评价土水对建筑材料的腐蚀性

建筑设计,理工论文,高级工程师职称评审
1 腐蚀机制
1•1 混凝土的腐蚀
混凝土的化学腐蚀包括分解类腐蚀和结晶类腐蚀。分解类腐蚀有溶出型腐蚀、酸型腐蚀、碳酸型腐蚀、镁离子型腐蚀等；结晶类腐蚀主要指硫酸盐的腐蚀。
溶出型腐蚀：当混凝土与液体介质接触时，溶解在水中的CH碳化后生成碳酸钙，在混凝土表面生成白色沉淀物。低碱度软水易将水泥中的石灰质溶出，产生溶出型腐蚀。
酸型腐蚀：H+首先与水泥中的CH反应，然后与水化硅酸钙和水化铝酸钙反应，生成钙盐。腐蚀快慢主要取决于反应产物的可溶性，可溶性高，被带走多，则腐蚀快；反应产物难溶，在混凝土表面沉淀，减缓介质向混凝土内部渗透，腐蚀慢。
碳酸型腐蚀是：水中CO2超过H+、HC03-、CO2-3平衡需要的量，多余的CO2就是侵蚀性CO2。侵蚀性CO2含量越高，酸性越强，腐蚀速度越快。
镁盐和铵盐的腐蚀是一种分解型腐蚀，Mg2+将水泥石中Ca(OH)2的Ca2+置换出来，生成Mg(OH)2沉淀。由此造成水泥石中水化硅酸钙、水化铝酸钙水解而腐蚀混凝土。
结晶类腐蚀是：硫酸盐与水泥石中的游离CH和C3 A水化物反应生成硫铝酸三钙（钙矾石），体积增大，产生巨大的膨胀压力，导致混凝土开裂破坏。硫酸盐与水泥石中的CH反应生成石膏晶体，体积增加一倍，并使碱度降低。钙矾石膨胀剧烈，石膏膨胀较为缓和。
1•2混凝土中钢筋的腐蚀
金属的腐蚀主要是电化学腐蚀。当金属处于电解质溶液中并存在不平衡电极时，即构成腐蚀电池，电极电位较低一极，失去电子，离子化进入溶液、氧化，阳极发生腐蚀；电极电位较高一极，吸收电子，析出单质，还原，阴极结晶或生成气体逸出。介质的PH提高，可进入钝化区；PH值降低，可进入腐蚀区。
1•3 土中钢铁结构的腐蚀
混凝土中的钢筋有保护层，土中的钢铁结构直接与土接触，土的物理化学性质存在很大差异，温度和湿度随时间变化，又有微生物和杂散电流的作用，土的腐蚀行为是非常复杂的问题。
对于多数土，土中水丰富时，阳极离子化的条件具备，腐蚀能否进行取决于阴极的去极化，去极化才能使腐蚀继续进行。
对疏松干燥的土，氧的渗透率较大，金属阳极的离子化有水才能发生，极干的土腐蚀作用无法进行，腐蚀受湿度控制；
对长距离宏观电池，如管道交替经过氧渗透率不同的土，电阻起控制作用。距离越长电阻因素越明显。
土中金属一般采用防腐涂层和阴极保护联合防护，涂层的作用是将金属表面与土介质隔离，以阻碍金属表面的微电池腐蚀。阴极保护包括牺牲阳极保护和外加电流阴极保护。
2 认识环境的复杂性
2•1 腐蚀介质和腐蚀途径的多样性
水和土中的腐蚀是多种并存。在多腐蚀介质、多种腐蚀途径同时存在的条件下，应采用综合评价方法，一般选择在发展过程中腐蚀速度最快，腐蚀强度最大的腐蚀类型作为综合评价结果。
多种腐蚀介质可相互作用并存，一般会加强腐蚀性，但也有相反。例如氯离子的存在可抑制硫酸根离子的腐蚀。
腐蚀性的强度直接取决于介质浓度，在自然界中，浓度是可变的。水在运动中不断改变腐蚀介质的浓度。环境湿度变化对混凝土结构的影响很大，干湿交替对防腐蚀非常不利。
气候环境对腐蚀的影响很大，气候干燥，蒸发量大，混凝土表面水分很快挥发而使介质浓度增大，加速腐蚀反应，湿润气候则相反。冰冻和冻融循环会严重腐蚀混凝土，冰冻和冻融循环会加剧对混凝土的化学腐蚀。
混凝土结构长期埋在地下水位以上的土中，或者长期埋在地下水位以下的土中，无干湿交替作用，无冻触循环，这种环境最不利于硫酸盐腐蚀的发生，这是良好的防腐环境。黄土地区地下水位很深，湿度很小，即使土中含有腐蚀介质，腐蚀作用也不易发生。
