第九章建筑结构腐蚀破坏

第九章建筑结构腐蚀破坏

返回总目录 第 9 章建筑结构腐蚀破坏 教学提示：化学反应裂损本来只是一些工业厂房的克星，多是由于工厂生产工艺带来的酸性腐蚀或碱性腐蚀引起。但是当前最值得关注的却是面临大建设进程的广大盐渍土地区的特殊环境腐蚀和已进入大建设过程的广大沿海工程的氯离子腐蚀。这两类腐蚀在性质上与工业厂房的酸碱腐蚀相类似。本章着重讨论的是工业建筑的化学腐蚀破坏机理。 教学要求：要求引导学生从工业建筑化学腐蚀的严酷性中去认识盐渍土地区与沿海地区腐蚀现象的普遍性，从一般建筑结构裂损后钢筋锈蚀阶段的相似现象中去提高警惕。 从混凝土结构出现裂损的原因来看，除了物理、力学方面的作用 ( 如荷载作用、温度作用、碰撞作用 ) 引起的混凝土裂损外，还有钢筋腐蚀胀裂、混凝土碱骨料反应裂缝、混凝土碳化收缩裂缝等化学反应裂缝引起的裂损。最近 20 年内对混凝土结构的实际调查发现，混凝土结构因化学裂损而引起的损坏或失效更加严重，应该引起关注。 概 述 腐蚀分类及材料损伤机理 建筑结构腐蚀破坏实例 被腐蚀建筑结构的修复 本章内容 思考题与习题 概 述 建筑结构中使用的混凝土、钢材、砖石等，在试用期间常常受到腐蚀性介质的腐蚀。如果建筑物在建造时对结构材料未采取防腐措施，或虽采取了防腐措施，但工程质量不佳，维护使用不当，使防腐措施失效，则腐蚀性介质就可能损坏建筑结构，甚至使其破坏，失去使用价值。 在工业建构筑物中，在海岸工程中，在盐渍土与矿化水地区的建构筑物中，建筑结构直接与气态、液态等外部腐蚀性介质接触，或者被产品和生产中排放的腐蚀性物质所污染，造成建筑结构的损伤或破坏。 在冶金、化工、造纸、食品及其他工业部门中，有 20% ～ 70% 的建构筑物常常受到各种腐蚀性介质的作用，引起结构材料的腐蚀。据一些国外专家的估计，由于混凝土和钢筋混凝土的腐蚀造成的经济损失约占国民收入的 1.25% 。这些经济损失中包括了修复或重建 建构筑物的工程造价及修复或重建期间生产中所造成的经济损失。 鉴于混凝土及钢筋混凝土建筑结构的广泛性及重要性，本章将着重讨论这类结构。腐蚀性介质对建筑结构的损伤实质上就是对构成结构的材料的损伤，所以我们集中讨论腐蚀性介质对水泥石及钢筋的腐蚀问题。 腐蚀分类及材料损伤机理 世界上有许多建筑构物已存在了几百年依然健在，而许多建筑物却仅仅使用几年后就遭到破坏，这样的事例不胜枚举。例如： 某一人造纤维厂的钢筋混凝土结构的酸泵房，在使用四年后就遭破坏； 某一大型石油化工联合企业，其用于安装设备的露天框架结构，投入使用几年就遭到破坏； 某海上建造的钢筋混凝土护堤，在使用 4 年～ 5 年后 , 因遭受海水作用而损坏； 一些桥墩混凝土因遭受含 1.8g/L ～ 2.3g/L 硫酸盐离子和 0.3g/L ～ 0.5g/L 镁离子的水浸蚀，很快就破坏； 在一座横跨盐渍土地带的桥梁附近，因盐水周而复始地浸蚀铁路路堤护坡混凝土护板 , 干、湿循环，结果使盐类在混凝土孔隙内结晶 , 造成护板的破坏； 兰州某化肥厂硝酸铵 ( 氮肥 ) 造粒塔周围的基座顶层混凝土 , 因硝酸铵颗粒吸收空气中水份潮解 , 渗入混凝土孔隙中 , 干燥后又结晶 , 将混凝土胀坏。 腐蚀分类及材料损伤机理 某一输水管道铺设在由矿化水所饱和的土壤中，矿化水中含有硫酸根离子 5g/L ～ 10g/L ，氧化物 2g/L ～ 6g/L ，镁 0.2g/L ～ 0.4g/L 。