水泥水化物Ca（OH）2中的钙，产生的CaCl2易溶于水，置换产生的Mg（OH）2松软无粘结力，使混凝土丧失强度；碳酸HCO3-会与水泥石中Ca（OH）2反应产生碳酸钙，降低碱度，破坏钝化膜使钢筋锈蚀；苛性碱（主要是NaOH、KOH）会对混凝土产生化学侵蚀和结晶侵蚀，前者主要是苛性碱与水泥石中的水化硅酸钙、水化铝酸钙等水化产物发生反应，生成胶结性差、易于浸析的产物，后者为苛性碱与CO2作用生成Na2CO3·10H2O或K2CO3·15H2O晶体，体积膨胀，对混凝土造成破坏作用。
3防腐蚀的措施
工程中制定地下水的防腐措施时，首先应充分考虑建设场地的腐蚀环境类型及腐蚀介质的特点，具体工程具体分析，从地下水对混凝土的腐蚀性机理出发，从提高混凝土密实性、改善抗腐蚀性能及进行表面防腐处理等方面着手，做到有的放矢。具体的措施有如下几点：
（1）有针对性的进行地基处理：当PH<4.5时不应采用石灰石、白云石类砂石料；采用冶金渣垫层和桩、土工织物时应提出相应抗腐蚀性能要求；地基需加固处理的，当地下水腐蚀等级为中～强腐蚀时不宜采用水泥加固法，当PH<7时不宜采用碱液加固法，当PH>9时不宜采用硅化加固法。
（2）水泥及骨料的选择：普通水泥或硅酸盐水泥因其早期强度高、碱度高、碳化慢、品种稳定而成为首选品种。骨料可用花岗石或石灰石类级配碎石。
（3）混凝土配合设计：水泥强度等级按规范要求不低于C35（有抗冻要求的不低于C45），水泥用量不小于300kg/m3，一般混凝土结构水灰比不大于0.55，预制桩混凝土水灰比不大于0.45（中、弱腐蚀）或0.4（强腐蚀），混凝土抗渗标号不低于1.18MPa。
（4）外加剂：适量的外加剂可提高混凝土密实性和耐腐蚀能力。常用的外加剂有钢筋阻锈剂、引气剂、减水剂等。但外加剂成分中的氯盐可能使混凝土结构中的钢筋钝化膜破坏而带来隐患，故使用前应检测其氯盐含量。
（5）表层隔离：当腐蚀性等级为中或强腐蚀时，单靠混凝土自身的防护是不够的，须采取附加隔离防护措施。垫层可采用碎石灌沥青或沥青混凝土。桩和结构表面可涂冷底子油和沥青胶泥各两遍，为满足热施工和在潮湿基层上施工的要求，也可涂刷环氧沥青厚浆型涂料两遍。腐蚀性等级为强腐蚀时，基础、桩基承台和地下室周围最好回填粘土并夯实。
参考文献
[1]GB50021-2001，《岩土工程勘察规范》[S]
[2]GB50046-2008，《工业建筑防腐设计规范》[S]
[3]GB50212-2002，《建筑防腐蚀工程施工及验收规范》[S]
[4]GB/T50476-2008，《混凝土结构耐久性设计规范》[S]
[5]CCES01-2004，混凝土结构耐久性设计和施工指南[M].中国建筑工业出版社
[6]张春燕水和土腐蚀性的评价解析，山西建筑，2005（5）。
随着我国现代化建设的高速发展，各类工程项目大量兴建，建筑物及构筑物高度不断增加，基础及配套地下构件埋深也随之加深，受到地下水腐蚀，基础及结构混凝土逐渐开裂剥落、钢筋锈蚀等性能劣化，导致混凝土的耐久性降低，直接影响整个结构的安全和寿命，另一方面，由于工农业废渣、废水的污染，局部地区地下水腐蚀性加剧的问题应予以充分重视。
2地下水腐蚀性机理
按《岩土工程勘察规范》GB50021-2001（以下简称勘察规范），工程中对地下水腐蚀性评价主要是针对混凝土结构、混凝土结构中钢筋和钢结构这3个对象进行的，地下水中腐蚀性化学组分有氯盐、硫酸盐、镁盐、铵盐、钙盐、苛性碱、碳酸盐等，根据各化学组分的含量对照勘察规范中相应评价标准划分地下水腐蚀性强弱。地下水中主要的腐蚀性组分的腐蚀机理论述如下：
2.1氯盐（Cl-）腐蚀
CaCl2、MgCl2、NaCl、KCl等氯盐中的氯离子是地下水中主要的腐蚀介质，决定了地下水腐蚀性的强弱。氯盐是使钢筋混凝土结构中的钢筋锈蚀破坏的主要原因。
氯离子可以和混凝土水泥石中的Ca（OH）2及3CaO·2Al2O3·3H2O等起反应，生产体积比反应物大几倍的固相化合物，造成混凝土的膨胀破坏，反应式如下：
2Ca（OH）2+2Cl-+nH2O→CaO·CaCl2·（n-1）H2O
3CaCl2+3CaO·Al2O3·6H2O+25H2O→3CaO·Al2O3·3CaCl2·31H2O
氯离子对钢筋的锈蚀过程可分2步：
