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| 自然水污染水的腐蚀与混凝土的耐久性 |
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[ 2006-4-28 15:49:58 | By: 洪乃丰 ] |
自然水污染水的腐蚀与混凝土的耐久性
洪乃丰
（中冶集团建筑研究总院 ）
摘要：我国钢筋混凝土结构面临着广泛的水腐蚀环境，包括江、河、湖、海水，地下水、雨水等。特别是海水、受污染的淡水和酸雨，会对钢筋混凝土结构造成明显的腐蚀破坏，是影响混凝土耐久性的重要因素。本文探讨相关问题，并就一些技术因素和对应策略进行讨论。
关键词：水环境 腐蚀 混凝土 耐久性
COTTOSION OF WATAR ENVIRONMENT ANG DURABILITY FOR CONCRETE
Hong Nai-feng
(Central Research Institute of Building and Construction of MCC Group)
Abstract : Concrete structure is in face of extensive water corrosion environment in China. In particular, Seawater, pollutant water and acid rain are evident corrosion for concrete structure, That is import factor for durability. This text discuss correlation problem and strategy
Keywords: water environment corrosion concrete durability
1． 引言
我国拥有的陆地面积为960万平方公里，其中有长江、黄河等七大水系和众多的湖泊；我国同时具有300万平方公里的管辖海域，有众多的岛屿和一万多公里的海岸线。在世界上，我国也算得上水域大国。
海水含3-3.5%盐（主要是氯盐、少量硫酸盐），海洋工程和沿海钢筋混凝土建筑，均会受到来自海洋环境的“盐害”，特别是氯盐引起的钢筋锈蚀，成为影响混凝土结构耐久性的主要问题，并成为当今世界的重大课题和热点问题之一。
就淡水而言，它是我国人民赖以生存和国家可持续发展的可贵资源，我国人均水资源占有量约仅为世界人均水平的1/4，属于水资源缺乏的国家。而我们的“水环境”却很不乐观。一方面存在着资源不足，另一方面又存在着严重的水污染的现状。而事实上，淡水的日益紧缺已经成为我国面临的严重问题；同时，水污染带来的危害也日益凸现出来。其中，对
作者简介：洪乃丰 1938年生 中国腐蚀与防护学会常务理事，中冶集团建筑研究总院教授级高工。
通讯地址：北京海淀区西土城路33号（100088），电话：010——82227253
建筑、特别是钢筋混凝土的腐蚀破坏是重要组成部分。
此外，酸雨的危害也不可小视。我国酸雨面积已经占国土面积的1/3，不仅对农作物和森
林损害极大，同时对于建筑物、钢混凝土也有很大的腐蚀破坏作用。有报告估算，1999年，我国因为酸雨造成的经济损失就高达130亿元。（http://cssd.acca21.org.cn/wuran.html）。
水泥、钢材是钢筋混凝土结构的主体材料。据悉，2003年我国水泥消费量为八亿两千万吨，相当于全世界产量的５５％；同年钢材消费量达2.714亿吨，也是名符其实的全球最大的钢材消费国，而其中建筑是用钢大户。可以毫不夸张地说，全世界半数以上的钢筋混凝土工程项目、基础设施建设，都是在中国大地上进行着。在这大好发展形势的同时，应该高度重视我国“水环境”对基础设施及其耐久性的不利影响，并采取战略性对策，以适应我国的可持续发展战略。
2． 混凝土结构的海水腐蚀与控制对策
2.1 我国海洋环境
我国海岸线长并有大量岛屿，南方高温高湿，北方存在冻融问题。海水、海风、海雾中所含的氯盐，将对混凝土结构造成腐蚀破坏。我国早期的调查资料表明，处于海洋环境下的混凝土结构腐蚀破坏严重、耐久性问题突出，大多达不到设计寿命，反复修复或提前重建，经济损失巨大。目前，海洋环境中混凝土结构的耐久性仍然是关键因素。作者曾参加了大型跨海桥设计方案论证，其中，氯盐腐蚀与结构寿命，成为论证的中心议题。我国沿海是经济发展核心区域，氯盐危害的防治是不能轻视的。
