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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號線沙柳路站的具體施工情況,論述了硫酸鹽、氯離子等對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號線的沙柳路站的具體施工情況對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)表層地下水對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有中等腐蝕性,對鋼結(jié)構(gòu)具有中等腐蝕性;微承壓水對混凝土結(jié)構(gòu)具硫酸鹽中等腐蝕性,對鋼結(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)會使混凝土強(qiáng)度下降。
2.2 氯離子對鋼筋的腐蝕作用機(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),就會難以生成鈍化膜或已經(jīng)生成的會逐漸受損。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-會周而復(fù)始的起破壞作用。
2.2.5 與水泥的作用對鋼筋的銹蝕影響
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”會分解重新釋放出Cl-,對鋼筋產(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。將二級粉煤灰,S95級礦粉復(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。將二級粉煤灰,S95級礦粉復(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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