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混凝土結(jié)構(gòu)在氯鹽環(huán)境中的腐蝕問題

發(fā)表時間:2024-10-08 17:33:54 點(diǎn)擊: 85

混凝土結(jié)構(gòu)仍然是21世紀(jì)最主要的工程結(jié)構(gòu)形式之一。但是,除工程事故和偶然災(zāi)害原因外,大量的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于各種各樣的耐久性原因而提前失效,達(dá)不到預(yù)定的服役年限。隨著混凝土結(jié)構(gòu)的更廣泛應(yīng)用,其使用環(huán)境日益多樣化,工業(yè)污染日益加劇,受環(huán)境侵蝕的危害性也日益增加,混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性成為困擾土建基礎(chǔ)設(shè)施工程的世界性問題。

不同混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境條件不同,對結(jié)構(gòu)耐久性起主導(dǎo)作用的因素也不同。例如,工業(yè)建筑中,腐蝕性化學(xué)介質(zhì)直接或間接的侵蝕作用是主要因素;海岸及近海工程中,氯鹽及硫酸鹽的侵蝕則是決定性因素;道路橋梁結(jié)構(gòu)耐久性惡化的主要動因是磨損和用除冰鹽造成的;而一般建筑結(jié)構(gòu)則主要是混凝土碳化、開裂等引起結(jié)構(gòu)中鋼筋腐蝕而造成的;此外,還有凍融破壞、土壤侵蝕、雜散電流等物理化學(xué)侵蝕。

國內(nèi)外統(tǒng)計(jì)表明,混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性病害導(dǎo)致的損失是巨大的,而且耐久性問題會越來越嚴(yán)重。美國混凝土基建工程總價為6萬億美元,但今后每年用于維修和重建的費(fèi)用高達(dá)3千億美元。1988年美國材料顧問委員會提交的報告報道大約253000座混凝土橋梁的橋面板,其中部分僅使用不到20年,就已經(jīng)不同程度的破壞,而且每年還將增加35000座。英格蘭中部環(huán)形快車道上11座混凝土高架橋,最初建造費(fèi)2800萬英鎊,到1989年因?yàn)榫S修而耗資4500萬英鎊,是造價的1.6倍,估計(jì)以后15年還要耗資1.2億英鎊,累計(jì)接近最初造價的6倍,結(jié)構(gòu)耐久性造成的損失大大超過了人們的估計(jì)[5]。許多海灣國家沿海地區(qū)建筑遭受腐蝕破壞迅速,混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命一般都非常短。

我國的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題同樣十分嚴(yán)重。據(jù)1986年國家統(tǒng)計(jì)局和建設(shè)部普查統(tǒng)計(jì),當(dāng)時有城鎮(zhèn)房屋約46.8億平米,由于建筑標(biāo)準(zhǔn)低,施工質(zhì)量差,劣化速度快,估計(jì)半數(shù)需要分期分批進(jìn)行鑒定、修繕或加固,其中有10~12億平米急待加固改造才能正常使用。據(jù)1995年統(tǒng)計(jì),當(dāng)時在役的60億平米城鎮(zhèn)民用建筑中,有30億平米需要加固,其中10億平米急需修繕處理。據(jù)2000年全國公路普查,截止2000年底,公路危橋9597座,達(dá)323,451延米。公路橋梁每年實(shí)際需要維修費(fèi)38億元。全國鐵路橋梁中,據(jù)1994年鐵路秋季檢查統(tǒng)計(jì),當(dāng)時有6137座存在不同程度劣化損害,占當(dāng)年鐵路橋梁總數(shù)約33600座的18.8%,所需修補(bǔ)加固的費(fèi)用約4億元。到2002年底,鐵路橋梁總數(shù)約4萬多座,其中混凝土橋梁約占93%,有堿骨料反應(yīng)現(xiàn)象的3千多萬孔,占2.5%;碳化深度在20mm以上的約5千多孔。

