評價土水對建筑材料的腐蝕性
吳新華

建筑設(shè)計,理工論文,高級工程師職稱評審
1 腐蝕機制
1•1 混凝土的腐蝕
混凝土的化學(xué)腐蝕包括分解類腐蝕和結(jié)晶類腐蝕。分解類腐蝕有溶出型腐蝕、酸型腐蝕、碳酸型腐蝕、鎂離子型腐蝕等；結(jié)晶類腐蝕主要指硫酸鹽的腐蝕。
溶出型腐蝕：當混凝土與液體介質(zhì)接觸時，溶解在水中的CH碳化后生成碳酸鈣，在混凝土表面生成白色沉淀物。低堿度軟水易將水泥中的石灰質(zhì)溶出，產(chǎn)生溶出型腐蝕。
酸型腐蝕：H+首先與水泥中的CH反應(yīng)，然后與水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣反應(yīng)，生成鈣鹽。腐蝕快慢主要取決于反應(yīng)產(chǎn)物的可溶性，可溶性高，被帶走多，則腐蝕快；反應(yīng)產(chǎn)物難溶，在混凝土表面沉淀，減緩介質(zhì)向混凝土內(nèi)部滲透，腐蝕慢。
碳酸型腐蝕是：水中CO2超過H+、HC03-、CO2-3平衡需要的量，多余的CO2就是侵蝕性CO2。侵蝕性CO2含量越高，酸性越強，腐蝕速度越快。
鎂鹽和銨鹽的腐蝕是一種分解型腐蝕，Mg2+將水泥石中Ca(OH)2的Ca2+置換出來，生成Mg(OH)2沉淀。由此造成水泥石中水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣水解而腐蝕混凝土。
結(jié)晶類腐蝕是：硫酸鹽與水泥石中的游離CH和C3 A水化物反應(yīng)生成硫鋁酸三鈣（鈣礬石），體積增大，產(chǎn)生巨大的膨脹壓力，導(dǎo)致混凝土開裂破壞。硫酸鹽與水泥石中的CH反應(yīng)生成石膏晶體，體積增加一倍，并使堿度降低。鈣礬石膨脹劇烈，石膏膨脹較為緩和。
1•2混凝土中鋼筋的腐蝕
金屬的腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕。當金屬處于電解質(zhì)溶液中并存在不平衡電極時，即構(gòu)成腐蝕電池，電極電位較低一極，失去電子，離子化進入溶液、氧化，陽極發(fā)生腐蝕；電極電位較高一極，吸收電子，析出單質(zhì)，還原，陰極結(jié)晶或生成氣體逸出。介質(zhì)的PH提高，可進入鈍化區(qū)；PH值降低，可進入腐蝕區(qū)。
1•3 土中鋼鐵結(jié)構(gòu)的腐蝕
混凝土中的鋼筋有保護層，土中的鋼鐵結(jié)構(gòu)直接與土接觸，土的物理化學(xué)性質(zhì)存在很大差異，溫度和濕度隨時間變化，又有微生物和雜散電流的作用，土的腐蝕行為是非常復(fù)雜的問題。
對于多數(shù)土，土中水豐富時，陽極離子化的條件具備，腐蝕能否進行取決于陰極的去極化，去極化才能使腐蝕繼續(xù)進行。
對疏松干燥的土，氧的滲透率較大，金屬陽極的離子化有水才能發(fā)生，極干的土腐蝕作用無法進行，腐蝕受濕度控制；
對長距離宏觀電池，如管道交替經(jīng)過氧滲透率不同的土，電阻起控制作用。距離越長電阻因素越明顯。
土中金屬一般采用防腐涂層和陰極保護聯(lián)合防護，涂層的作用是將金屬表面與土介質(zhì)隔離，以阻礙金屬表面的微電池腐蝕。陰極保護包括犧牲陽極保護和外加電流陰極保護。
2 認識環(huán)境的復(fù)雜性
2•1 腐蝕介質(zhì)和腐蝕途徑的多樣性
水和土中的腐蝕是多種并存。在多腐蝕介質(zhì)、多種腐蝕途徑同時存在的條件下，應(yīng)采用綜合評價方法，一般選擇在發(fā)展過程中腐蝕速度最快，腐蝕強度最大的腐蝕類型作為綜合評價結(jié)果。
多種腐蝕介質(zhì)可相互作用并存，一般會加強腐蝕性，但也有相反。例如氯離子的存在可抑制硫酸根離子的腐蝕。
腐蝕性的強度直接取決于介質(zhì)濃度，在自然界中，濃度是可變的。水在運動中不斷改變腐蝕介質(zhì)的濃度。環(huán)境濕度變化對混凝土結(jié)構(gòu)的影響很大，干濕交替對防腐蝕非常不利。
氣候環(huán)境對腐蝕的影響很大，氣候干燥，蒸發(fā)量大，混凝土表面水分很快揮發(fā)而使介質(zhì)濃度增大，加速腐蝕反應(yīng)，濕潤氣候則相反。冰凍和凍融循環(huán)會嚴重腐蝕混凝土，冰凍和凍融循環(huán)會加劇對混凝土的化學(xué)腐蝕。
混凝土結(jié)構(gòu)長期埋在地下水位以上的土中，或者長期埋在地下水位以下的土中，無干濕交替作用，無凍觸循環(huán)，這種環(huán)境最不利于硫酸鹽腐蝕的發(fā)生，這是良好的防腐環(huán)境。黃土地區(qū)地下水位很深，濕度很小，即使土中含有腐蝕介質(zhì)，腐蝕作用也不易發(fā)生。
2•2 鋼鐵腐蝕因素的復(fù)雜多變性
土中鋼鐵結(jié)構(gòu)腐蝕的影響因素非常復(fù)雜，多種因素相互作用，弄清規(guī)律相當困難，大致歸納如下：
