钢筋混凝土的腐蚀机理与防护技术应用论文
摘要：本文简要介绍了硫酸盐及氯离子对钢筋混凝土的腐蚀机理 ,及在腐蚀环境下钢筋混凝土结构的主要防护措施，并以工程实例讲述钢筋混凝土在腐蚀环境下的设计应用，并分析不同防腐蚀措施的经济性能。
关键词：腐蚀机理；防护措施；经济性能。
1引言。
在工程设计中，场地地下水、土常常具有腐蚀性，腐蚀严重影响混凝土结构耐久性、可靠性。在生产建设中的各类建、构筑地基基础常用的结构形式一般为钢筋混凝土结构，这些基础与地下水、土直接接触，建构筑物基础受到腐蚀性水、土的侵蚀，会引起基础混凝土剥落、丧失强度、钢筋锈蚀等现象，从而降低基础的耐久性，直接影响整个结构的使用安全。因此，防腐蚀设计以成为建构筑物基础设计不可缺少的内容。
2钢筋混凝土的腐蚀机理。
钢筋混凝土的腐蚀分为两部分：一部分是混凝土的腐蚀，另一部分是钢筋的腐蚀。这里主要讲述硫酸盐及氯离子对钢筋混凝土的腐蚀机理。
2.1硫酸盐对混凝土的腐蚀机理。
混凝土硫酸盐腐蚀的机理是一个非常复杂的物理、化学过程，硫酸盐侵蚀引起的危害包括混凝土的整体开裂和膨胀以及水泥浆体的软化和分解，主要是通过物理、化学作用破坏水泥水化产物，使其丧失强度。
硫酸盐侵蚀的物理作用是指水土中的硫酸根离子通过混凝土孔隙进入混凝土结构中，在没有与混凝土中的组分发生化学反应以前，在干湿循环状态下，外部环境中的硫酸钠吸水发生结晶膨胀。硫酸钠吸水后体积膨胀，一般表现为混凝土表面开裂、强度降低。
硫酸盐侵蚀的化学作用是指水土中的硫酸根离子通过混凝土孔隙进入混凝土结构中后与混凝土中的不同组分发生一系列的化学反应，这些化学反应生成的盐类矿物一方面由于吸收了大量水分子而产生体积膨胀导致混凝土的`破坏，另一方面也可使水泥中硬化组分溶出或分解，导致混凝土强度和粘结性丧失。
2.2氯离子对钢筋的腐蚀机理。
水或土对钢筋的腐蚀主要为电化学反应过程。混凝土中钢筋一般处于氢氧化钙提供的碱性环境中，在这种碱性环境中钢筋与氧化性物质作用，作用在金属表面形成一种致密的、覆盖性能良好的、牢固的吸附在金属表面上的钝化膜（水化氧化物 nFe2O3·mH2O），对钢筋有很强的保护能力，防止钢筋进一步锈蚀。相关研究表明钝化膜在高碱性环境中才是稳定的，当钢筋所处环境中pH<9时钝化膜逐渐破坏。Cl-通过混凝土中孔隙到达钢筋表面时，在Cl-作用下包裹钢筋的混凝土环境pH迅速降低，钢筋表面的钝化膜就逐渐破坏，形成“电化学腐蚀电池”,产生电位差。
3主要防护措施。
3.1基本措施。
钢筋混凝土腐蚀破坏的本质是水、土等外界环境下有害离子（诸如氯离子与硫酸根离子）的入侵，使混凝土内部环境改变导致。因此，保证混凝土自身密实完好、保持高碱度和防止有害离子入侵，是钢筋混凝土防腐蚀措施的出发点。基本措施主要是提高混凝土自身的防护能力，如选择低水化热水泥，掺加外加剂、掺合料等提高混凝土的耐久性，增加保护层厚度提高混凝土的腐蚀裕量，避免使用早强水泥和早强剂等。
3.2附加措施。