1. 混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋腐蝕問題

鋼筋腐蝕引起混凝土結(jié)構(gòu)的過早破壞,已成為全世界普遍關(guān)注并日益突出的一大災(zāi)害。據(jù)報導(dǎo),由于各種腐蝕(包括基礎(chǔ)設(shè)施工程、生產(chǎn)設(shè)備、交通運(yùn)輸工具等)每年帶來的直接、間接損失在美國約占GDP的4.9%(1976年)和4.2%(1996年),英國30年來的腐蝕損失平均占GDP的3.5%,澳大利亞占GDP的4.2%,而波蘭更占GDP的6~10%,為西方國家的兩倍。在這一腐蝕損失中,土建基礎(chǔ)設(shè)施工程的劣化損壞占有較大比例,有可能到40%,其中主要是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕。如美國標(biāo)準(zhǔn)局1975年的調(diào)查表明,美國全年各種腐蝕的損失為700億美元,1985年達(dá)1680億美元,其中混凝土中鋼筋腐蝕損失占40%。由于廣泛使用除冰鹽,造成過早破壞,1989年美國交通部門的一份報告估計(jì),由撒除冰鹽和海水侵蝕引起的州間高速公路橋梁的鋼筋腐蝕破壞,經(jīng)濟(jì)損失累計(jì)高達(dá)1500億美元。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是建筑結(jié)構(gòu)的主體,鋼筋腐蝕是導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)破壞的主要原因,按美國的統(tǒng)計(jì),在所有結(jié)構(gòu)破壞中,鋼筋腐蝕破壞可占到55%。例如美國上世紀(jì)30年代建造的Alsea海灣上的多拱大橋,因混凝土水灰比太大,鋼筋廣泛嚴(yán)重腐蝕,引起結(jié)構(gòu)破壞,采取多次局部修補(bǔ),最后不得不拆除更換。舊金山海灣第一座跨海灣的San MateoHayward大橋、Hood航道橋東半部以及瑞典的Oland橋也出現(xiàn)了類似情況。德國柏林議會大廈預(yù)應(yīng)力混凝土屋頂?shù)顾俏鰵涞膽?yīng)力腐蝕破裂所致。又如1986年日本運(yùn)輸省檢查103座混凝土海港碼頭,發(fā)現(xiàn)所有超過20年歷史的,都有相當(dāng)大的順筋銹裂,需要修補(bǔ)。日本目前每年用于房屋結(jié)構(gòu)維修費(fèi)用達(dá)到400億日元,大約有21.4%的混凝土結(jié)構(gòu)損壞是因鋼筋腐蝕引起的。引以為豪的新干線使用不到10年,就出現(xiàn)大面積混凝土開裂、剝蝕現(xiàn)象。