2•2 钢铁腐蚀因素的复杂多变性
土中钢铁结构腐蚀的影响因素非常复杂，多种因素相互作用，弄清规律相当困难，大致归纳如下：
一是土的导电性：对宏观腐蚀电池，腐蚀受电阻控制。导电性越强腐蚀速度越快。土的导电性主要与土的成分、含盐量、湿度及温度等有关；
二是土的含氧量：氧有双重作用，一方面钢铁的钝化需要氧，有利于保护钢铁免遭腐蚀；另一方面亦可促进阴极去极化反应，不利于保护钢铁。
三是土的PH值：钢铁表面的钝化膜溶于酸而不溶于碱，故酸性土腐蚀性较量，而中性和碱性土影响不大；
四是土中盐分：盐除了影响土的导电性外，还参与电化学反应。一般含盐量越高，腐蚀性越强由于埋在土中钢铁没有混凝土保护， SO42-对钢铁腐蚀也有促进作用；CaCO3与土颗粒结合有抑制电化学反应的作用；
五是土的湿度：土的含水量极低时，腐蚀的化学和电化学反应不能进行，随着含水量的提高，盐分溶解，电阻降低，腐蚀性加强。土的含水量是变化的，干湿交替使土的腐蚀性加剧；
六是土中细菌：钢铁在土中腐蚀，如有硫酸根还原菌活动，则消耗钢铁表面的氢，促进阴极反应，加速腐蚀；
七是杂散电流：指大小和方向不固定的电流，包括直流电和交流电，来源有电车、电气化铁路、地下电缆漏电及电解电镀车间等。杂散电流造成的腐蚀可能非常严重，壁厚8~9mm的钢管可能几个月内穿孔。
3 经验与规范结合
3•1关于地域性经验
混凝土和钢结构腐蚀根据影响腐蚀的主要因素进行腐蚀性分级，根据分级采取措施。
土中钢铁的腐蚀电池效应一般容易形成。存在大量氯离子和硫酸根离子有利去钝化，氧的充分供应和硫酸盐还原菌的存在有利于去极化，对钢铁的保护都是不利的。土质疏松，透气性好，有机质含量高，长期渍水，有硫化物存在，则可能存在硫酸盐还原菌腐蚀。杂填土中含有煤屑、煤灰、硫化物时，可能对钢铁产生强腐蚀。中碱性土，特别是含Ca2+和HCO3-中碱性土，有利于钢铁的耐腐蚀，酸性土则相反。钢铁管道通过含气率差异、湿度差异的不同土质时，应注意不同的氧化还原电位可能产生的宏观电池腐蚀。
通过场地调查，根据经验，对水和土是否存在腐蚀性到及可能腐蚀类型和腐蚀强度可以做出初步的判断。
3•2 现场调查
水和土作为混凝土或钢结构的腐蚀环境，情况复杂，评价时应首先调配场地条件，在此基础上再取样试验，作出最终评价。场地调查的主要内容有：
（1）气候是影响腐蚀的重要因素，干旱和高寒气候极为不利。调查时应了解场地属于湿润地区还是干旱区，了解干旱区的降水量、蒸发量和干燥度指数及高寒区的海拔高程、冻结深度、日最大温差和冻融循环次数等；
（2）调查土质，应特别注意是否为酸性土，盐渍土，土中是否含有机物，硫化物、煤灰以及石膏、芒硝等盐类，研究盐类成分、含量及其腐蚀性的关系；
（3）在调查地下水时，应注意地层透水性、地下水类型、补给来源、水位及其波动范围，毛细水上升高度，研究地下水活动与腐蚀介质运移关系
（4）在调查环境污染时，应注意堆煤场、废石场、尾矿场及工业废水等对场地水和土腐蚀的影响；
（5）调查和分析当地混凝土和钢结构的腐蚀情况和防腐蚀经验。
3•3 综合分析
存在多种腐蚀介质时，根据规范如何抓住主要矛盾，提出可供设计使用的腐蚀强度等级；在场地调查和腐蚀指标测试的基础上，结合当地工程经验，进行综合评价。
4 摒弃盲目回归理性
岩土工程师应深入了解腐蚀机理，了解水土环境的复杂多变性，了解规范存在一定的局限性；应注意场地的调查研究，注意当地经验的调查研究，注意数据和资料的积累。工程师的思维和行为应当是科学的、理性的，任何判断、评价、设计、施工等等，都既要遵守规范，又要了解其中的科学原理。让我们摒弃盲目，回归理性！