输水管由混凝土制成，因矿化水渗入管子的混凝土，使用不久，管子即遭受严重破坏。 某出租汽车停车场，在使用 10 年～ 12 年时，因受到氯化物的腐蚀，其肋型楼板中的 φ20 钢筋的点腐蚀深度达 2.4mm ，其极限强度比未受腐蚀部分的平均值低 14.8% 。 由此可见，环境介质与建构筑物材料之间的关系十分复杂。为研究方便起见，作者在前苏联学者 B.M. 莫斯科文将混凝土及钢筋的腐蚀分为三种基本类型的基础上，略作修改，补充细分为六种基本类型。 第一类：流动有压软水溶出性侵蚀。 水泥在水化过程中产生大量 Ca(OH)2 。密实性较差、渗透性较大的混凝土，在一定压力的流动软水作用下， Ca(OH)2 会不断溶出并流失。这一方面使水泥石变得孔隙增多，变得酥松；另一方面使水泥石的碱度降低。而水泥水化物如水化硅酸钙、水化铝酸钙等只有在一定的碱度环境中才能稳定存在。所以， Ca(OH)2 的不断溶出又导致其他水化物的分解熔融，最终使水泥石破坏。 腐蚀分类及材料损伤机理 随着 Ca(OH)2 的不断流失，混凝土的抗压强度不断下降。当以 CaO 计的 Ca(OH)2 溶出量为 25% 时，抗压强度将下降 35.8% ，溶出量更大，抗拉强度下降更大，最大达 66.4% 。 雨水、雪水、蒸馏水、工厂冷凝水及含重碳酸盐甚少的河水与湖水都属于软水。在流动及压力水作用下的软水才会引起水溶性侵蚀。这种腐蚀在多种建构筑物中都能看到。 在水与混凝土中水泥石接触后的干燥部位，如水渗透进混凝土或沿混凝土表面流动后并随之干燥，溶解在水中的 Ca(OH)2 与空气中的 CO2 作用碳化后生成 CaCO3 沉积下来，在混凝土表面生成白色沉淀物，引起腐蚀，这种现象是颇为常见的。 美国有一座堤坝建于 1900 年，被水强烈渗透。 1939 年修复该堤时，发现混凝土外部厚 12mm ～ 75mm 的外壳尚好，内部混凝土却已受到严重破坏，破坏层厚度达 1.5m 深的地方。看起来，水泥石几乎已全部被水淘空。因为施工时模板附近的混凝土捣得比较密实，而且表层混凝土受到碳化作用，减小了 Ca(OH)2 的熔蚀，所以保存了较好的一层外壳。内部却遭到破坏，这种隐蔽的破坏尤应注意。 腐蚀分类及材料损伤机理 如果由于温度变化造成裂缝或施工缝开裂、接缝质量低劣、沉降缝和温度缝有缺陷等原因产生了水在缝中的渗流，就容易产生水溶性侵蚀。 第二类：溶解性化学腐蚀。 溶解性化学腐蚀是指水泥石组分和酸或碱溶液发生化学反应引起的腐蚀。此种化学反应所生成的反应产物或是由于扩散原因易于溶解，或是被渗流水从水泥石结构中冲刷出，或是以非结晶体形式聚集，这种非结晶体无胶黏性，不会影响腐蚀破坏过程的进一步发展。换句话说，溶解于水中的酸类或盐类与水泥石中的 Ca(OH)2 起置换反应，生成易溶盐或无胶结性能的物质，使水泥石结构破坏，混凝土结构也就毁了。 最常见的这类腐蚀性酸性介质是碳酸、盐酸、硫酸、硝酸等无机酸及醋酸、甲酸、乳酸等有机酸。当环境水的 pH 值小于 6.5 时就会对混凝土造成酸腐蚀；最常见的碱性腐蚀介质是镁盐、苛性碱等。当碱的水溶液浓度大于 15% ，温度高于 50℃ 时，熔融状的碱会对混凝土造成碱腐蚀。要注意的是，苛性碱 NaOH 、 KOH 与水泥石中的组分发生化学反应后，在一种条件下可生成胶结性差、易于溶解的产物，发生溶解性化学蚀腐；在另一种条件下，则可产生结晶性的膨胀破坏，属下面要讲的第三类腐蚀。 