； 构腐蚀破坏的分类及材料损伤机理分析 １Ｊ Ｂｕｉ ｌｄｉｎ９ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｃ０ｒｒ０ｓｉＯｎ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉ Ｏｎ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｄａｍａｇｅ Ｍｅｃｈａｎｉ Ｓｉｌｌ Ａｎａｌｙｓｉ ｓ １ ｊ Ｉ 涂斌余丽 ＴｕＢｉｎ ＹｕＬｉ ：； ： ： （华东交通大学理工学院，江西南昌３３０１００） （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｎｇｘｉ Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３０１００） ｊ： ： 摘分析。 要：本文对建筑结构腐蚀破坏进行了分类，探讨了材料的损伤机理，特别对钢材的腐蚀机理进行了 ｊ ●ｊ 关键词：结构腐蚀；破损；机理 中图分类号：ＴＵ３７５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１．４７９２一（２０１２）１—００５７．０４ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｃｌａｓｓｉｉｆｅｄ ｔｈｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｄａｍａｇｅ，ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ ｍｅｃｈａ． ｎｉｓｍ ｏｆｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｏｆｔｈｅ ｓｔｅｅ１． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｔｕｃｔｒｕｒｅ Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ；Ｄａｍａｇｅｄ；Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ０引言 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。【 ］最近二十年内对混凝土结构的实 际调查发现，混凝土结构囚化学裂损而引起的损坏 或失效更加严重，应该引起关注。 在冶金、化工、造纸、食品及其他工业部门中，有 ２０％￣７０％的建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 或重建建筑物的工程造价及修复或重建期间生产所 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 建筑结构中使用的混凝土、钢材、砖石等，在试 重要性，本文将着重讨论这类结构。腐蚀性介质对建 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。 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。 １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 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： 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。圄 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ｐ】； 某一大型石油化工联合企业，其用于安装设备 ５７ —一一 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４～５年 后，因遭受海水作用而损坏； 一些桥墩混凝土因遭受含１．８￣２．３ Ｌ硫酸盐 离子和Ｏ．３～Ｏ．５ 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，囚盐水周 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ｔ昆凝土孔隙内结晶，造成护板的破 坏； 兰州某化肥厂硝酸铵（氮ＨＥ）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分潮解，渗 入混凝土孔隙中，干燥后又结晶，将混凝土胀坏； 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５～１Ｏ Ｌ，氧化物２～ ６ ，镁０．２～Ｏ．４ Ｌ。输水管由混凝ｉＮ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ｌＯ～１２年时，因受 到氯化物的腐蚀，其肋型楼板中的（ｐ ２０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） 。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） 会不断溶出并流失。这一方面使水 泥石变得孑Ｌ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）：的不断溶出又导致其他水化物的分解熔 融，最终使水泥石被破坏。 随着Ｃａ（ＯＨ）：的不断流失，混凝土的抗压强度 不断下降。当以ＣａＯ计的Ｃａ（ＯＨ） 溶出量为２５％ ５８ 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） 与空气中的ＣＯ 作用碳 化后生成ＣａＣＯ，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１２￣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。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） 的溶蚀， 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。 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造成了 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成成分和酸或碱 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Ｉ生，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）：起置换反应【４】，生成易 溶盐或无胶结性能的物质，使水泥石结构被破坏，混 凝土结构也就毁了。 最常见的这类腐蚀性酸｝生介质是碳酸、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与水泥石中的组成成分发生化学反应 后，在一种条件下可生成胶黏性差、易于溶解的产 物，发生溶解性化学腐蚀；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。 兰州化学工业公司所属的兰州化肥厂及兰州橡 胶厂是苏联援建的两个项目，于１９５５年开工，分别 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。 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 建 ＾ 巩 结 构 腐 蚀 破 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筑物进行了调查，发现 建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，在投产两年 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。 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ＣＯ 碳 化，生成具有膨胀性的碳酸钠结晶，可胀裂水泥石。翻 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 泥石的组成成分和水泥石组成成分与腐蚀性介质的 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孑Ｌ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 及孑Ｌ洞会慢慢地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 坏 物理破坏作用。有些盐类如硝酸铵、氯化钠（食盐） 的 分 等，很容易吸收空气中的水分或周围的水分而溶解， 类 溶解后渗入混凝土、砖等材料的孔隙中，干燥后盐会 及 材 再结晶，膨胀压力可把材料胀裂，使材料酥松。 料 第五类：钢材的电化学腐蚀。 损 伤 钢筋混凝土中的钢筋及钢结构的钢构件的化学 机 理 腐蚀，是由于金属表面形成了原电池而产生的腐蚀。 分 两种不同的金属置于电解质溶液中，由于电极电位 析 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。嘲 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ＳＯ 、ＣＯ 、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一离子。两者结合，形成不溶于水的Ｆｅ （ＯＨ） ，并进一步氧化成疏松易剥落的红棕色铁锈 Ｆｅ（ＯＨ） 。 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。 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 ５９ 一 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 应力大到可将钢筋混凝土顶裂，然后，钢筋与混凝土 分离，钢筋与混凝土之间黏结破坏【７Ｊ，对钢筋混凝土 物，如疏松的氧化铁等，并无电流产生。氧化铁的体 来说，这是致命的破坏。 积大于母金属，所以，当钢筋混凝土构件中的钢筋生 钢筋混凝土构件因钢筋锈蚀而开裂，破坏的四 锈后，体积增大很多，在混凝土中产生内应力。此内 个阶段，如图一所示。 氧化铁（铁锈） （ａ）第一阶段 （ｂ）第二阶段 （ｃ）第三阶段 （ｄ）第四阶段 图一钢筋腐蚀及混凝土破坏机理 钢筋混凝土中的钢筋由于受到水泥水化后所 ［４］陈峰．化工行业建筑结构的腐蚀与防护［Ｊ］．河 南化工，２０００． 【５］刘继成．长期利用钢筋混凝土结构自身保护 方法的探讨［Ｊ］．中州建筑，１９９４． ［６］蔡毅．钢结构腐蚀损伤检测方法研究综述［Ｊ］． 河南水利与南水北调，２０１０，（０９）． 产生Ｃａ（ＯＨ）：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【８］，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。 参考文献 ［７］贾勇．钢结构腐蚀机理及影响因素初探［Ｊ］．科 技之友，２００９，（０５）． 【８］于丽．关于钢结构腐蚀及防腐对策问题初探 ［Ｊ］．中外建筑，２０１０，（０６）． 作者简介 【１］李昌木，孙淑林．联碱生产中厂房建筑的腐蚀 与防护［Ｊ］．纯碱工业，１９８３． 【２］郭院成．化工环境下的结构腐蚀控制策略初 探［Ｊ］河南科学，１９９９，（０３）． 涂斌（１９８２一），男，助教，华东交通大学理工学 院； 【３］郭志恭．环境介质对建筑结构的作用及其评 价［Ｊ］．兰化科技，１９９０． 余丽（１９８２一），女，助教，华东交通大学理工学 院。 ６Ｑ