在较强的腐蚀环境条件下，仅仅依靠基本措施尚不能达到耐久性要求，必须采取相应的附加措施，附件措施主要指混凝土构件表面的外涂层、覆盖层、隔离层等；采用钢筋阻锈剂，减缓有害离子对的钢筋腐蚀速度，提高钢筋混凝土的耐久性；采用如环氧涂层钢筋、耐蚀钢筋、不锈钢钢筋、镀锌钢筋等特种钢筋，特种钢筋能有效的隔离有害离子渗入与钢筋接触，从而能保护钢筋不受腐蚀；采用阴极保护措施使混凝土内钢筋受到电化学保护，降低及延缓钢筋腐蚀速度。
4工程应用。
以某项目筏板基础设计为工程实例，分析该项目地基基础的防腐蚀设计。
4.1场地水文地质条件。
场地地下水对混凝土结构具有弱腐蚀性，腐蚀介质为“SO42-”;在长期浸水条件下，地下水对钢筋混凝土结构中钢筋具弱腐蚀性；在干湿交替条件下对钢筋混凝土结构中钢筋具有强腐蚀性，腐蚀介质为“Cl-”.按地层渗透性水对混凝土结构具微腐蚀性。
4.2基础防腐蚀措施。
基础采用桩筏基础，基础防腐蚀设计采用基本措施及附加措施相结合的设计理念。由于在长期浸水条件下，地下水对钢筋混凝土结构中钢筋具弱腐蚀性；在干湿交替条件下对钢筋混凝土结构中钢筋具有强腐蚀性，腐蚀介质“Cl-”.根据《工业建筑防腐蚀设计规范》（以下简称规范） 强腐蚀环境下不允许采用混凝土土灌注桩，又由于气化框架基底反力，采用灌注桩设计较为安全合理，因此桩基在满足最小埋置深度的前提下尽量加大埋置深度，使桩身至于长期浸水条件下，所处水土腐蚀环境为弱腐蚀。筏板基础由于厚度较大，无法避免的置于水土干湿交替条件下，腐蚀环境为强腐蚀。
4.2.1 混凝土防腐基本措施。
（1）择优选择水泥品种。
水泥采用普通硅酸盐水泥，并在混凝土搅拌过程中掺入矿物掺合料。普通硅酸盐水泥具有早期强度高、凝结硬化快、碱度高、碳化慢等特点，在普通硅酸盐水泥中掺入矿物掺合料，可改善混凝土的微孔结构，降低混凝土的渗透性，从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。
腐蚀介质对构件的腐蚀，一般有外而内逐步进行，混凝土的抗渗性能对腐蚀速度有重要影响。混凝土的抗渗性能主要取决于混凝土的密实度，而对混凝土密实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。桩基混凝土在“SO42-”、“Cl-”环境下腐蚀等级均为弱腐蚀，根据《规范》规定，混凝土最小水泥用量为320kg/m3,最大水灰比为0.45,抗渗等级不低于P8;筏板混凝土在“Cl-”环境下腐蚀等级为强腐蚀，根据《工业建筑防腐蚀设计规范》（以下简称规范）规定，混凝土最小水泥用量为 340kg/m3,最大水灰比为0.4.
（3）混凝土保护层厚度。
混凝土对钢筋的保护，除需要一定密实的混凝土外，还需要有一定厚度的保护层，这是提高混凝土结构耐久性的重要措施。根据《规范》规定，桩基钢筋的混凝土保护层厚度不应小于55mm,在“SO42-”弱腐蚀环境下混凝土增加腐蚀裕量不小于20mm,选取桩基钢筋最外层保护层厚度不小于75mm;筏板混凝土在“Cl-”强腐蚀环境下钢筋最外层保护层厚度不小于 50mm.
