建筑结构腐蚀破坏课件

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建築結構腐蝕破壞概述

建築結構中使用的混凝土、鋼材、磚石等，在試用期間常常受到腐蝕性介質的腐蝕。如果建築物在建造時對結構材料未採取防腐措施，或雖採取了防腐措施，但工程品質不佳，維護使用不當，使防腐措施失效，則腐蝕性介質就可能損壞建築結構，甚至使其破壞，失去使用價值。在工業建構築物中，在海岸工程中，在鹽漬土與礦化水地區的建構築物中，建築結構直接與氣態、液態等外部腐蝕性介質接觸，或者被產品和生產中排放的腐蝕性物質所污染，造成建築結構的損傷或破壞。在冶金、化工、造紙、食品及其他工業部門中，有20%～70%的建構築物常常受到各種腐蝕性介質的作用，引起結構材料的腐蝕。據一些國外專家的估計，由於混凝土和鋼筋混凝土的腐蝕造成的經濟損失約占國民收入的1.25%。這些經濟損失中包括了修復或重建建構築物的工程造價及修復或重建期間生產中所造成的經濟損失。鑒於混凝土及鋼筋混凝土建築結構的廣泛性及重要性，本章將著重討論這類結構。腐蝕性介質對建築結構的損傷實質上就是對構成結構的材料的損傷，所以我們集中討論腐蝕性介質對水泥石及鋼筋的腐蝕問題。腐蝕分類及材料損傷機理

世界上有許多建築構物已存在了幾百年依然健在，而許多建築物卻僅僅使用幾年後就遭到破壞，這樣的事例不勝枚舉。例如：某一人造纖維廠的鋼筋混凝土結構的酸泵房，在使用四年後就遭破壞；某一大型石油化工聯合企業，其用於安裝設備的露天框架結構，投入使用幾年就遭到破壞；某海上建造的鋼筋混凝土護堤，在使用4年～5年後,因遭受海水作用而損壞；一些橋墩混凝土因遭受含1.8g/L～2.3g/L硫酸鹽離子和0.3g/L～0.5g/L鎂離子的水浸蝕，很快就破壞；在一座橫跨鹽漬土地帶的橋樑附近，因鹽水周而復始地浸蝕鐵路路堤護坡混凝土護板,幹、濕迴圈，結果使鹽類在混凝土孔隙內結晶,造成護板的破壞；蘭州某化肥廠硝酸銨(氮肥)造粒塔周圍的基座頂層混凝土,因硝酸銨顆粒吸收空氣中水份潮解,滲入混凝土孔隙中,乾燥後又結晶,將混凝土脹壞。腐蝕分類及材料損傷機理

某一輸水管道鋪設在由礦化水所飽和的土壤中，礦化水中含有硫酸根離子5g/L～10g/L，氧化物2g/L～6g/L，鎂0.2g/L～0.4g/L。輸水管由混凝土製成，因礦化水滲入管子的混凝土，使用不久，管子即遭受嚴重破壞。某計程車停車場，在使用10年～12年時，因受到氯化物的腐蝕，其肋型樓板中的φ20鋼筋的點腐蝕深度達2.4mm，其極限強度比未受腐蝕部分的平均值低14.8%。由此可見，環境介質與建構築物材料之間的關係十分複雜。為研究方便起見，作者在前蘇聯學者B.M.莫斯科文將混凝土及鋼筋的腐蝕分為三種基本類型的基礎上，略作修改，補充細分為六種基本類型。第一類：流動有壓軟水溶出性侵蝕。水泥在水化過程中產生大量Ca(OH)2。密實性較差、滲透性較大的混凝土，在一定壓力的流動軟水作用下，Ca(OH)2會不斷溶出並流失。這一方面使水泥石變得孔隙增多，變得酥松；另一方面使水泥石的鹼度降低。而水泥水化物如水化矽酸鈣、水化鋁酸鈣等只有在一定的鹼度環境中才能穩定存在。所以，Ca(OH)2的不斷溶出又導致其他水化物的分解熔融，最終使水泥石破壞。腐蝕分類及材料損傷機理

