滨海气候下混凝土结构腐蚀环境特征研究.pdf

第9 期 2 0 0 7 年9 月 广东 土木与建 筑 GU ANGD0NG ARC H1 TE C TU RE C I VI L E NGI NE ERI NG N o ． 9 S E P 2 O o 7 滨海气候下混凝土结构腐蚀环境特征研究 刘 军 1 ，2 丁 铸 1 ,2 1 、 深圳 市土木工程耐久性重点实验室深圳 5 1 8 0 6 0 ；2 、 深圳大学土木工程学院深圳 5 1 8 0 6 0 摘 要 在滨海大 气环境 中， 由于天 然和人为 污染等原 因而存在腐蚀介质 ， 成 为混凝 土材料 防腐蚀失效 的重要 因 素 ． 其 中以二 氧化硫、 酸雨和氯 离子的影响较 大， 文 中以深圳 市为例收 集相 关气象资料 ， 并取沿岸 海水进行调查 研 究 ， 结合海 南万宁试验站有关氯 离子的数 据 ， 对滨海 气候环境下混凝土结构的腐 蚀特征作 了系统分析 。 关键词 腐蚀 ；二氧化硫 ；氯 离子；环 境 ；混凝土 1概述 在 海洋 及 海 岸构 筑 物 建设 中 ． 目前 主要 是 以混 凝土 、 钢材作为主要材料 ⋯。 在大部分 自然和工业环 境中． 混凝土结构的使用寿命很长． 而混凝土结构过 早失效的主要原因之一 ． 是有害介质和混凝土空隙中 的氢氧化钙饱 和溶液及水泥水化产物接触而产生某 种化学反应及一系列的物理、 化学作用[ 为] 滨海环境中由于天然 和人为污染等原因 ． 存在 腐蚀介质 ， 对材料耐久性有较大的影响作用 ． 是混凝 土材料腐蚀失效的重要因素 ． 其中二氧化硫 、 酸雨和 氯离子的影响较大 ， 由于混凝土是一种非均匀的、 多 元 、 多孔的固、 液 、 气三相并存的复合材料 ． 混凝土构 件所处环境中的这些腐蚀性介质会通过空隙进入混 凝土 内部E 4 ] ， 产生一系列反应． 导致混凝土结构失效 深圳地处 中国南部沿海 ． 属典型的海洋大气环 境， 滨海地 区的海洋大气腐蚀是一个严重的问题 ． 混 凝土结构要考虑碳化 、 硫酸盐腐蚀、 氯离子浸蚀等复 合作用的影响 ， 加上这些腐蚀 因素的多元性 、 复杂性 和可变性 ， 因此要求结构具有相当高的耐久性 本 文收集了深圳市的相关气象资料 ． 并取沿岸海水进 行 调 查研 究 ， 结 合 海南 万 宁试 验 站有 关 氯 离 子 的数 据 ， 对滨海气候环境下的腐蚀特征作出系统性分析 2主 要环境 因素 深圳市东临大亚湾和大鹏湾 ． 西濒珠江 口和伶 仃洋， 属亚热带海洋性气候 区， 气候温和， 雨量充沛 ， 本研究项 目为国家 自然基金项 目重点项 目 混凝土结构耐久性 及其对策的基础研究 5 0 5 3 8 0 6 0 。 日照时间长。年平均气温 2 3 ． 7 ℃， 最高 3 6 ． 6 ℃， 最低 1 ．4 ℃， 无霜期为 3 5 5天 ； 年 日照时数 1 9 7 5 h ， 太阳年辐 射量5 2 2 5 M J ／ m ．年平均相对湿度7 2 ．3 ％； 5 ～ 9 月为 雨季 ， 年平 均降雨量 1 6 0 8 m m； 夏秋两季偶有 台风。 近几年主要环境参数见表 1 。 表 1 2 0 0 2 2 0 0 5深圳气象情况汇总 2 ． 1 温度 、 湿度 从表 1可见 ，深圳市的气候具有高温、高湿特 征 ， 全 年的温 、 湿度变化较平稳 ， 且均处于较高水平。 2 ． 2降水 深圳市降雨量相 当丰富 ． 年平均达 1 9 2 5 m m． 地 域分布 自东 向西减少 ． 东南部 2 2 0 0 m m 以上 ． 西北部 地 区仅 1 5 0 0 mm． 