腐蚀分类及材料损伤机理 兰州化学工业公司所属的兰州化肥厂及兰州橡胶厂是前苏联援建的两个项目，于 1955 年开工，分别于 1958 年及 1960 年先后建成投产。投产后没几年，对各有侵蚀性介质的工业建构筑物进行了调查，发现建构筑物的围护结构如墙壁、屋盖等遭受腐蚀的程度一般都较严重。这是因为围护结构处于许多不利因素作用下的缘故。建筑物内生产装置的腐蚀物质可以不同的状态排出：气态、液态、雾状、固体粉尘。液态的腐蚀性物就有工厂所泼洒出的酸、碱、盐溶液及含酸、碱、盐的污水，它们落在建筑结构上后，对不同材料就会造成不同程度的腐蚀。 例如，兰州化肥厂的稀硝酸车间，在投产 2 年后，于 1960 年接受检查，车间的钢筋混凝土屋面板已经遭受腐蚀。生产装置排出的氧化氮气体与车间空气中的水分结合后，由于车间温度低及屋面的隔热性能差，在屋面板内表面形成氧化氮气体的冷凝液腐蚀了混凝土。 腐蚀分类及材料损伤机理 第三类：膨胀性化学腐蚀。 当水泥石与含硫酸或硫酸盐的水接触时，可以产生体积增大许多倍的结晶体，将混凝土胀坏，产生膨胀性化学腐蚀；水泥的水化物遇到氢氧化钠溶液浸透又在空气中干燥时，氢氧化钠被空气中的 CO2 碳化，生成具有膨胀性的碳酸钠结晶，可胀裂水泥石。 第二类及第三类腐蚀有代表性的化学反应式，在作为大学本科土木建筑工程必修课的“建筑材料”或“工程材料”教材中都有较详细的表达，这里不再赘述。 在第一类和第二类腐蚀中，水泥石的破坏与水泥石的组分和水泥石组分与腐蚀性介质的反应产物的溶解性有关。而第三类腐蚀的初始阶段，由于结晶盐在混凝土孔隙中逐渐积聚而使混凝土更加密实。如果这个过程发展缓慢，则混凝土的空隙及孔洞会慢慢的被生成的结晶物所填充，似乎混凝土变得更密实，会让人产生一种错觉：混凝土的强度还会提高，更能使人迷惑。所以，第三类腐蚀的初始形式有时很难察觉，只有当持续发展下去，最后使混凝土开裂、破坏，人们才易发现。 腐蚀分类及材料损伤机理 在实际工程中，常常是第二种或第三种腐蚀情况会同时出现，但各种形式的破坏程度和性状并不相同。重要的是弄清哪一种类型的腐蚀起主导作用。 第四类：盐类潮解、渗透、干燥、结晶 —— 膨胀的物理破坏作用。有些盐类如硝酸铵、氯化钠 ( 食盐 ) 等，很容易吸收空气中的水分或周围的水分而溶解，溶解后渗入混凝土、砖等材料的孔隙中，干燥后盐会再结晶，膨胀压力可把材料胀裂，使材料酥松。 第五类：钢材的电化学腐蚀。 钢筋混凝土中的钢筋及钢结构的钢构件的化学腐蚀，是由于金属表面形成了原电池而产生的腐蚀。两种不同的金属置于电解质溶液中，由于电极电位不同，电子从易于失去电子的低电位金属流向难于失去电子的高电位金属，这样产生电流的装置叫做原电池。钢材属铁碳合金，其中还含有很多其他杂质元素，就合金而言，包括铁素体、渗碳体、珠光体等，这些不同的元素或组织的电极电位不同，电位低的失去电子，电位高的得到电子，此种化学反应的进行，就使金属产生腐蚀。阴极或负电位值小的部分得到保护，阳极或负电位值大的部分受到腐蚀。 腐蚀分类及材料损伤机理 当钢材处于潮湿空气中时，钢材表面会吸附一层薄水膜。当水中溶有 SO3 、 CO2 、灰尘等时，即成为电解质溶液，这样就在钢材表面形成无数微小原电池。如铁素体和渗碳体在电解质溶液中变成原电池的两极，铁素体活泼，易于失去电子，成为阳极；渗碳体成为阴极。