侵蚀环境对混凝土耐久性的影响

张华

摘要：本文通过对化学侵蚀环境和氯盐环境对混凝土的侵蚀作为侧重点，分析了在盐渍土环境下混凝土侵蚀破坏的机理，通过对侵蚀破坏机理的研究，提出了相应的解决方案和见解。

关键词：侵蚀；环境 ；混凝土；耐久性

中图分类号：B82文献标识码： A

1、前言

中央实施西部大开发战略以来，西部省区的基础设施发生了翻天覆地的变化，从1999年到2009年，随着一批批涵盖公路、铁路、港口、机场、电站等重要领域重大项目的实施，基础设施先行成为带动西部大发展的主要因素之一，基础设施建设使西部资源有力地支持了中东部地区发展。2009年11月世界上最长的高铁--兰新铁路也正式开工，甘肃、新疆地处内陆地区，长期以来受到自然地理环境影响，地表上广泛地分布着盐渍土，使混凝土构筑物不同程度上受到了氯盐和化学侵蚀，这些侵蚀的发生将会严重的影响混凝土构筑物的使用寿命，也就是说降低了混凝土构筑物的耐久性，那么怎样才能减少或避免这些侵蚀现象的发生，从而有效的保护和延长混凝土构筑物的使用寿命。

2、侵蚀的种类

2.1、化学侵蚀环境

化学侵蚀环境作用等级的划分

化学侵蚀类型 环境作用等级

H1 H2 H3 H4

硫酸盐侵蚀 环境水中

so42-含量，mg/L ≥200

≤600 ＞600

≤3000 ＞3000

≤6000 ＞6000

强透水性环境水中so42-含量，mg/kg ≥2000

≤3000 ＞3000

≤12000 ＞12000

≤24000 ＞24000

强透水性环境水中so42--含量，mg/kg ≥3000

≤12000 ＞12000

≤24000 ＞24000 --

盐类结晶侵蚀 环境水中

so42-含量，mg/kg —— ≥2000

≤3000 ＞3000

≤12000 ＞12000

酸性侵蚀 环境水中的PH值 ≤6.5

≥5.5 ＜5.5

≥4.5 ＜4.5

≥4.0 --

二氧化碳侵蚀 环境水中侵蚀性

co2含量，mg/L ≤40

≥15 ≤100

＞40 ＞100 --

镁盐侵蚀 环境水中

Mg2+含量，mg/L ≤1000

≥300 ≤3000

＞1000 ＞3000 --

备注：本表（参照铁建设157号文）

化学侵蚀主要是硫酸盐侵蚀，当然还有盐类结晶侵蚀、酸性侵蚀、二氧化碳侵蚀、镁盐侵蚀。对于新疆而言，化学侵蚀主要是由于在盐渍土壤环境中存在大量的Ca2+、Mg2+、SO42-等离子类型形成碱式盐。主要的侵蚀物是硫酸盐对混凝土的破坏，硫酸盐对硬化水泥的腐蚀属于膨胀性腐蚀，在侵蚀过程的初始阶段，由于硫酸盐在混凝土空隙中逐渐形成积聚，从而使得混凝土的相对密度和强度有所增加，当混凝土中的孔隙和毛细孔中的结晶体继续增长而明显膨胀的时候，如石膏（2H2o.CaSO4）的结晶,特别是含有32个结晶水的水化硫铝酸钙生成时体积迅速膨胀，随时间的增长在混凝土中的孔隙形成膨胀破坏，混凝土构造物的强度随之迅速下降，就是俗称的“盐胀破坏”。 如奎屯河电站老龙口附近的一座盖板涵（已废弃），始建于上世纪七十年代中期，周围环境水中硫酸根离子含量高达8800mg/L，受环境介质的影响，侵蚀程度严重，其中侵蚀最严重的地方是自地面起向上380mm的“吸附区”，涵洞混凝土表面水泥砂浆严重剥蚀，粗骨料外露。周边预制混凝土涵管同样侵蚀程度严重，侵蚀剥离深度深及保护层，部分吸附区保护层已不见，钢筋明显外露锈蚀严重。其次受腐蚀严重的是“土壤区”，涵洞进出口混凝土能够明显可见粗骨料周围的白色盐类结晶体，涵洞管节有大量顺筋裂缝，受腐蚀相对较轻的是“大气区”，混凝土表面未见有剥落现象。侵蚀破坏的过程就是一个典型的盐胀破坏，混凝土构造物与含硫酸盐的土壤接触，通过毛细作用，地下水携溶液沿毛细管上升至混凝土迎风面，水分蒸发，溶液达到饱和在毛细管中结晶析出，一方面溶液浓度变大，达到饱和加速化学侵蚀反应；另一方面，因结晶盐析出产生结晶压力，特别是某些含结晶水较多的盐类，由于环境温度变化溶解度也随之改变，由溶液向晶体变化过程中体积显著增大，而产生巨大的膨胀力量，在物理与化学双重作用下加速了混凝土构筑物的破坏。