隨著Ca(OH)2的不斷流失，混凝土的抗壓強度不斷下降。當以CaO計的Ca(OH)2溶出量為25%時，抗壓強度將下降35.8%，溶出量更大，抗拉強度下降更大，最大達66.4%。雨水、雪水、蒸餾水、工廠冷凝水及含重碳酸鹽甚少的河水與湖水都屬於軟水。在流動及壓力水作用下的軟水才會引起水溶性侵蝕。這種腐蝕在多種建構築物中都能看到。在水與混凝土中水泥石接觸後的乾燥部位，如水滲透進混凝土或沿混凝土表面流動後並隨之乾燥，溶解在水中的Ca(OH)2與空氣中的CO2作用碳化後生成CaCO3沉積下來，在混凝土表面生成白色沉澱物，引起腐蝕，這種現象是頗為常見的。美國有一座堤壩建於1900年，被水強烈滲透。1939年修復該堤時，發現混凝土外部厚12mm～75mm的外殼尚好，內部混凝土卻已受到嚴重破壞，破壞層厚度達1.5m深的地方。看起來，水泥石幾乎已全部被水淘空。因為施工時範本附近的混凝土搗得比較密實，而且表層混凝土受到碳化作用，減小了Ca(OH)2的熔蝕，所以保存了較好的一層外殼。內部卻遭到破壞，這種隱蔽的破壞尤應注意。腐蝕分類及材料損傷機理

如果由於溫度變化造成裂縫或施工縫開裂、接縫品質低劣、沉降縫和溫度縫有缺陷等原因產生了水在縫中的滲流，就容易產生水溶性侵蝕。第二類：溶解性化學腐蝕。溶解性化學腐蝕是指水泥石組分和酸或堿溶液發生化學反應引起的腐蝕。此種化學反應所生成的反應產物或是由於擴散原因易於溶解，或是被滲流水從水泥石結構中沖刷出，或是以非結晶體形式聚集，這種非結晶體無膠黏性，不會影響腐蝕破壞過程的進一步發展。換句話說，溶解於水中的酸類或鹽類與水泥石中的Ca(OH)2起置換反應，生成易溶鹽或無膠結性能的物質，使水泥石結構破壞，混凝土結構也就毀了。最常見的這類腐蝕性酸性介質是碳酸、鹽酸、硫酸、硝酸等無機酸及醋酸、甲酸、乳酸等有機酸。當環境水的pH值小於6.5時就會對混凝土造成酸腐蝕；最常見的鹼性腐蝕介質是鎂鹽、苛性鹼等。當堿的水溶液濃度大於15%，溫度高於50℃時，熔融狀的堿會對混凝土造成堿腐蝕。要注意的是，苛性鹼NaOH、KOH與水泥石中的組分發生化學反應後，在一種條件下可生成膠結性差、易於溶解的產物，發生溶解性化學蝕腐；在另一種條件下，則可產生結晶性的膨脹破壞，屬下面要講的第三類腐蝕。腐蝕分類及材料損傷機理

蘭州化學工業公司所屬的蘭州化肥廠及蘭州橡膠廠是前蘇聯援建的兩個專案，於1955年開工，分別於1958年及1960年先後建成投產。投產後沒幾年，對各有侵蝕性介質的工業建構築物進行了調查，發現建構築物的圍護結構如牆壁、屋蓋等遭受腐蝕的程度一般都較嚴重。這是因為圍護結構處於許多不利因素作用下的緣故。建築物內生產裝置的腐蝕物質可以不同的狀態排出：氣態、液態、霧狀、固體粉塵。液態的腐蝕性物就有工廠所潑灑出的酸、堿、鹽溶液及含酸、堿、鹽的污水，它們落在建築結構上後，對不同材料就會造成不同程度的腐蝕。例如，蘭州化肥廠的稀硝酸車間，在投產2年後，於1960年接受檢查，車間的鋼筋混凝土屋面板已經遭受腐蝕。生產裝置排出的氧化氮氣體與車間空氣中的水分結合後，由於車間溫度低及屋面的隔熱性能差，在屋面板內表面形成氧化氮氣體的冷凝液腐蝕了混凝土。腐蝕分類及材料損傷機理