2.2 氯盐腐蚀是影响结构耐久性的第一要素
著名结构耐久性专家梅塔（P.K. Mehta）教授，在总结世界50年混凝土耐久性状况时说：“当今世界，如果把影响混凝土耐久性的因素按重要性递减的顺序排列的话，那么它们分别是：钢筋腐蚀、冻融破坏、侵蚀环境的物理化学作用”[1]。可以看出，除冻融破坏之外，都可归结为腐蚀因素，而钢筋腐蚀排在了影响混凝土耐久性的首位。
2001年，梅塔教授又以“21世纪建筑结构的耐久性”为名，重述上面观点：
“钢筋腐蚀是钢筋混凝土结构破坏的主要原因”[2]。
氯盐主要来自海洋环境和化冰盐。据悉，美国因氯盐因素所造成的经济损失，可占到GNP的4% (据 Parker教授 1997年报告)，等同于其军费开支。美国60万座桥，20年内平均年修复费为566亿美元。近期，美国每年钢筋锈蚀成本超过1500亿美元[3][4]。
因而，氯盐腐蚀不仅是影响混凝土耐久性的主要外在条件，同时也成为重大经济问题。成为技术界学者、经济界学者、政府官员与管理者共同关注的问题，是当今国内外研究的重点、热点问题。也是与我国可持续发展紧密相关的问题之一。
2.3氯盐影响耐久性的模型与应用
可能有不同的“寿命期”理解与定义，而对于氯盐的影响，通常用图1进行描述（Cady-Weyers 模型）。
按图1，Clˉ导致钢筋腐蚀结构破坏大致可分为A、B、C、D 四个阶段：
A——Clˉ进入混凝土中，在钢筋表面达到“临界值”（钢筋开始腐蚀）；
B——钢筋腐蚀发展，混凝土顺筋开裂发生；
C——钢筋腐蚀继续发展、膨胀，导致混凝土剥落；
D——钢筋腐蚀继续发展，最终导致结构失效、破坏。
结构破坏度
极限度
A B C D
结构使用年限
图1 Clˉ导致钢筋腐蚀结构破坏的阶段描述图
从设计考虑，欲控制结构的使用年限，控制第一阶段是最重要、最实际的（后面三个阶段是很难控制的）。于是，绝大多数的“模型”创建者，均将第一阶段的末端（钢筋开始腐蚀）定义为“寿命期”（预示结构应该考虑修复了，并不等同于结构实际使用寿命）。
到目前为止，绝大多数的研究者还是赞同和利用菲克定律来描述Cl— 在混凝土中扩散过程的，其表达式是：
C（x,t）= C0(1-erf x/2√D0t ) (1)
式1中：
C（x,t）——经过时间t达到混凝土深度x处的Cl—浓度；
C0——混凝土表面的Cl—浓度；
D0——Cl—扩散系数。
理论上讲，只要知道混凝土表面的Cl—浓度C0、Cl—扩散系数D0，和钢筋表面混凝土层的厚度，在确定一个“临界值”的情况下，就可以计算出钢筋开始腐蚀的时间（t）来，那么“寿命期”便是可知的了，这就是“模型”的理论依据。
“模型”的真正意义在于它的可用性、可靠性。“模型”与实际的符合程度，取决于C0、D0t的正确选择和“临界值”的恰当确定。这几个关键因子并不是容易确定的，每一个因子又受到多方面因素的影响与制约。比较可靠的数据往往来自几十年的环境试验、大量长时期数据积累与分析。美国、欧洲等已经推出可用性“模型”，并载入耐久性设计指导文件。我国也在努力，主要是缺乏长期性基础数据（很少人从事这种长远性工作）。一些采用个别、短期试验乃至完全用“设定”数据所建立的“模型”，其可靠性是值得商榷的，而依此推断工程结构的“寿命期”更欠斟酌。
美国、欧洲、日本等国家，已经有一些“模型”可供应用。更有意义的是把寿命与经济分析联为一体，提出了“全寿命经济分析法”（ LCCA）[5][6][7]。以下是一则应用实例。在海洋环境中设计使用寿命为75年的钢筋混凝土桩（www.structuremag.org/archives/ 2003/july），对于采取不同防氯盐措施的LCCA成本对比结果列入表1。
表1 LCCA模型（DuraModel）分析结果
序号 措施种类 （t）“寿命期”（年） 每m3混凝土附加成本（美元） 每m3混凝土全寿命成本（美元）
1 普通钢筋混凝土 10 0.0 111
2 加20%粉煤灰 13 0.0 94
3 加7.5%硅灰 21 4.5 69
4 亚钙基阻锈剂 48 7.8 26
5 有机基阻锈剂 21 5.0 74
6 2+4 64 7.8 14
7 3+4 76 12.4 12.4
8 2+5 33 5.o 52
9 3+5 51 9.5 29