在阳极区，铁被氧化成铁离子进入水膜。因为水中溶有来自空气中的氧，故在阴极区氧被还原成为 OH －离子。两者结合，形成不溶于水的 Fe(OH)2 ，并进一步氧化成疏松易剥落的红棕色铁锈 Fe(OH)3 。 电化学腐蚀是最重要的钢材腐蚀形式。钢材表面污染、粗糙、凹凸不平、应力分布不均，元素或金属组织之间的电极电位差别较大，以及温度和湿度变化均会加速电化学腐蚀。 腐蚀分类及材料损伤机理 第六类：钢材的化学腐蚀。 钢材的化学腐蚀是由于大气中的氧或工业废气中的硫酸气体、碳酸气体等与钢材表面作用引起的。化学腐蚀多发生在干燥空气中，可直接形成锈蚀产物，如疏松的氧化铁等，并无电流产生。氧化铁的体积大于母金属，所以，当钢筋混凝土构件中的钢筋生锈后，体积增大很多，在混凝土中产生内应力。此内应力大到可将钢筋混凝土顶裂，然后，钢筋与混凝土分离，钢筋与混凝土之间粘结破坏，对钢筋混凝土来说，这是致命的破坏。 钢筋混凝土构件因钢筋锈蚀而开裂，破坏的四个阶段，如图 9.1 所示。 图 9.1 钢筋腐蚀及混凝土破坏机理 腐蚀分类及材料损伤机理 钢筋混凝土中的钢筋由于受到水泥水化后所产生 Ca(OH)2 碱性薄膜的保护及保护层的保护，理应不受到化学腐蚀。但是由于混凝土碳化深入钢筋表面，由于混凝土质量低劣，由于环境恶劣或由于构件受力裂缝达到钢筋表面，钢筋受腐蚀在许多情况下仍是不可避免的。 实验表明，应力钢筋在电化学反应方面比无应力钢筋更活跃，所以腐蚀也就更强烈。 现根据文献，并由作者做了个别修改，补充后的混凝土与钢筋混凝土的腐蚀分类列于表 9-1 。表中所列碱 — 骨料反应可参见“建筑材料”或“工程材料”，不再赘述。 腐蚀过程性质 腐蚀种类 腐蚀过程 腐蚀定量鉴别用的参数 决定腐蚀过程动力学的因素 压力渗透 自由冲洗 物理化学过程：溶解结晶 一类 一～三类 无盐水的浸析 中性盐溶液的浸析 从混凝土中带出的水泥石溶解性组分的数量 内部扩散的速度 腐蚀性介质与水泥石组分的化学反应 三类 结晶 带入的腐蚀性组分数量或腐蚀性组分与水泥石相互作用产物的数量 毛细作用速度与表面蒸发速度之比 内部扩散的速度 三、二、一类 硫酸盐腐蚀 二类 酸腐蚀 与水泥石组分发生反应的腐蚀性组分的数量 渗透体积速度和水泥石被反应产物压实的过程 在反应产物层内的扩散速度 二类 氧化镁腐蚀 水泥石的电解 —— 电腐蚀 通过结构构件的电流量 电压、电流和混凝土的电 导率 表面活性物质 吸附 —— 固体物质表面能量的吸附和降低 水泥强度的降低 表面活性物质的浓度和受力状况 水泥石与料接触面上的物理化学过程 —— 活性氧化硅染料与碱性水泥相互作用 膨胀变形 反应组分之间的对比关系 —— 料中的白云石与碱金属的盐溶液相互作用 盐溶液干燥、结晶、膨胀的物理作用 四类 盐潮解、渗入材料、干燥、结晶、膨胀 膨胀变形 结晶物增长数量 钢筋腐蚀 五类 钢筋的电化学腐蚀 金属的腐蚀深度 控制：阳性、阴性、电阻 六类 钢筋的化学腐蚀 金属的腐蚀深度 钢筋的组分和结构，钢筋的受力状况及环境中的离子的含量 建筑结构腐蚀破坏实例 一 . 实例一 混凝土输水管道腐蚀破坏及自愈 在前苏联，为了向巴库城输送饮用水，于 1911 ～ 1917 年间建造了巴库至乌拉尔斯基的输水管道。管道截面为椭圆形，壁厚 25cm ，所用混凝土的配合比为 1∶2∶4 。