第三類：膨脹性化學腐蝕。當水泥石與含硫酸或硫酸鹽的水接觸時，可以產生體積增大許多倍的結晶體，將混凝土脹壞，產生膨脹性化學腐蝕；水泥的水化物遇到氫氧化鈉溶液浸透又在空氣中乾燥時，氫氧化鈉被空氣中的CO2碳化，生成具有膨脹性的碳酸鈉結晶，可脹裂水泥石。第二類及第三類腐蝕有代表性的化學反應式，在作為大學本科土木建築工程必修課的“建築材料”或“工程材料”教材中都有較詳細的表達，這裏不再贅述。在第一類和第二類腐蝕中，水泥石的破壞與水泥石的組分和水泥石組分與腐蝕性介質的反應產物的溶解性有關。而第三類腐蝕的初始階段，由於結晶鹽在混凝土孔隙中逐漸積聚而使混凝土更加密實。如果這個過程發展緩慢，則混凝土的空隙及孔洞會慢慢的被生成的結晶物所填充，似乎混凝土變得更密實，會讓人產生一種錯覺：混凝土的強度還會提高，更能使人迷惑。所以，第三類腐蝕的初始形式有時很難察覺，只有當持續發展下去，最後使混凝土開裂、破壞，人們才易發現。腐蝕分類及材料損傷機理

在實際工程中，常常是第二種或第三種腐蝕情況會同時出現，但各種形式的破壞程度和性狀並不相同。重要的是弄清哪一種類型的腐蝕起主導作用。第四類：鹽類潮解、滲透、乾燥、結晶——膨脹的物理破壞作用。有些鹽類如硝酸銨、氯化鈉(食鹽)等，很容易吸收空氣中的水分或周圍的水分而溶解，溶解後滲入混凝土、磚等材料的孔隙中，乾燥後鹽會再結晶，膨脹壓力可把材料脹裂，使材料酥松。第五類：鋼材的電化學腐蝕。鋼筋混凝土中的鋼筋及鋼結構的鋼構件的化學腐蝕，是由於金屬表面形成了原電池而產生的腐蝕。兩種不同的金屬置於電解質溶液中，由於電極電位不同，電子從易於失去電子的低電位金屬流向難於失去電子的高電位金屬，這樣產生電流的裝置叫做原電池。鋼材屬鐵碳合金，其中還含有很多其他雜質元素，就合金而言，包括鐵素體、滲碳體、珠光體等，這些不同的元素或組織的電極電位不同，電位低的失去電子，電位高的得到電子，此種化學反應的進行，就使金屬產生腐蝕。陰極或負電位值小的部分得到保護，陽極或負電位值大的部分受到腐蝕。腐蝕分類及材料損傷機理

當鋼材處於潮濕空氣中時，鋼材表面會吸附一層薄水膜。當水中溶有SO3、CO2、灰塵等時，即成為電解質溶液，這樣就在鋼材表面形成無數微小原電池。如鐵素體和滲碳體在電解質溶液中變成原電池的兩極，鐵素體活潑，易於失去電子，成為陽極；滲碳體成為陰極。在陽極區，鐵被氧化成鐵離子進入水膜。因為水中溶有來自空氣中的氧，故在陰極區氧被還原成為OH－離子。兩者結合，形成不溶於水的Fe(OH)2，並進一步氧化成疏鬆易剝落的紅棕色鐵銹Fe(OH)3。電化學腐蝕是最重要的鋼材腐蝕形式。鋼材表面污染、粗糙、凹凸不平、應力分佈不均，元素或金屬組織之間的電極電位差別較大，以及溫度和濕度變化均會加速電化學腐蝕。腐蝕分類及材料損傷機理

第六類：鋼材的化學腐蝕。鋼材的化學腐蝕是由於大氣中的氧或工業廢氣中的硫酸氣體、碳酸氣體等與鋼材表面作用引起的。化學腐蝕多發生在乾燥空氣中，可直接形成銹蝕產物，如疏鬆的氧化鐵等，並無電流產生。氧化鐵的體積大於母金屬，所以，當鋼筋混凝土構件中的鋼筋生銹後，體積增大很多，在混凝土中產生內應力。此內應力大到可將鋼筋混凝土頂裂，然後，鋼筋與混凝土分離，鋼筋與混凝土之間粘結破壞，對鋼筋混凝土來說，這是致命的破壞。鋼筋混凝土構件因鋼筋銹蝕而開裂，破壞的四個階段，如圖9.1所示。圖9.1鋼筋腐蝕及混凝土破壞機理腐蝕分類及材料損傷機理

