不同电力管廊环境下钢筋锈蚀机理探究

摘    要：　针对钢筋混凝土电力管廊结构耐久性设计及施工现状, 从结构材料层次上, 分别对影响混凝土结构耐久性的主要因素进行逐一分析, 并与国家现行规范[1-2]对比, 为今后电力管廊结构的耐久性设计及施工提供一种思路。

　　关键词：　耐久性; 电力管廊; 钢筋混凝土结构; 环境类别;

　　混凝土电力管廊耐久性是一个综合性问题, 由环境、材料、构件、结构4个层次的多种因素[3]造成, 材料因素首当其冲。不少国内外耐久性设计规范和规程都按环境类别及环境作用等级对混凝土结构材料进行了规定, 本文主要针对混凝土碳化[4]、碱-集料反应、氯盐环境下钢筋锈蚀机理等方面分别进行分析, 为钢筋混凝土电力管廊结构耐久性设计及施工提供一种思路。

　　1、 一般环境混凝土碳化

　　混凝土碳化是指在一般环境大气中的CO2或某些酸性气体与暴露在空气中的混凝土接触并且不断向混凝土内部扩散, 与其中碱性水化物反应的一个很复杂的多相物理化学过程, 碳化会降低混凝土结构的碱度, 破坏钢筋表面的致密的钝化膜, 使钢筋失去钝化膜的保护而锈蚀, 而钢筋锈蚀又将导致混凝土保护层开裂、钢筋与混凝土之间的粘结力破坏、结构耐久性降低等不良后果。另外, 碳化使混凝土变脆, 构件延性降低。影响碳化的主要因素是混凝土本身的密实性和碱性程度, 此外还有一些环境温度、湿度、二氧化碳浓度有关。混凝土碳化过程的主要化学反应如下:

　　一般认为, 碳化对混凝土本身没有太多的危害, 相反会使混凝土强度提高。但是碳化会加剧混凝土的收缩, 使混凝土表面产生拉应力而出现微裂纹, 降低混凝土抗拉、抗折强度及抗渗能力。

　　碳化腐蚀耐久性作为电力管廊混凝土结构设计的基本要求之一, 结构设计阶段应首先对腐蚀性环境等级做出正确的判断并明确环境作用等级。再根据结构所处的不同环境类别、环境作用等级与结构的设计使用年限, 确定混凝土材料耐久性的主要技术要求, 包括:混凝土原材料的选用要求 (水泥、矿物掺和料、骨料以及化学外加剂的品种与质量等) , 混凝土的最低强度等级, 最大水胶比和胶凝材料的最小用量等, 50年设计使用年限的电力管廊结构材料规定见表1。

　　2、 氯盐环境下钢筋腐蚀

　　氯化物环境是福建省内电力管廊工程地质条件下较为常见的一种腐蚀性环境[5], 沿海城市受海水补给影响的地区, 往往存在氯盐腐蚀, 尤其是在一些临海而建的电厂或变电站送出的输变电线路工程常见该类型的腐蚀。

　　表1 摇一般环境管廊结构规定

　　钢筋混凝土中的钢筋锈蚀是一个电化学反应过程。通常情况下, 混凝土孔隙中充满着氢氧化钙的过饱和溶液, 所以混凝土具有很强的碱性, pH值一般在12以上。在这样的强碱环境中, 混凝土和钢筋之间会形成1层钝化膜, 对钢筋起到保护作用。但是由于混凝土的碳化及氯离子的侵蚀等作用, 钝化膜受到破坏, 引起钢筋锈蚀。锈蚀产物体积膨胀, 对周围混凝土产生压应力, 使混凝土产生顺钢筋裂缝, 引起混凝土保护层剥落, 而保护层剥落又会和裂缝进一步引起钢筋锈蚀。钢筋锈蚀后, 除了有效面积减小、屈服强度下降等变化外, 其与混凝土的粘结性能也会发生变化。随着钢筋锈蚀量的增加, 变形钢筋与混凝土的粘结强度比先期略有增加, 而后期则有较大幅度的衰退。钢筋与混凝土之间粘结强度的衰退, 使得钢筋的强度不能被全部利用, 从而与其他因素一起影响混凝土之间粘结强度和承载力, 构件刚度有所减小, 变形增大;横向裂缝表现为间距增大, 裂缝变宽, 从而使构件的适用性降低, 甚至可能导致混凝土结构破坏。

　　作为混凝土结构耐久性最为重要的内容, 氯盐腐蚀耐久性设计除了考虑混凝土材料与钢筋的保护层最小厚度外, 一般还根据针对不同的腐蚀性情况, 适量掺入一些阻锈剂, 阻锈剂的掺和量应以试验为准, 氯盐环境下电力管廊结构材料规定, 见表2。

　　3 、冻融环境下管廊结构破坏

　　电力管廊混凝土结构冻融破坏研究目前还处于空白阶段, 但在蓄水电站、码头、船坞、防波堤等港工建筑物钢筋混凝土冻害早有研究[6], 主要理论有渗透压及静水压理论[3]。但是鉴于混凝土结构冻融的复杂性, 目前还没有一种公认的混凝土冻融破坏理论。