我國近年對水工結(jié)構(gòu)、港工結(jié)構(gòu)、鐵路橋梁、公路橋梁、建筑結(jié)構(gòu)的大量基礎(chǔ)設(shè)施工程調(diào)查也顯示了混凝土結(jié)構(gòu)由于鋼筋腐蝕造成的耐久性問題的嚴(yán)重性。南京水科院吳紹章等1965~1968年對華南、華東27座海港碼頭進(jìn)行調(diào)查,因鋼筋腐蝕而破壞或預(yù)計(jì)使用40年后必須大修的碼頭占74%。1985年安徽省對14座水工混凝土建筑物進(jìn)行的腐蝕破壞調(diào)查,幾乎全都不同程度地發(fā)生混凝土碳化和鋼筋腐蝕破壞。1985年,對全國40余處中小型鋼筋混凝土水閘結(jié)構(gòu)耐久性調(diào)查也表明由于混凝土碳化引起鋼筋腐蝕使閘墩、胸墻、大梁破壞的工程占47.5%。江蘇水科所許冠紹等對華東84座沿?;炷翐醭遍l進(jìn)行了調(diào)查,鋼筋嚴(yán)重腐蝕需要維修或大修的為71座。其中有些擋潮閘胸墻、啟閉橋大梁已經(jīng)銹斷。人民大會堂1959年建成,20世紀(jì)80年代曾部分小修,1994、1995年大修,以梁柱為主鋼筋腐蝕嚴(yán)重,原因是建造初期曾加氯鹽作為防凍劑。我國建筑與基礎(chǔ)設(shè)施腐蝕有其自身特點(diǎn),工業(yè)建筑、海工工程腐蝕嚴(yán)重且量大面廣;公路橋、城市立交橋等,新建的占多數(shù),暫時的腐蝕損失較國外少,但潛在的威脅大。有關(guān)專家呼吁,要像關(guān)注環(huán)境保護(hù)、減災(zāi)和醫(yī)學(xué)一樣關(guān)注腐蝕問題,在大規(guī)模經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高潮時期,特別關(guān)注基礎(chǔ)設(shè)施的腐蝕與防護(hù)。由此可見,鋼筋腐蝕導(dǎo)致的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性損傷問題不容忽視。圖1為一些鋼筋腐蝕導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)耐久性損傷破壞的工程實(shí)例。

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2. 氯鹽環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋腐蝕

引起混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋腐蝕的原因主要有兩個[15]:一個是由于氯離子的侵蝕引發(fā)的鋼筋局部去鈍化反應(yīng);另外一個是水泥漿本體與空氣中的二氧化碳反應(yīng)生成的孔隙溶液中的酸化導(dǎo)致的鋼筋整體性去鈍化。氯鹽環(huán)境中RC結(jié)構(gòu)遭受鋼筋腐蝕導(dǎo)致的失效破壞是最為普遍和廣泛的。

2.1  氯離子的存在環(huán)境

氯鹽是廣泛存在的,也是對混凝土中的鋼筋腐蝕的元兇[16]。主要有以下幾個來源:

(1)海洋環(huán)境  海水含鹽量一般在3%左右,主要是氯鹽,以Cl-計(jì),海水中的含量約為19000mg/L,是天然的強(qiáng)電解質(zhì)。為方便起見,通常將海洋腐蝕環(huán)境按垂向劃分為5個區(qū)帶:海洋大氣區(qū)、浪花飛濺區(qū)、潮差區(qū)、海水全浸區(qū)以及海底泥土區(qū)。水平向劃分:有關(guān)國家對于海洋環(huán)境、海風(fēng)、海霧的影響,按臨海距離進(jìn)行了分級: 0~100m,嚴(yán)重腐蝕;100~1000m,腐蝕;1000~10000m,輕腐蝕;>10000m,腐蝕可忽略。

(2)道路除冰鹽  公路、高速公路是經(jīng)濟(jì)命脈,為保證交通暢行,冬季向道路、橋梁、城市立交橋等撒鹽或鹽水,引起鋼筋腐蝕破壞。這是人為造成的氯鹽環(huán)境的腐蝕破壞。例如北京每年冬天撒1000~2000t氯鹽。拆除、改造的西直門立交橋(使用不到20年),鋼筋腐蝕破壞嚴(yán)重,已經(jīng)可以驗(yàn)證使用除冰鹽的危害。

(3)鹽湖、鹽堿地  我國有一定數(shù)量的鹽湖和大面積的鹽堿地,大體可分為沿海和內(nèi)陸兩種類型。沿海地區(qū)的鹽堿地多以含氯鹽為主,內(nèi)陸鹽堿地,有的以含氯鹽為主(如青海),有的以含硫酸鹽為主,多數(shù)情況是含混合鹽。這些地域鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可受很強(qiáng)的腐蝕。另一個突出的特點(diǎn),我國的鹽湖、鹽堿地盛產(chǎn)石油和其它礦產(chǎn),是資源開發(fā)利用寶地,特別是西部大開發(fā)過程中,對鹽腐蝕問題應(yīng)高度重視和妥善解決。

