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混凝土材料防腐蚀设计论文

类型:化学论文 时间:2015年4月13日

【摘要】随着社会对各类建筑物耐久性的关注度不断提高,设计人员应当对影响建筑物耐久性的各方面进行仔细斟酌。本文通过对混凝土材料腐蚀的腐蚀原理,设计实例,规范要求等方面进行讨论,为设计人员进行防腐蚀设计时的思路提供参考。
【关键词】混凝土;环境腐蚀;设计
1 水工混凝土结构防腐蚀设计流程
水工建筑物的耐久性设计流程一般是这样的,首先根据勘察报告对环境情况进行评价,确定环境类别;然后根据环境类别和设计使用年限确定耐久性要求,包括混凝土强度等级、最大裂缝宽度限值、钢筋保护层厚度等,然后进行结构相关设计计算。
遇到化学侵蚀环境时,需要在确定环境类别时考虑化学侵蚀程度,同时应对混凝土材料提出防腐蚀要求。
为了对防腐蚀设计有较清晰的理解,我们还是简单介绍下混凝土结构的腐蚀原理。
2 混凝土结构腐蚀原理
2.1 混凝土材料特性
我们常见的混凝土是由砂、石、水泥和水按一定比例混合搅拌硬化形成的复合材料。泥与水反应生产的胶状物作为粘接剂,将砂、石组合成整体。砂、石这些骨料,坚硬而致密,一般情况不容易被腐蚀,而水泥与水反应生成的水泥石为多孔结构,这些孔隙为水提供了向结构内部浸润和渗透的通道,使结构材料发生溶蚀和腐蚀。
2.2 混凝土腐蚀原理
水泥石中的水化产物主要有氢氧化钙、水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙等,侵蚀类型主要为溶解侵析、离子交换、形成膨胀产物三种形式。溶解属于物理变化,因为任何物质在水中都存在一定的溶解度,水的硬度越低,也就是钙、镁离子含量越低,可溶出的物质就越多。反之硬度越大,溶解侵析作用就越小,就类似清水里加盐,开始溶解很快,接近饱和时加强搅拌也不怎么溶解。
离子交换和形成膨胀性产物均属于化学变化,这里我合并介绍为酸、碱、盐的腐蚀。水泥石与酸反应,能生成钙盐,可溶性钙盐溶解于水后流失,不可溶钙盐丧失了胶结能力可脱落;水泥石中铝酸三钙与强碱反应,如铝酸三钙和氢氧化钠反应生成铝酸钠和氢氧化钙,铝酸钠可溶于水。水泥石与盐反应,镁盐能和氢氧化钙生成溶解度较大的氢氧化镁;硫酸盐可与氢氧化钙生成微溶的硫酸钙,这还不是最主要的,生成的硫酸钙还可与水化铝酸钙继续反应生成钙矾石,体积膨胀约1.5倍,硫酸钙由于微溶,自身还会再结晶,也会产生膨胀造成结构应力变化引起破坏。此外还有碱骨料反应,是混凝土中的碱和骨料发生的反应,反应机理较复杂,本处不再详细介绍,可以参见相关专题研究。
3 混凝土防腐蚀设计实例分析
根据以上腐蚀原理可以看出,对混凝土结构产生腐蚀作用的主要有硬度、pH值、硫酸根离子、镁离子等,防腐蚀设计就是针对不同的有害环境因素对症下药的过程。在平时的水工设计中较常见的是硫酸盐型腐蚀。我们从一个设计实例来说明。
某沿海地区泵站,岩土工程勘察报告给出的环境水对混凝土腐蚀性判定见下表:
表1 环境水对混凝土腐蚀判定表
我们看到上表中勘察提出的腐蚀性评价为硫酸盐型中等腐蚀,而按照《水工混凝土结构设计规范》(下称《结规》)3.3.9条,硫酸根离子浓度最大为581.3mg/L,对应化学侵蚀程度为轻度。这里的差别是因为勘察采用的《岩土工程勘察规范》(下称《岩规》)和《结规》采用的评价标准不同,《岩规》的判定标准把环境按温度、湿度和透水性的不同分了三类,每类下再根据离子含量分成微、弱、中、强四个级,这样区分比较细,好处是有针对性。《结规》直接按照离子含量区分化学侵蚀程度,共分轻度、中度、严重三类,分别对应三、四、五类环境类别。这样区分对设计的最大好处就是简单易用。
按《结规》化学侵蚀程度为轻度,对应环境类别为三类,设计使用年限为50年,由环境类别和使用年限可以确定钢混结构最大裂缝宽度、混凝土最低强度等级、保护层厚度等等一系列工程设计人员应该非常熟悉的内容。但是对硫酸盐型轻度腐蚀在设计中对混凝土材料应该怎样处理,《结规》中与之相关的只有3.3.10条:“对处于化学侵蚀性环境中的混凝土,应采用抗侵蚀性水泥,掺用优质活性掺合料,必要时可同时采用特殊的表面涂层等防护措施”。条文说明中也未对该条进行解释,但设计人员在设计文件中应明确处理方法,还应进行方案比选,怎么办?它山之石可以攻玉,我们不妨看看其他规范中针对混凝土材料的防硫酸盐腐蚀问题怎样规定。我选择了三个国家标准:《混凝土结构耐久性设计规范》、《岩土工程勘察规范》、《工业建筑防腐蚀设计规范》和一个行业标准:《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》。
《混凝土结构耐久性设计规范》B.1.6提到,当环

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