雨量 年际变化较 大 ． 最 多 2 6 6 2 mm 1 9 7 5年 ， 最少 9 1 3 tur n 1 9 6 3年 ， 全年雨量有 8 5 ％ 出现在 4 ～ 9月 汛期 ， 其 中 4 8 ％分布在 7 - 9月 后 汛期 ， 平均雨量达 9 2 9 mm， 主要 由热带气旋 、 热带 辐合带 、 热带低压 等热带天气系统造成 ； 4 ～ 6月 前 汛期 平均雨量 7 0 5 mm． 主要 由冷空气 和热带 暖湿 气流共同作用形成。 一年 中各月雨量变化呈单峰型 ． 最 多 的 8月平 均 达 3 5 2 mm． 最少 的 1 2月仅 2 5 ram 2 ． 3 日照 和太 阳辐 射 深圳市年辐射量达 5 2 2 5 M J ／ m z ．其中以7 月最 多、 2月最少 。 年变化曲线呈单峰型。与广东省其它地 区相 比． 深圳市的年太阳辐射量偏大 ． 且偏多部分并 非分布在总量较多的7 8 月 ． 而是 2 - 6月和 9 ～ 1 2月 2 3 维普资讯 2 0 9 7 年9 月 第9 期 刘 军 等 滨海 气候下混 凝土结 构腐蚀 环境特征 研究 S E P 2 o o 7 N o ． 9 3环境 腐蚀 特性研 究 3 ． 1 高温、 高湿的气候特征 深圳市高温 、 高湿 的气候特征明显 。 而混凝土结 构 内钢筋的腐蚀是一个动态的电化学过程 ． 其腐蚀 速度除受其 自身材料 的影响外．主要还受环境条件 包括温、 湿度等 因素控制 。 当其他环境 因素相同时 ． 温度对钢筋腐蚀的电 化学反应速度 。 腐蚀介质在混凝土内部的扩散速度 ． 腐蚀介质在水溶液 中的溶解度等方面具有显著作 用， 影响着混凝土内钢筋的腐蚀速度 深圳市近年的 平均气温都在 2 3 ℃以上 ． 最 高达 3 7 ℃以上 ． 全年变 化平缓 ， 都保持在一个较高水平。文献『 5 ] 通过人T 气候条件下混凝土内钢筋微 电流的研究 ． 认为在环 境条件一定的情况下 ． 随着环境温度的升高． 试件混 凝土内钢筋腐蚀 电流密度也在增大 f 如图 l a 。 环境相对湿度通过温湿平衡决定着空隙水饱和 度 ， 一方 面影 响着各种化学介质 C O ， C 1 一 的扩散 ， 另一方面由于一部分使混凝土劣化的化学反应需在 溶液或 固液界 面上进行 ． 环境的相对湿度决定着混 凝土内的孔隙水饱和度 ． 其对混凝土的电阻率． 氧气 在混凝土内部的扩散速率 ． 钢筋腐蚀阴极反应水分 的供给等具有重要作用 ． 从而影响钢筋的腐蚀速度。 深圳市近年 的平均相对湿度为 7 0 ％ 8 0 ％． 都保持在 一 个较高水平 。文献 [ 5 ] 也研究 了湿度对混凝 土腐 蚀电流的影响 如 图 l b ， 可见在同样的环境条件下， 随着环境湿度的升高 ．试件混凝土 内钢筋腐蚀电流 密度也在增大 3 ． 2 海 水 1 海水中主要盐分 的含量 海水中盐分总量约为 3 ％． 约为 3 5 g ／ ／ L ， 主要成 分为 N a 。 C a 2 ， Mg 2 。 C 1 一 。 S O 2 - 4 等离子， 主要盐分的含 量见表 4和表 5 。 可见 ， 海水中富含 C l 一 、 M 、 S O z 一 离 子 ． 这些离子对混凝土结构有很强的腐蚀作用。 2 深圳地区的海水成分 我们在深圳东海岸对海水进行 了多次随机取样 检测 ， 结果表明与其它地方的海水检测数据一样 ． 海 水中的主要盐类成分是氯化物． 其次是硫酸盐和一些 不溶物 ， 其中 C l 一 含量严重超标 表 4为海水的平均 检测结果 。 由表 4和表 5的分析得出． 