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探析天津地鐵鋼筋混凝土的腐蝕及防護(hù)
摘 要:結(jié)合天津地鐵2號(hào)線沙柳路站的具體施工情況,論述了硫酸鹽、氯離子等對(duì)鋼筋混凝土的腐蝕機(jī)理,并介紹了相應(yīng)的防護(hù)措施,以提高地鐵鋼筋混凝土的耐久性。關(guān)鍵詞:混凝土,硫酸鹽,氯離子,腐蝕
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題一直沒有得到很好的解決,為此這方面的研究日益受到重視,外界惡劣環(huán)境的侵蝕,會(huì)使混凝土保護(hù)層受損、開裂和剝落,從而使混凝土內(nèi)的鋼筋產(chǎn)生銹蝕,降低構(gòu)件的耐久性和結(jié)構(gòu)的安全性,特別是沿海地區(qū)的地下混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋銹蝕更為嚴(yán)重。文中結(jié)合天津地鐵2號(hào)線的沙柳路站的具體施工情況對(duì)鋼筋混凝土的防腐性進(jìn)行分析。
1 工程概況和地質(zhì)特點(diǎn)
沙柳路站位于河?xùn)|區(qū)衛(wèi)國道與沙柳路交口處,主體采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu)形式;車站采用明挖順作法施工。本工程巖土工程勘察報(bào)告顯示,水質(zhì)表層地下水對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有中等腐蝕性,對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有中等腐蝕性;微承壓水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具硫酸鹽中等腐蝕性,對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有中等腐蝕性。
依據(jù)GB50307-1999地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規(guī)范的規(guī)定,進(jìn)行了腐蝕性試驗(yàn)得:主要腐蝕由硫酸鹽和氯離子引起的,其中SO42-最高濃度2291mg/L,Cl-最高濃度4006mg/L。它們交互作用,對(duì)鋼筋混凝土形成侵蝕,影響其耐久性能。
2 鋼筋混凝土腐蝕機(jī)理的分析
2.1 硫酸鹽對(duì)混凝土腐蝕作用機(jī)理
Na2SO4,MgSO4等硫酸鹽與混凝土中水泥的水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應(yīng)生成:
1)鈣礬石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O),一種針狀結(jié)晶體,固相體積是原來的1.5倍,由于是在固化了的混凝土中發(fā)生反應(yīng)。因此,在混凝土內(nèi)形成膨脹應(yīng)力而引起混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。
2)Mg(OH)2,一種白色松軟的不定形物質(zhì),會(huì)使水泥漿體的結(jié)構(gòu)遭到破壞。
3)氯化鈣和石膏,其溶于水后會(huì)造成混凝土的浸析增加。
4)硅酸鎂水化物,其與硅酸鈣水化物的取代反應(yīng)會(huì)使混凝土強(qiáng)度下降。
2.2 氯離子對(duì)鋼筋的腐蝕作用機(jī)理
混凝土在水化作用時(shí),水泥中氯化鈣生成氫氧化鈣,使混凝土中含有大量的OH-,使pH值一般可達(dá)到12~14,鋼筋在這樣的高堿環(huán)境中,表面容易生成一層致密的鈍化膜。研究結(jié)果表明,這種鈍化膜能阻止鋼筋的銹蝕,只有這層膜遭到破壞后,鋼筋才開始銹蝕。
2.2.1 破壞鈍化膜