4.2.2 混凝土防腐附加措施及其经济性能分析。
（1）基础表面防护措施基础表面防护措施是指在基础表面涂刷环氧沥青或聚氨酯沥青涂层或贴相应材料的玻璃布等。该措施的核心意义在于在混凝土表面形成一种保护膜，阻止或减缓水土中有害离子的渗入，以延缓混凝土及混凝土中钢筋的腐蚀。经过经济性能对比（见下文）本工程中筏板基础及埋置在图中的混凝土柱采用涂刷环氧沥青或聚氨酯沥青涂层的措施对混凝土进行保护。
（2）采用钢筋阻锈剂及外加剂等措施混凝土中掺入适量的阻锈剂，可以延缓混凝土构件中的“电化学反应”,降低钢筋腐蚀的速率。添加钢筋阻锈剂是钢筋混凝土在恶劣腐蚀环境下的一种有效的防腐蚀补充。此外在混凝土中掺加抗硫酸盐类侵蚀防腐剂可将水泥水化硬化中生成大量的不稳定或亚稳状态物质转变成稳定的，有利于均质、密实，对强度、耐久性起贡献作用的水泥石结构物质，使混凝土或钢筋混凝土达到抵抗化学侵蚀、物理作用。本工程中桩基根据《规范》规定，桩身混凝土中掺加抗硫酸盐类侵蚀防腐剂。
（3）使用特种钢筋特种钢筋主要包括环氧涂层钢筋、不锈钢钢筋、镀锌钢筋等，特种钢筋较普通钢筋在恶劣腐蚀环境下，其表面的镀膜可以将钢筋与混凝土隔离开，即使有害离子渗入混凝土也可以有效的防止钢筋腐蚀。
该项目筏板基础在中部设有温度后浇带，在施工过程中外漏钢筋、混凝土不可避免的与水、土接触，后浇带预留外漏钢筋使用环氧涂层钢筋可有效阻止钢筋腐蚀。
（4）不同附加措施经济性能分析。
在强腐蚀环境下，建筑基础一般可采用基础表面防护和外加剂等措施，这两种措施均有较好的防腐蚀效果且满足《规范》规定。但两者对不同构件的经济性能应区别对待。以地下板类构件（如：筏板、水池等）为例，以构件体积为标准单位（即1m3），通过改变不同的构件厚度求得相应的展开面积来计算构件防腐措施的经济性能。采用防腐涂层（涂刷环氧沥青或聚氨酯沥青涂层）每平米防腐涂层49.04元考虑，采用外加剂（抗硫酸盐类侵蚀防腐剂）每立方米按80.00元考虑。其对比分析见表 1.
通过表1可以看出，地下板类构件当厚度不大于0.613m时，采用抗硫酸盐类侵蚀防腐剂经济效果明显，并且随构件厚度的降低其经济效果越明显；地下板类构件当厚度大于0.613m时，采用基础表面防腐蚀涂层措施的经济性能更好；筏板基础在采用基础表面防腐蚀涂层措施较采用外加剂措施约降低成本65%.
5结论与建议。
建筑基础防腐蚀设计应遵循预防为主和防护结合的原则，因地制宜，区别对待，综合选择防腐蚀措施。在工程项目中建筑基础防腐蚀设计主要分为两部分，一部分是混凝土的腐蚀，一部分是钢筋的腐蚀，最大限度的保证混凝土的高碱度和防止有害离子的入侵是防腐蚀措施的出发点.合理有效的以防腐蚀基本措施和附加措施相结合为原则，针对不同水文地质条件选取有效的防护措施。
通过工程实例分析建议：
（1）合理选择基础类型及埋置深度，尽量使基础埋置于腐蚀等级较弱的深度。
（2）合理选用水泥品种、混凝土配比、钢筋保护层厚度等基础防护措施。
（3）合理选用不同类型的附加防护措施，做出经济上的最优化选择，并同时考虑施工可行性。
参考文献：
[1]金雁南.混凝土硫酸盐侵蚀的类型及作用机理.华东交通大学学报[J].2006,23（5）：10.
[2]洪乃丰.混凝土中钢筋腐蚀与结构物的耐久性[J].公路，2001（2）.
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