虽然海水中的 腐蚀介质较多 ， 但主要是 C l 一 和 S O z 一 的侵蚀 。 特别是 C l 一 引起的腐蚀 表 4海水 的化学成分分析 表 5南北城市的降雨离子浓度统计[9 针对深圳海域海水 中氯化物含量偏高的情况 ． 实验 中对深圳海域东至妈湾西至沙头角的海水进行 取样 ， 测试其 p H值和氯度 海水氯度标准测试 。 结 果显示海水 p H值变化范围为 6 ． 6 4 8 ． 0 3 ． 平均 7 ． 2 3 ． 呈中性略偏碱性 ． 氯度变化范围为 9 ． 6 3 ％ 。 1 4 ． 5 9 ％ 。 ． 平均 1 2 ． 9 3 ％ 。 标准为 1 9 ． 3 8 1 ％ 。 ， 属中度指标。 3 ． 3酸雨 1 酸雨 的组分 酸雨的主要离子组分为 ①阳离子 N I L 、C a 、 N a 、 M 、 H ； ②阴离子 s O 4 2- 、 H S O 3- 、 N O 3 - , H C O 3 - 、 C 1 一 。 酸雨 中约 占7 0 ％是由二氧化硫引起的．其余由各种 表 2 海水主要盐类含量闻 表 3海水主要 2 4 图 1 环境温、 湿度与混凝土内部腐蚀 电流密度 的关 系[ 5 1 成分 占总盐度 成分及 比例 百分 比 ％ Na C 1 7 7 ． 8 Mg C 1 2 1 0 ． 9 Mg S O4 4 ． 7 Ca S O 3 ． 6 K2 s 04 2 ． 5 C a C O 0 _ 3 Mg Br 2 0． 2 合计 1 0 0 成分 Na Ca S 04 2 - Mg K Cl 一 比例 ％ 1 0． 5 5 0． 4 00 2． 6 48 1 ． 2 72 0． 3 80 1 8 ． 9 7 9 维普资讯 2 0 0 7 年9 月 第9 期 广东 土 木与 建筑 S E P 2 0 o 7 N o ． 9 氮的氧化物引起 ． 其反应方程如下 S O2 2H2 O} 2| I S O4 2 - 2 NO， 2 H， O} 2 H 2 NO H2 酸雨 中 的强酸 有 硫 酸 H S O 、 硝 酸 HN O 、 盐 酸 HC 1 3种 ． 因它们在水 中能完全 电离 ， 故对降水 的酸度 D H值 影响最大 ， 在多数地区硫酸是酸雨最 主要的成分 ． 硝酸次之 ， 盐酸最少。我国酸雨的酸性 来源首先是 S O ， ． 其次是 N ⋯ O 作为酸雨主要分布区 域南方降水 中硫酸根离子浓度平均值分别是德 国的 4 1 5倍 和美 国 的 5 l 5倍 ．硫 酸根 与 硝 酸根 离 子 之 比 是德国的 7倍 ． 这主要因为我国酸雨成分 以燃煤产 生的硫氧化物为主 ． 而美国和德 国硝酸型的酸雨则 主要由汽车尾气型的大气污染造成 酸雨中的弱酸为有机酸 甲酸 、 乙酸 、 乳酸、 柠檬 酸等 及 H ， C O 等。由于这些酸的电离性差 ， 因此它 们对降水的 p H值影响仅在 1 0 ％以下。由表 5可见 ． 我国酸雨中 S O 4 2 - N O 3 - ， 北方为 2 6 1 ． 南方为 1 2 1 2 深圳的酸雨情况 据环保部 门提供的资料 ． 2 0 0 0年～ 2 0 0 5年深圳 市大气 S O 、 N O E l 均值均未超过 国家二级标 准。 氮 氧化物排放低于环境标准 2 0 0 0 ～ 2 0 0 5年全市降尘 均在较高水平 ， 降水 p H值均小于临界值 p H 5 ． 6 。 由表 6可知 ， 深圳地区 2 0 0 0年～ 2 0 0 5年降雨 的 D H 4 ． O 1 ～ 4 ． 9 3 ． 