水管管壁有一层厚 1cm 的 1∶3 水泥砂浆抹灰层， 1.5mm ～ 2mm 厚的水泥压光层。 开始时，输水管水流不满。沿输水管线路流动的地下水化学成份复杂，含有大量的硫酸镁、氧化镁和硫酸钠。沿输水管全长范围内的硫酸盐含量平均 200mg/L ～ 400mg/L 。由 于输水管内水不满，所以地下水会渗入不够密实的管壁。致使硫酸盐对水泥石的腐蚀而破坏混凝土。 该输水管道混凝土的破坏是在 1924 年首次发现的。为了寻找一个可靠的修复方法，对水管的破坏部位进行了反复研究，提出了一个输水时将管道完全充满的修复方法。经过一段时间后，原来地下水渗入管道内部的地方，减少或完全停止渗透。混凝土渗透部位的蜂窝逐渐被填塞密实，上面被碳酸钙层所覆盖。 建筑结构腐蚀破坏实例 这种现象可作如下解释：在输水管出水处，水的暂时硬度是 13.70H ，只要地下水通过管壁进入输水管道，硫酸盐就会腐蚀混凝土。但当水管内完全充满水后，水开始沿着破坏部位反向渗透，即由管内向管外渗透，每个碳酸氢盐分子在破坏部位都与水泥石中遇到的氢氧化钙起反应，生成两个分子的碳酸钙。碳酸钙沉积在渗透通道的孔壁上，逐渐填满通道，从而阻止了渗透。这个过程也就是混凝土“自封闭”或“自愈”。这种修复方法是个很巧妙的方法。 二 . 实例二 国内某冶金工厂酸洗车间建筑物腐蚀破坏 冶金工厂因需要在钢管、冷轧钢材生产过程中采用酸性工艺清理钢材内外表面氧化物。酸洗所用的主要是硫酸或盐酸。 建筑结构腐蚀破坏实例 1. 厂房损坏原因 (1) 酸洗设备简陋，生产秩序混乱。酸洗时，大量酸液从酸洗槽内溢出，冲洗水水量很大，每小时达 40m3 。大量带酸的废水通过已损坏的耐酸地坪、排水沟、下水道渗入地下，地下水严重污染。 (2) 耐酸地坪强度及防腐材料性能达不到工程要求，因此，地面破损，缝隙较多，酸水容易渗入地面及地下。 (3) 酸雾腐蚀。酸洗吸风装置被损坏，酸洗时往往为提高酸洗效率，便提高酸洗水溶液温度达 70˚C ～ 80˚C ，造成大量酸雾污染环境，腐蚀厂房。 2. 厂房损坏情况 (1) 耐酸地坪损坏严重； (2) 基础、地基土持力层严重腐蚀：基础混凝土腐蚀速度平均为每年 1cm ～ 2cm ； “工”字型柱的翼缘和腹板一般在 10 年左右，钢筋即全部受腐蚀，钢筋混凝土失去原有承载能力。在 2m ～ 3m 深范围内的地基土承载能力大幅下降。 (3) 在屋架及屋面板上积聚的酸雾冷凝液对抗裂能力差、截面较小的钢筋混凝土构件造成程度不同的损坏。 (4) 因地基土已经腐蚀严重，承载力减小太大，最后只好将厂房推倒重建。 建筑结构腐蚀破坏实例 三 . 实例三 美国佛罗里达某公寓阳台的腐蚀破坏 这是位于海边的两栋 12 层钢筋混凝土结构公寓，临海一面带有通长的预应力钢筋混凝土悬挑阳台。背海一面则为非预应力的普通钢筋混凝土阳台。普通钢筋混凝土阳台基本完好无损，受到严重腐蚀破坏的是预应力钢筋混凝土阳台。预应力筋的截面锈损率竟达 50% ，尤以预应力端锚点处的锈损最为严重。经对混凝土取样进行氯化合物检测，发现氯化合物含量竟达混凝土质量的 0.70% ，高出规范限额的 10 倍～ 20 倍，说明了问题的严重性。这一案例也说明，预应力结构的抗化学腐蚀能力更低。宜倍加注意。 四 . 