第九章建筑结构腐蚀破坏.ppt

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。