属 强侵 蚀 的范 围 表 6 2 O 0 O 2 0 O 5年深圳市南山区大气污染物监测结果 3 ． 4大 气氯 离子 在 海洋 附 近 的大气 中含 有 大量 的 C l 一 或 N a C l 颗 粒 ， 氯离子会加速材料的腐蚀 。深圳 、 广州和海南都 位于南海边 ， 气候变化规律较相似 ． 因此引用海南万 宁地区的海盐氯离子变化规律具有一定的理论依据 和说服力。 氯离子浓度全年有冬季高夏季低的变化特 点 ， 一般而言高聚类在 1 O ～ 1 2月份 ． 中聚类在 1 ～ 3月 份 ， 低聚类在 4 ～ 9月份 ， 全年氯离子浓度波动较大 海 南万 宁试验站测量了距离海岸线不同距离的大气氯 离子浓度 ． 结果表明在相同的气候条件下 ， 距海岸线 越近． 氯离子浓度就越高。 4结 论 4 ． 1 以深圳为例 的滨海大气环境高温 、 高湿和高盐 雾特征 明显 ． 同时具有降水丰富 、 日照充足、 太阳辐 射强 、 天气变化多端等特点 。 4 ． 2在滨海气候条件下 ．腐蚀因素具有多元性 、 复 杂性 和可变性 ， 要考虑碳化、 硫酸盐腐蚀 、 氯离子侵 蚀等复合作用 的影响 ． 特别是海水和大气 中 C l 一 浓度 高 ． 是影响结构耐久性的主要因素之一。 4 ． 3温度 、 湿度和海盐离子是影响大气腐蚀的最主 要的环境因素 ．大气 C l 一 的作用与距海边的距离有着 密切的关系．随着距离的增大， C l _ 浓度迅速降低 ， 大 气 C l 一 的影 响减 弱 参考文 献 [ 1 ]覃丽坤 ， 宋玉普 ， 赵东拂．处于海洋环境 的钢筋混凝土耐 久性研究 [ M] ．混凝土 ， 2 0 0 2 1 2 [ 2 ] A C I C o mm i t t e e 2 0 1 ． G u i d e t o d u r a b l e c o n c r e t e ， A C I M a t e r ． J ． 8 8 1 9 91 [ 3 ]M． S ． J ． G a n i ．C e m e n t a n d C o n c r e t e ．C h a p ma n ＆ H a l l ， L o n d o n， 1 9 9 7 [ 4 ]曹楚南主编．中国材料 的 自然环境腐蚀 [ M] ． 北 京 化学 T 业 出版 社 ． 2 0 0 5 ． 1 [ 5 ]李果 ， 袁迎曙 ， 耿欧．气候条件对碳化混凝土内钢筋腐蚀 速度的影响[ J ] ．混凝土 ， 2 0 0 5 8 [ 6 ]刘秀晨 ， 安成 强．金属腐蚀学 [ MI ．北京 国防工 业出版 社 ． 2 0 0 2 ． 9 [ 7 ]邙静 酷 ， 韩纯苇 ， 黎英 ， 祁景玉． 轻质高性能海洋混凝土 的试验研究 [ J ] ．低 温建筑技术 ， 2 0 0 2 2 [ 8 ]张明春 ， 陈爱芝 ．海水环境混凝 土耐久性探讨 [ J ] ． 商 品 混凝 土， 2 0 0 5 4 [ 9 ]张倩 ， 赵洁 ， 成华．酸雨对水泥混凝土强度影响的模拟及 其腐蚀 的化学机理分析 [ J ] ．重庆交通学院学报 ， 3 2 4 『 1 0 ] 蓝俊康 ． 王焰新．酸性 气体对混凝土 耐久性的影 响及研 究进展 [ J ] ．地质灾害与环境保护 ， 2 0 0 2 3 [ 1 1 ] 张先勇 ， 舒德学 ， 陈建琼．海南 万宁试验 站大气环境及腐 蚀特征研究 [ J ] ．装备环境工程 ， 2 0 0 5 4 [ 1 2 ] 陈孝渝 ， 杨 德模 ， 凌勇等．大亚湾核 电站地 区大气腐蚀性 污染物检测与分析 [ J ] ．核科学与工程 ， 2 0 0 5 3 2 5 维普资讯