实例四 水工建筑物的钢筋锈蚀 河海大学等单位在浙东沿海调查了 22 个水工建筑物的 967 根构件，发现有 538 根构件 ( 占总数的 56%) 因受钢筋锈蚀导致顺钢筋的开裂破坏； 1981 年南京水利科学研究院对我国华南地区的 18 座码头进行了调查，这些码头使用期只有 7 年～ 15 年，但大量码头面板及横梁都因钢筋锈蚀发生混凝土顺钢筋的纵向裂缝，其中完好的仅 2 座；日本冲绳地区 177 座桥梁和 672 栋房屋的调查表明，桥面板和梁的损坏率达 90% 以上，校舍等一类民用建筑损坏率也在 40% 以上。这是因为混凝土采用海砂为细骨料，使钢筋锈蚀而导致的后果。 被腐蚀建筑结构的修复 对有遭受腐蚀危险的建构筑物，必须进行持续的、定期的、由专人负责的仔细观察。发现有腐蚀迹象，必须立即采取措施，阻断腐蚀来源；发现有腐蚀破坏，必须很快修复，以防腐蚀扩大到构件的其他部位或其他构件。 在化工等企业的建构筑物中进行修复工作常常是个很复杂的过程，具有许多特点。进行修复工作时，防腐措施的选择必须考虑主要防腐覆盖层破坏的程度及结构表面是否有局部破坏。临时的修缮工作必须在很短的时间内进行，不得因修缮而影响生产工艺过程。 修复工作进行前，必须对要修复的建筑结构及其防腐保护层进行仔细的调查以确定破坏的原因、性质及破坏部分的大小范围及尺寸。只有在深入调查的基础上才能选择正确的防腐手段及修复方法。 被腐蚀建筑结构的修复 最经常要做的事情是对重要的地下结构 —— 基础进行技术检查。因为基础的破坏会给整个建构筑物造成威胁。直接在酸作用区域内的建筑物及重要设备的基础要按顺序每年检查一次；在腐蚀性地下水作用下的建构筑物基础则应一年半检查一次；在地下水位以上的基础， 3 年～ 4 年检查一次；尺寸不大的、小建筑物及设备基础， 5 年检查一次。酸生产设备基础地上部分的顶面及侧面，则应每 6 个月检查一次。 墙、楼盖、地面及其他建筑结构的技术检查每年不得少于二次。对溢水及排水设备的地面及直接遭受高浓度酸或碱溶液溅落的墙段必须进行十分仔细的技术检查。对建筑物的门窗洞口及突出部分 ( 屋檐、柱脚等 ) 也应作仔细技术检查。 修缮建筑结构遭腐蚀部分时，首先必须仔细地清理其表面。可以用机械的方法或化学的方法来清理，可以用湿法清理或用蒸汽清理。 被腐蚀建筑结构的修复 建筑结构表面机械清理，可以用电动工具、气动工具、喷砂设备及带软轴和金属刷子的手工清理工具。机械清理法使用于清理混凝土、钢筋混凝土、粉刷层，特别是金属表面。用喷砂设备清理时，被清理表面必须是干燥的。 化学清理方法要选用相应的溶液。遭受碱侵蚀的地方要用酸溶液清洗，而遭受酸侵蚀的地方则需要用碱溶液或石灰溶液清洗。要处理的表面经化学清洗后必须用清洁的水冲洗。为清除老化的涂料，可使用溶剂如松节油、苯或其他挥发性溶剂的抹布擦洗。 可使用压力不大的消防水龙带冲洗表面仅受到酸或碱溶液轻微作用的构件。 蒸汽清理主要使用于除去混凝土或钢筋混凝土表面上的脏污以及松软细小的破碎混凝土颗粒。 不论用何种方法清理，在设置新的混凝土或其他防腐保护层之前，清理过的表面必须使之干燥，干燥到湿度在 5% ～ 7% 之间。 要修复的建筑结构构件经清理到合格后，其他的修复方法就与构件受力破坏后的处理方法一样了。 思考题与习题 1. 建筑结构化学腐蚀可分哪几类？其腐蚀机理如何？ 2. 当前我国建筑结构在化学腐蚀方面面临的最大问题是什么？如何开展盐渍土环境下建筑结构的防腐蚀研究工作？ 3. 试举化学腐蚀工程事故一例？ 4. 一般的建筑结构钢筋锈蚀与化学腐蚀的性质有何相似之处？