鋼筋混凝土中的鋼筋由於受到水泥水化後所產生Ca(OH)2鹼性薄膜的保護及保護層的保護，理應不受到化學腐蝕。但是由於混凝土碳化深入鋼筋表面，由於混凝土品質低劣，由於環境惡劣或由於構件受力裂縫達到鋼筋表面，鋼筋受腐蝕在許多情況下仍是不可避免的。實驗表明，應力鋼筋在電化學反應方面比無應力鋼筋更活躍，所以腐蝕也就更強烈。現根據文獻，並由作者做了個別修改，補充後的混凝土與鋼筋混凝土的腐蝕分類列於表9-1。表中所列堿—骨料反應可參見“建築材料”或“工程材料”，不再贅述。腐蝕過程性質腐蝕種類腐蝕過程腐蝕定量鑒別用的參數決定腐蝕過程動力學的因素壓力滲透自由沖洗物理化學過程：溶解結晶一類一～三類無鹽水的浸析中性鹽溶液的浸析從混凝土中帶出的水泥石溶解性組分的數量內部擴散的速度腐蝕性介質與水泥石組分的化學反應三類結晶帶入的腐蝕性組分數量或腐蝕性組分與水泥石相互作用產物的數量毛細作用速度與表面蒸發速度之比內部擴散的速度三、二、一類硫酸鹽腐蝕二類酸腐蝕與水泥石組分發生反應的腐蝕性組分的數量滲透體積速度和水泥石被反應產物壓實的過程在反應產物層內的擴散速度二類氧化鎂腐蝕水泥石的電解——電腐蝕通過結構構件的電流量電壓、電流和混凝土的電導率表面活性物質吸附——固體物質表面能量的吸附和降低水泥強度的降低表面活性物質的濃度和受力狀況水泥石與料接觸面上的物理化學過程——活性氧化矽染料與鹼性水泥相互作用膨脹變形反應組分之間的對比關係——料中的白雲石與鹼金屬的鹽溶液相互作用鹽溶液乾燥、結晶、膨脹的物理作用四類鹽潮解、滲入材料、乾燥、結晶、膨脹膨脹變形結晶物增長數量鋼筋腐蝕五類鋼筋的電化學腐蝕金屬的腐蝕深度控制：陽性、陰性、電阻六類鋼筋的化學腐蝕金屬的腐蝕深度鋼筋的組分和結構，鋼筋的受力狀況及環境中的離子的含量建築結構腐蝕破壞實例

一.實例一混凝土輸水管道腐蝕破壞及自愈在前蘇聯，為了向巴庫城輸送飲用水，於1911～1917年間建造了巴庫至烏拉爾斯基的輸水管道。管道截面為橢圓形，壁厚25cm，所用混凝土的配合比為1∶2∶4。水管管壁有一層厚1cm的1∶3水泥砂漿抹灰層，1.5mm～2mm厚的水泥壓光層。開始時，輸水管水流不滿。沿輸水管線路流動的地下水化學成份複雜，含有大量的硫酸鎂、氧化鎂和硫酸鈉。沿輸水管全長範圍內的硫酸鹽含量平均200mg/L～400mg/L。由於輸水管內水不滿，所以地下水會滲入不夠密實的管壁。致使硫酸鹽對水泥石的腐蝕而破壞混凝土。該輸水管道混凝土的破壞是在1924年首次發現的。為了尋找一個可靠的修復方法，對水管的破壞部位進行了反復研究，提出了一個輸水時將管道完全充滿的修復方法。經過一段時間後，原來地下水滲入管道內部的地方，減少或完全停止滲透。混凝土滲透部位的蜂窩逐漸被填塞密實，上面被碳酸鈣層所覆蓋。建築結構腐蝕破壞實例

這種現象可作如下解釋：在輸水管出水處，水的暫時硬度是13.70H，只要地下水通過管壁進入輸水管道，硫酸鹽就會腐蝕混凝土。但當水管內完全充滿水後，水開始沿著破壞部位反向滲透，即由管內向管外滲透，每個碳酸氫鹽分子在破壞部位都與水泥石中遇到的氫氧化鈣起反應，生成兩個分子的碳酸鈣。碳酸鈣沉積在滲透通道的孔壁上，逐漸填滿通道，從而阻止了滲透。這個過程也就是混凝土“自封閉”或“自愈”。這種修復方法是個很巧妙的方法。二.實例二國內某冶金工廠酸洗車間建築物腐蝕破壞冶金工廠因需要在鋼管、冷軋鋼材生產過程中採用酸性工藝清理鋼材內外表面氧化物。酸洗所用的主要是硫酸或鹽酸。建築結構腐蝕破壞實例