2.2 氯盐环境的侵蚀

在盐渍土地区露出地表的毛细吸附区，混凝土中的Ca(OH)2与周围环境介质中的CL-发生中性化反应而流失，造成混凝土表面的CaO含量较混凝土体内部的含量低，混凝土表面的Ca(OH)2损失后，内部的Ca(OH)2为保持内外平衡，就不断向外渗出，以补充表面损失的Ca(OH)2，随着Ca(OH)2不断渗出导致混凝土内部的碱性环境被破坏，PH值不断下降，形成中性化破坏。试验表明：当混凝土中的CaO含量损失30%时混凝土的强度将丧失，混凝土结构也就被破坏。混凝土保持稳定的碱性环境使得钢筋表面形成一层钝化膜，这层致密的钝化膜有效地保护了钢筋免受腐蚀。CL-是极强的去钝化剂，当CL-进入混凝土中并达到钢筋表面吸附于局部钝化膜处时，使该处的PH值迅速降低。当PH值<11.5时，钝化膜就开始不稳定，当PH值<9.88时，钝化膜生成困难或已经生成的钝化膜逐渐被破坏。CL-的局部酸化作用，可使钢筋表面PH值降低到4以下（酸性），于是该处的钝化膜就被破坏了，使钢筋暴露于腐蚀环境中。若严重的腐蚀现象发展到整个构件之后，混凝土就会出现顺筋开裂保护层剥落的破坏现象。

2.3侵蚀的防护

2.3.1、结构设计的安全储备

由于混凝土结构所需承受的荷载与结构材料设计计算方法及施工质量各个环节均存在诸多不确定性，加之混凝土工作环境的恶劣，所以规范规定了结构必须承受的荷载设计值应该是上述标准值乘以大于1的荷载分项系数加以扩大，同时确定结构构件所具备的承载能力时应将材料强度的标准值除以大于1的材料强度分项系数加以缩小。我国现行规范规定的荷载分项系数为1.4，而同时期英国为1.6，美国为1.7。在公路桥梁结构设计的安全设置水准上，为方便比较以各国桥梁设计规范规定的常用车辆活荷载（国内以汽超20为例）作用于30m跨径简支梁桥为例，美国和英国规范算出需要桥梁承受的荷载效应在未考虑荷载安全系数的时候，标准值分别比我国规范的标准大约12%和29%，在考虑安全系数后我国规范规定的活载安全系数为1.40，低于美国的1.75和英国的1.73。

结构设计安全性较低普遍反映出了混凝土结构抵抗外界环境变化能力低，耐久性差。因此提高安全系数能够从设计源头提高结构物的耐久性和可靠性。

2.3.2、构造措施

1、混凝土结构的构造应有利于减轻环境对结构的作用，有利于避免水、水汽和有害物质在混凝土表面的积聚，便于施工时混凝土的捣固和养护。

2、混凝土结构表面应设置可靠的防、排水等构造措施，必要时可采用换填土、降低地下水位及设防护层等工程措施，防止水和有害物质接触混凝土表面。结构的各种接缝应尽量避开最不利环境作用的部位。

3、对于侵蚀环境较严重的混凝土结构部位，应考虑暴露面上混凝土的可能剥蚀对构建（特别是薄壁构件）承载力的损害，设计时应适当增加混凝土的厚度。

4、钢筋混凝土保护层厚度应满足国家现行各行业有关标准规定。

5、桥梁端部应采取有效的构造措施防止污水回流污染支座和梁端表面。封锚混凝土应采用水泥基聚合物混凝土，混凝土的水胶比应不大于本体混凝土的相应值，并采取可靠的防护措施，以防止环境水和其它有害介质渗入接缝。