一是土的導(dǎo)電性：對宏觀腐蝕電池，腐蝕受電阻控制。導(dǎo)電性越強腐蝕速度越快。土的導(dǎo)電性主要與土的成分、含鹽量、濕度及溫度等有關(guān)；
二是土的含氧量：氧有雙重作用，一方面鋼鐵的鈍化需要氧，有利于保護鋼鐵免遭腐蝕；另一方面亦可促進陰極去極化反應(yīng)，不利于保護鋼鐵。
三是土的PH值：鋼鐵表面的鈍化膜溶于酸而不溶于堿，故酸性土腐蝕性較量，而中性和堿性土影響不大；
四是土中鹽分：鹽除了影響土的導(dǎo)電性外，還參與電化學(xué)反應(yīng)。一般含鹽量越高，腐蝕性越強由于埋在土中鋼鐵沒有混凝土保護， SO42-對鋼鐵腐蝕也有促進作用；CaCO3與土顆粒結(jié)合有抑制電化學(xué)反應(yīng)的作用；
五是土的濕度：土的含水量極低時，腐蝕的化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)不能進行，隨著含水量的提高，鹽分溶解，電阻降低，腐蝕性加強。土的含水量是變化的，干濕交替使土的腐蝕性加�。�
六是土中細菌：鋼鐵在土中腐蝕，如有硫酸根還原菌活動，則消耗鋼鐵表面的氫，促進陰極反應(yīng)，加速腐蝕；
七是雜散電流：指大小和方向不固定的電流，包括直流電和交流電，來源有電車、電氣化鐵路、地下電纜漏電及電解電鍍車間等。雜散電流造成的腐蝕可能非常嚴重，壁厚8~9mm的鋼管可能幾個月內(nèi)穿孔。
3 經(jīng)驗與規(guī)范結(jié)合
3•1關(guān)于地域性經(jīng)驗
混凝土和鋼結(jié)構(gòu)腐蝕根據(jù)影響腐蝕的主要因素進行腐蝕性分級，根據(jù)分級采取措施。
土中鋼鐵的腐蝕電池效應(yīng)一般容易形成。存在大量氯離子和硫酸根離子有利去鈍化，氧的充分供應(yīng)和硫酸鹽還原菌的存在有利于去極化，對鋼鐵的保護都是不利的。土質(zhì)疏松，透氣性好，有機質(zhì)含量高，長期漬水，有硫化物存在，則可能存在硫酸鹽還原菌腐蝕。雜填土中含有煤屑、煤灰、硫化物時，可能對鋼鐵產(chǎn)生強腐蝕。中堿性土，特別是含Ca2+和HCO3-中堿性土，有利于鋼鐵的耐腐蝕，酸性土則相反。鋼鐵管道通過含氣率差異、濕度差異的不同土質(zhì)時，應(yīng)注意不同的氧化還原電位可能產(chǎn)生的宏觀電池腐蝕。
通過場地調(diào)查，根據(jù)經(jīng)驗，對水和土是否存在腐蝕性到及可能腐蝕類型和腐蝕強度可以做出初步的判斷。
3•2 現(xiàn)場調(diào)查
水和土作為混凝土或鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕環(huán)境，情況復(fù)雜，評價時應(yīng)首先調(diào)配場地條件，在此基礎(chǔ)上再取樣試驗，作出最終評價。場地調(diào)查的主要內(nèi)容有：
（1）氣候是影響腐蝕的重要因素，干旱和高寒氣候極為不利。調(diào)查時應(yīng)了解場地屬于濕潤地區(qū)還是干旱區(qū)，了解干旱區(qū)的降水量、蒸發(fā)量和干燥度指數(shù)及高寒區(qū)的海拔高程、凍結(jié)深度、日最大溫差和凍融循環(huán)次數(shù)等；
（2）調(diào)查土質(zhì)，應(yīng)特別注意是否為酸性土，鹽漬土，土中是否含有機物，硫化物、煤灰以及石膏、芒硝等鹽類，研究鹽類成分、含量及其腐蝕性的關(guān)系；
（3）在調(diào)查地下水時，應(yīng)注意地層透水性、地下水類型、補給來源、水位及其波動范圍，毛細水上升高度，研究地下水活動與腐蝕介質(zhì)運移關(guān)系
（4）在調(diào)查環(huán)境污染時，應(yīng)注意堆煤場、廢石場、尾礦場及工業(yè)廢水等對場地水和土腐蝕的影響；
（5）調(diào)查和分析當?shù)鼗炷�土和鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕情況和防腐蝕經(jīng)驗。
3•3 綜合分析
存在多種腐蝕介質(zhì)時，根據(jù)規(guī)范如何抓住主要矛盾，提出可供設(shè)計使用的腐蝕強度等級；在場地調(diào)查和腐蝕指標測試的基礎(chǔ)上，結(jié)合當?shù)毓こ探?jīng)驗，進行綜合評價。
4 摒棄盲目 回歸理性
巖土工程師應(yīng)深入了解腐蝕機理，了解水土環(huán)境的復(fù)雜多變性，了解規(guī)范存在一定的局限性；應(yīng)注意場地的調(diào)查研究，注意當?shù)亟?jīng)驗的調(diào)查研究，注意數(shù)據(jù)和資料的積累。工程師的思維和行為應(yīng)當是科學(xué)的、理性的，任何判斷、評價、設(shè)計、施工等等，都既要遵守規(guī)范，又要了解其中的科學(xué)原理。讓我們摒棄盲目，回歸理性！

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