(4)工業(yè)環(huán)境等  工業(yè)環(huán)境十分復(fù)雜,就腐蝕介質(zhì)而言,有酸、堿、鹽等,并有液、汽、固態(tài)等不同形式。其中以氯鹽、氯氣、氯化氫等為主的腐蝕環(huán)境不在少數(shù),處在此類環(huán)境中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),其腐蝕破壞往往是迅速而又嚴(yán)重的。

2.2  氯離子侵蝕導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋腐蝕問題的嚴(yán)重性

由于氯離子存在的廣泛性和破壞的嚴(yán)重性,它是導(dǎo)致混凝土中鋼筋腐蝕的最主要因素。沿海及近海地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu),由于海洋環(huán)境對混凝土的腐蝕,導(dǎo)致鋼筋腐蝕而使結(jié)構(gòu)發(fā)生早期損壞,喪失了結(jié)構(gòu)的耐久性,已成為實(shí)際工程中的重要問題。近20~30年來,由于使用除冰鹽,擴(kuò)大海工工程,擴(kuò)大原材料范圍,在嚴(yán)酷條件下使用混凝土等,更增添了破壞因素。處于鹽堿地的基礎(chǔ)設(shè)施近年也出現(xiàn)了很多氯鹽侵蝕導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋腐蝕問題。同樣的問題也發(fā)生在一些氯鹽環(huán)境的工業(yè)建筑、車庫等。

交通部有關(guān)單位針對我國沿海港口工程混凝土結(jié)構(gòu)破壞狀況組織過多次調(diào)查[17]。由交通部四航局科研所主持、南科院等單位參加的華南地區(qū)18座碼頭調(diào)查的結(jié)果指出,80%以上都發(fā)生了嚴(yán)重或較嚴(yán)重鋼筋腐蝕破壞,出現(xiàn)腐蝕破壞的時間有的僅5-10年。隨后有關(guān)單位對華東地區(qū)、北方地區(qū)沿海碼頭調(diào)查也得出類似結(jié)果。如連云港雜貨一、二碼頭于1976年建成,1980年就發(fā)現(xiàn)有裂縫和腐蝕,1985年其上部結(jié)構(gòu)已普遍出現(xiàn)順筋裂縫;1980年建成的寧波北倉港10萬噸級礦石碼頭,使用不到10年其上部結(jié)構(gòu)就發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕損壞;天津港客運(yùn)碼頭1979年建成,使用不到10年,就發(fā)現(xiàn)前承臺面板有50%左右出現(xiàn)腐蝕損壞。導(dǎo)致構(gòu)件開裂破壞情況十分嚴(yán)重。其原因除了施工質(zhì)量存在一定問題外,另一主要原因是當(dāng)時對氯離子侵入引發(fā)鋼筋腐蝕的嚴(yán)重性認(rèn)識不足。我國臺灣重修澎湖大橋和不斷發(fā)生的“海砂屋”事件,也是氯鹽腐蝕造成的。國內(nèi)最早發(fā)現(xiàn)除冰鹽破壞在上世紀(jì)90年代初在哈大公路上,繼而在北京市立交橋、黑龍江省哈綏公路。1989年投資3000萬元建成的青海某鹽廠,由于處于鹽堿地又生產(chǎn)鹽,廠房嚴(yán)重腐蝕,6年后停產(chǎn)。

所以,來自海洋環(huán)境、除冰鹽環(huán)境、鹽堿地和一些工業(yè)環(huán)境的氯鹽污染引起的鋼筋腐蝕,是嚴(yán)重威脅混凝土結(jié)構(gòu)耐久性最主要和最普遍的病害,造成了巨大的直接和間接的損失。必須引起高度重視。



內(nèi)容來源:中國商品混凝土網(wǎng)

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