鈍化膜只有在高堿性環(huán)境中才是穩(wěn)定的。當(dāng)pH值小于一定的數(shù)值時(shí),就會(huì)難以生成鈍化膜或已經(jīng)生成的會(huì)逐漸受損。Cl-進(jìn)入混凝土中并到達(dá)鋼筋表面,局部鈍化膜開始破壞,發(fā)生鋼筋腐蝕。
2.2.2 氯離子導(dǎo)電作用
由于混凝土結(jié)構(gòu)中氯離子的存在,降低了陰極、陽極間的電阻,強(qiáng)化了離子通路,提高了腐蝕電流的效率,從而加速了鋼筋的電化學(xué)腐蝕過程。
2.2.3 形成腐蝕電流
Cl-對(duì)鋼筋表面鈍化膜的破壞,使某些部位露出鐵基本體,與尚完好的鈍化膜區(qū)域之間構(gòu)成電位差。大面積的鈍化膜區(qū)作為陰極發(fā)生還原反應(yīng),鐵基體作為陽極而受到腐蝕。腐蝕由局部開始逐漸在鋼筋表面擴(kuò)展。
2.2.4 氯離子的陽極去極化作用
加速陽極過程者,稱做陽極去極化作用,Cl-具有這樣的作用:陽極:Fe—2e=Fe2 ,Cl-與Fe2 相遇生成FeCl2,使Fe2 消失,從而加速陽極反應(yīng)。但是FeCl2是可溶的,在向混凝土內(nèi)擴(kuò)散遇到氫氧根離子發(fā)生反應(yīng),最后可氧化成鐵的氧化物。在這個(gè)過程中,Cl-只起“搬運(yùn)”作用,而不被“消耗”。因此,混凝土中的Cl-會(huì)周而復(fù)始的起破壞作用。
2.2.5 與水泥的作用對(duì)鋼筋的銹蝕影響
在一定的條件下,氯鹽可與水泥中的鋁酸三鈣生成不溶性“復(fù)鹽”,可以降低Cl-含量,同時(shí)降低硫酸鹽與鋁酸三鈣作用而發(fā)生“膨脹”破壞。但當(dāng)混凝土的堿度降低時(shí),“復(fù)鹽”會(huì)分解重新釋放出Cl-,對(duì)鋼筋產(chǎn)生腐蝕。3 鋼筋混凝土防護(hù)措施
通過上面腐蝕機(jī)理的分析,要提高鋼筋混凝土的耐久性就要做到:保持混凝土的高堿度;提高混凝土的密實(shí)度,增強(qiáng)抗?jié)B能力;控制SO42-,Cl-的含量。
3.1 水泥和骨料材料的選擇
水泥是配置抗腐蝕混凝土的關(guān)鍵原料。為提高混凝土抗SO42-腐蝕性和抗裂性能,選用含C3A、堿量低的普通硅酸鹽水泥和堅(jiān)固耐久的潔凈骨料。并控制水泥和骨料中Cl-的含量;要重視單方混凝土中膠凝材料的用量和混凝土骨料的級(jí)配以及粗骨料的粒形要求,并盡可能減少混凝土膠凝材料中的硅酸鹽水泥用量。
3.2 摻入高效活性礦物摻料
活性礦物質(zhì)摻料中含有大量活性SiO2及活性Al2O3。由于現(xiàn)在水泥產(chǎn)品的細(xì)度減小、活性增加,使得水化反應(yīng)加速、放熱加劇、干燥收縮增加,導(dǎo)致混凝土溫度收縮和干縮產(chǎn)生的裂紋增加。將二級(jí)粉煤灰,S95級(jí)礦粉復(fù)合摻入混凝土中,可以減少熱開裂,提高抗?jié)B性,降低混凝土中鈣礬石的生成量。
3.2 摻入高效活性礦物摻料
活性礦物質(zhì)摻料中含有大量活性SiO2及活性Al2O3。由于現(xiàn)在水泥產(chǎn)品的細(xì)度減小、活性增加,使得水化反應(yīng)加速、放熱加劇、干燥收縮增加,導(dǎo)致混凝土溫度收縮和干縮產(chǎn)生的裂紋增加。將二級(jí)粉煤灰,S95級(jí)礦粉復(fù)合摻入混凝土中,可以減少熱開裂,提高抗?jié)B性,降低混凝土中鈣礬石的生成量。
3.3 摻入高效減水劑
一般情況下,材料的組合與配合比中對(duì)混凝土抗?jié)B性最具影響力的因素是水灰比。因此在保證混凝土拌合物所需流動(dòng)性的同時(shí),應(yīng)盡可能降低用水量。加入減水劑可以使水泥體系處于相對(duì)穩(wěn)定的懸浮狀態(tài),在水泥表面形成一層溶劑化水膜,同時(shí)使水泥在加水?dāng)嚢柚行跄w內(nèi)的游離水釋放出來,達(dá)到減水的目的。天津地鐵2號(hào)線的具體施工中摻入了DF-6緩凝高效減水劑,以降低水灰
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