（1）破坏钝化膜，在水泥水化的高碱性（pH值12～13）水泥浆液的包裹下，钢筋表面产生一层以致密的氧化物Fe3O4为主的钝化膜，当pH值<10左右，新钝化膜生成困难，已生成的钝化膜逐渐遭到破坏。当孔隙中溶解的氯离子含量超过临界值时，Cl-进入钢筋混凝土中并到达钢筋表面，并吸附于局部钝化膜处，可使该处的pH值迅速降到4以下，使钢筋表面的钝化膜遭到破坏。
（2）形成"腐蚀电池"，Cl-对钢筋表面钝化膜的破坏首先发生在局部，使这些部位露出了铁基体，与尚完好的钝化膜区域之间构成电位差。铁基体作为阳极而受腐蚀，大面积的钝化膜作为阴极，形成"腐蚀电池"，钢筋表面产生点蚀（坑蚀），另一方面Cl-的导电作用强化了离子通路，降低了阴阳极之间的电阻，提高了腐蚀电池的效率，从而加速了电化学腐蚀过程，坑蚀发展十分迅速。
2.2硫酸盐（SO42-）的腐蚀
硫酸盐是破坏混凝土结构耐久性的一个重要因素，硫酸盐既腐蚀混凝土又腐蚀钢筋，其危害很大。
硫酸盐与混凝土（水化产物）发生化学作用，其反应产物体积增大，膨胀作用使混凝土产生微观、宏观开裂或粉化脱落，强度不断降低。硫酸盐的腐蚀过程为：首先与水泥中游离的Ca（OH）2反应，生成CaSO4·H2O（石膏），以上反应物的体积膨胀可达1～2倍；所生成的CaSO4随之可进一步与混凝土中的水化铝酸钙起反应，产生含更多结晶水的大分子产物，体积又会增加2倍左右。
2.3其他腐蚀
镁离子Mg2+、NH4+会置换水泥水化物Ca（OH）2中的钙，产生的CaCl2易溶于水，置换产生的Mg（OH）2松软无粘结力，使混凝土丧失强度；碳酸HCO3-会与水泥石中Ca（OH）2反应产生碳酸钙，降低碱度，破坏钝化膜使钢筋锈蚀；苛性碱（主要是NaOH、KOH）会对混凝土产生化学侵蚀和结晶侵蚀，前者主要是苛性碱与水泥石中的水化硅酸钙、水化铝酸钙等水化产物发生反应，生成胶结性差、易于浸析的产物，后者为苛性碱与CO2作用生成Na2CO3·10H2O或K2CO3·15H2O晶体，体积膨胀，对混凝土造成破坏作用。
3防腐蚀的措施
工程中制定地下水的防腐措施时，首先应充分考虑建设场地的腐蚀环境类型及腐蚀介质的特点，具体工程具体分析，从地下水对混凝土的腐蚀性机理出发，从提高混凝土密实性、改善抗腐蚀性能及进行表面防腐处理等方面着手，做到有的放矢。具体的措施有如下几点：
（1）有针对性的进行地基处理：当PH<4.5时不应采用石灰石、白云石类砂石料；采用冶金渣垫层和桩、土工织物时应提出相应抗腐蚀性能要求；地基需加固处理的，当地下水腐蚀等级为中～强腐蚀时不宜采用水泥加固法，当PH<7时不宜采用碱液加固法，当PH>9时不宜采用硅化加固法。
（2）水泥及骨料的选择：普通水泥或硅酸盐水泥因其早期强度高、碱度高、碳化慢、品种稳定而成为首选品种。骨料可用花岗石或石灰石类级配碎石。
（3）混凝土配合设计：水泥强度等级按规范要求不低于C35（有抗冻要求的不低于C45），水泥用量不小于300kg/m3，一般混凝土结构水灰比不大于0.55，预制桩混凝土水灰比不大于0.45（中、弱腐蚀）或0.4（强腐蚀），混凝土抗渗标号不低于1.18MPa。
（4）外加剂：适量的外加剂可提高混凝土密实性和耐腐蚀能力。常用的外加剂有钢筋阻锈剂、引气剂、减水剂等。但外加剂成分中的氯盐可能使混凝土结构中的钢筋钝化膜破坏而带来隐患，故使用前应检测其氯盐含量。
（5）表层隔离：当腐蚀性等级为中或强腐蚀时，单靠混凝土自身的防护是不够的，须采取附加隔离防护措施。垫层可采用碎石灌沥青或沥青混凝土。桩和结构表面可涂冷底子油和沥青胶泥各两遍，为满足热施工和在潮湿基层上施工的要求，也可涂刷环氧沥青厚浆型涂料两遍。腐蚀性等级为强腐蚀时，基础、桩基承台和地下室周围最好回填粘土并夯实。
参考文献
[1]GB50021-2001，《岩土工程勘察规范》[S]
[2]GB50046-2008，《工业建筑防腐设计规范》[S]
[3]GB50212-2002，《建筑防腐蚀工程施工及验收规范》[S]
[4]GB/T50476-2008，《混凝土结构耐久性设计规范》[S]
[5]CCES01-2004，混凝土结构耐久性设计和施工指南[M].中国建筑工业出版社
[6]张春燕水和土腐蚀性的评价解析，山西建筑，2005（5）。