1.廠房損壞原因(1)酸洗設備簡陋，生產秩序混亂。酸洗時，大量酸液從酸洗槽內溢出，沖洗水水量很大，每小時達40m3。大量帶酸的廢水通過已損壞的耐酸地坪、排水溝、下水道滲入地下，地下水嚴重污染。(2)耐酸地坪強度及防腐材料性能達不到工程要求，因此，地面破損，縫隙較多，酸水容易滲入地面及地下。(3)酸霧腐蝕。酸洗吸風裝置被損壞，酸洗時往往為提高酸洗效率，便提高酸洗水溶液溫度達70˚C～80˚C，造成大量酸霧污染環境，腐蝕廠房。2.廠房損壞情況(1)耐酸地坪損壞嚴重；(2)基礎、地基土持力層嚴重腐蝕：基礎混凝土腐蝕速度平均為每年1cm～2cm；“工”字型柱的翼緣和腹板一般在10年左右，鋼筋即全部受腐蝕，鋼筋混凝土失去原有承載能力。在2m～3m深範圍內的地基土承載能力大幅下降。(3)在屋架及屋面板上積聚的酸霧冷凝液對抗裂能力差、截面較小的鋼筋混凝土構件造成程度不同的損壞。(4)因地基土已經腐蝕嚴重，承載力減小太大，最後只好將廠房推倒重建。建築結構腐蝕破壞實例

三.實例三美國佛羅里達某公寓陽臺的腐蝕破壞這是位於海邊的兩棟12層鋼筋混凝土結構公寓，臨海一面帶有通長的預應力鋼筋混凝土懸挑陽臺。背海一面則為非預應力的普通鋼筋混凝土陽臺。普通鋼筋混凝土陽臺基本完好無損，受到嚴重腐蝕破壞的是預應力鋼筋混凝土陽臺。預應力筋的截面鏽損率竟達50%，尤以預應力端錨點處的鏽損最為嚴重。經對混凝土取樣進行氯化合物檢測，發現氯化合物含量竟達混凝土品質的0.70%，高出規範限額的10倍～20倍，說明了問題的嚴重性。這一案例也說明，預應力結構的抗化學腐蝕能力更低。宜倍加注意。四.實例四水工建築物的鋼筋銹蝕河海大學等單位在浙東沿海調查了22個水工建築物的967根構件，發現有538根構件(占總數的56%)因受鋼筋銹蝕導致順鋼筋的開裂破壞；1981年南京水利科學研究院對我國華南地區的18座碼頭進行了調查，這些碼頭使用期只有7年～15年，但大量碼頭面板及橫樑都因鋼筋銹蝕發生混凝土順鋼筋的縱向裂縫，其中完好的僅2座；日本沖繩地區177座橋樑和672棟房屋的調查表明，橋面板和梁的損壞率達90%以上，校舍等一類民用建築損壞率也在40%以上。這是因為混凝土採用海砂為細骨料，使鋼筋銹蝕而導致的後果。被腐蝕建築結構的修復

對有遭受腐蝕危險的建構築物，必須進行持續的、定期的、由專人負責的仔細觀察。發現有腐蝕跡象，必須立即採取措施，阻斷腐蝕來源；發現有腐蝕破壞，必須很快修復，以防腐蝕擴大到構件的其他部位或其他構件。在化工等企業的建構築物中進行修復工作常常是個很複雜的過程，具有許多特點。進行修復工作時，防腐措施的選擇必須考慮主要防腐覆蓋層破壞的程度及結構表面是否有局部破壞。臨時的修繕工作必須在很短的時間內進行，不得因修繕而影響生產工藝過程。修復工作進行前，必須對要修復的建築結構及其防腐保護層進行仔細的調查以確定破壞的原因、性質及破壞部分的大小範圍及尺寸。只有在深入調查的基礎上才能選擇正確的防腐手段及修復方法。被腐蝕建築結構的修復

最經常要做的事情是對重要的地下結構——基礎進行技術檢查。因為基礎的破壞會給整個建構築物造成威脅。直接在酸作用區域內的建築物及重要設備的基礎要按順序每年檢查一次；在腐蝕