　　表2 摇氯盐环境管廊结构规定

　　混凝土是由砂、石子、水泥、水等组成的多相微孔隙混合料, 在拌制混凝土过程中, 为了得到一定和易性及强度的混凝土, 我们需要进行混凝土配合比设计, 其中水是影响和易性的主要材料。一部分水参与了化学反应;一部分水则以游离的方式存在于混凝土孔隙中, 并且具有一定的体积。这种存在于混凝土孔隙中的游离水是造成混凝土结构冻融破坏的主要因素。因为水在遇冷结冰的情况下会发生体积膨胀, 引起管廊混凝土结构的破坏。

　　进一步研究表明:一般情况下毛细孔游离水不至于使混凝土结构发生冻融破坏, 只有当孔隙水处于饱和状态时才会发生冻融破坏, 处于饱和状态的混凝土毛细孔水压力, 在反复冻融的环境下, 混凝土毛细孔内壁会受到冻融膨胀力;当这种膨胀力超过混凝土的抗拉强度时, 混凝土将会发生破坏开裂, 且裂缝会在反复膨胀力作用下贯通, 使混凝土强度损失, 最终造成电力管廊结构的完全破坏。

　　针对混凝土反复冻融环境下的破坏机理, 常见的预防措施有掺入减水剂、引气剂、控制水灰比、提高混凝土密实度、加强早期养护或渗入防冻剂等, 对应国家规范也有相应的规定, 见50年设计使用年限下, 冻融环境下电力管廊结构材料规定, 见表3。

　　表3 摇冻融环境管廊结构规定

　　注:下标a表示引气混凝土。

　　4、 混凝土碱-集料反应

　　碱-集料反应是指混凝土中的碱与集料 (水泥、沙、石、外加剂、混合料等) 中的活性物资之间发生的破坏性化学反应, 严重影响混凝土的耐久性。该反应不同于其他几类材料因素, 且破坏是整体式的, 目前还没有有效的修补方法。由于混凝土碱-集料反应无法被有效阻止, 故而行业内也称之为混凝土癌症。

　　关于碱-集料反应机理, 国内外早有相关研究[7], 主要是由于混凝土原材料中碱含量及混凝土碱活性物质的存在。混凝土中主要的原材料水泥在生产煅烧过程中会产生七八种金属氧化物, 其中氧化钠及氧化钾水化后容易生产氢氧化钠及氢氧化钾等碱性物质。该碱性物质与混凝土中见活性物质发生化学反应, 严重影响混凝土耐久性。目前国内《混凝土结构设计规范》中已有明确条文规定, 不同的环境类别需限制水泥中碱含量。

　　另外混凝土中碱活性物质主要是骨料中的活性二氧化硅。这些活性的二氧化硅与混凝土中的碱发生反应, 产生一种叫做碱硅酸盐凝胶的物质。碱硅酸盐凝胶有强吸水性, 吸水后体积可以提高3倍, 造成混凝土膨胀开裂;开裂后容易引起其他腐蚀性物质进入电力管廊结构内部, 进一步影响管廊结构的耐久性。

　　关于碱活性物质目前发现的除活性二氧化硅外, 还有一些活性的碳酸钠, 总之引起碱集料反应的因素众多, 目前也处于研究探索阶段。

　　5、 结论与展望

　　(1) 一般环境下电力管廊的耐久性设计主要考虑混凝土的碳化作用引起钢筋的锈蚀。通过控制混凝土原材料, 包含混凝土强度、最大水胶比、保护层厚度等来控制。当管廊结构同时承受其他作用环境时, 应按环境作用等级较高的要求进行耐久性设计。

　　(2) 氯盐腐蚀是滨海环境下电力管廊结构的最主要腐蚀形式。从腐蚀机理上分析, 主要是对钢筋混凝土中的钢筋造成腐蚀, 设计及施工可采取加强混凝土保护层的控制及添加钢筋阻锈剂等措施。

　　(3) 冻融环境下电力管廊结构破坏主要原因是管廊混凝土内部存在游离的孔隙水。当孔隙水处于饱和状态时发生的一种结构整体式膨胀破坏。针对破坏机理, 在进行混凝土配合比设计时可针对性的掺入减水剂、引气剂、控制水灰比、提高混凝土密实度、加强早期养护或渗入防冻剂等措施。

　　(4) 碱-集料反应是影响钢筋混凝土电力管廊耐久性的主要因素之一。目前国内标准对这方面的规定比较少, 仅《混凝土结构设计规范》中有提及在使用碱活性骨料时, 应对混凝土的碱含量作了限制。今后应从影响碱-集料反应的影响因素上进一步研究改反应的耐久性机理, 为工程实际提供可靠依据。

　　参考文献

　　[1] GB/T 50476—2008, 混凝土结构耐久性设计规范[S].
　　[2] GB/T 50046—2018, 工业建筑防腐蚀设计标准[S].
　　[3] 金伟良, 赵羽习.混凝土结构耐久性研究的回顾与展望[J].浙江大学学报, 2002.36 (4) :371-378.
　　[4] 易成, 刘燕, 安新正.混凝土耐久性评价体系的缺陷与解决途径[J].混凝土, 2008 (11) :32-33.
　　[5] 洪乃丰.氯盐腐蚀与钢筋阻锈剂[J].混凝土, 2004 (1) :58-60.
　　[6] 王增忠.混凝土冻融环境区划与抗冻性寿命预测[J].浙江大学学报, 2012, 46 (4) :650-656.
　　[7] 王增忠.混凝土碱集料反应及耐久性研究[J].混凝土, 2001 (8) :16-17.