可以看出，在9组措施方案中，第7组可以满足75年的寿命要求，除了最初增加一些费用之外，没有后期修复费用、总花费最少（为第一组的1/9），其次是第6组较优。而普通钢筋混凝土（第1组），在海水环境下，没有预先采取防氯盐措施，氯离子达到临界浓度的时间（“寿命期”）只有10年，要保持75年使用寿命，必须进行多次修复，其总花费最多（约是第7组的9倍）。 可见长期效益之巨大，而“短期行为”是不可取的。
不同的方案的对比结果，可供业主和设计者选择，从而显示了长远的效益的最大化，这正是实施LCCA法的目的。
“模型”很重要，但缺乏相关数据或数据不可靠 就不能期望LCCA的正确结果。我国的材料、环境、经济因素等与国外有明显差异，需要创建符合我国国情的LCCA方法，这是一件复杂、长期的任务，需要政府支持、多部门合作方可取得发展。
3． 混凝土的污染水腐蚀与控制
3.1 混凝土腐蚀是水污染的危害之一
据报道，我国河流、湖泊和地下水均受到不同程度的污染，七大水系近一半河段严重污染。有报道说，在1995年污染造成的经济损失中，水污染的损失是大头，占到76.20%（http://cssd.acca21.org.cn/wuran.html）。国家环保总局报告中指出：我国流经城市的90％河段受到严重污染。据世界银行测算，1995年中国空气和水污染造成的损失占GDP的8％；专家们测算，2003年环境污染和生态破坏造成的损失占GDP的15％（人民日报 2005-4-26）。
水污染造成的损失是来自多方面，其中对建筑、特别是钢筋混凝土的腐蚀破坏所造成的危害与损失，是重要组成部分。可以说我国水污染，已经成为影响以基础设施为主体的混凝土耐久性的重要因素之一。很多桥梁墩台，在水位浮动的部位首先被破坏就是证明。京津塘高速公路龙风新河桥墩柱的被腐蚀就是典型的例证。另一个典型的事例是位于昆明市的我国第一座水电站（也是一座具有90多年历史的文物电厂），由于用于发电的河水酸性污染，发电设备受到腐蚀损坏，腐蚀造成坝底漏水，随时有垮坝的危险，2004年10月不得不忍痛做出了停产的决定。
不久前，黄河三门峡水库泄水呈“酱油色”，水面上还不时泛起白色泡沫。据悉，上个世纪９０年代后期以来，每到冬春季节，三门峡水库的泄水都会变成“酱油水” （http://www.jiaodong.net/2004/4/143157.htm），可见污染之严重。
3.2污染水对混凝土腐蚀的主要因素与技术指标分析
水污染因素是复杂的，就腐蚀影响而言，主要取决于水的酸碱度（PH）、无机盐含量、电导率、有机物含量、微生物性质与含量、氧含量以及水流速度等。
3.2.1 水的酸碱度（pH）与腐蚀性
由于混凝土中含有一定数量的氢氧化钙，因此具有强碱性（pH≧12.5），并使其内钢筋处于钝化状态。所有酸性水都能“中和”混凝土中的碱，从而损害混凝土，同时也破坏钢筋的钝化状态、促进钢筋腐蚀。国内外相关标准，都对水的pH与腐蚀性关系做出规定，并对腐蚀程度进行分级。表2是一个综合结果，可作参考。
表2 水的pH与腐蚀性分级（对钢筋混凝土）[7] [8]
分 级
酸 度 轻微腐蚀 中度腐蚀 重度腐蚀 非常腐蚀
pH ≤6.5 6.5—5.5 5.5—4.5 ≤4.5
国内外标准并不完全一致（有3、4、5、6级之分）。为了简明，近期美国加州做出规定，以PH为5.5为分界线，凡低于此线者定位为有腐蚀危害，并作为对结构物采取防护措施的起始点。
3.2.2 水中有害离子的腐蚀作用与分级标准
对钢筋混凝土有腐蚀破坏作用的盐类，主要有氯盐、硫酸盐、镁盐、铵（氨）盐等。氯盐(氯离子Clˉ)主要是腐蚀混凝土中钢筋；硫酸根离子（SO4- -）主要破坏混凝土（硫酸盐侵蚀），同时也腐蚀钢筋；镁离子、铵（氨）离子能够置换混凝土中的钙，从而破坏混凝土组分、降低强度。这些盐类都还能大幅度增加混凝土冻融破坏的可能性。表3列出了分级标准（参考），应该指出，这是对通常水的腐蚀分级（各国也不尽相同），目前尚未见到专用于“污染水”的腐蚀分级标准。污染水的成分是复杂的，有机物分解的产物、重金属离子等，也可能腐蚀钢筋混凝土。
表三 水中有害离子的腐蚀分级标准（对钢筋混凝土）[7] [8]
分级
离子含量
(mg/L)
轻微腐蚀
中度腐蚀
重度腐蚀
非常腐蚀
Clˉ 500 500-5000 5000-10000 ＞10000
SO4- - ＜1500 1500-3000 3000-6000 ＞6000
Mg++ ＜500 500-1000 1000-3000 ＞3000
HN+ ＜500 500-800 800-1000 ＞1000
3.2.3 水的电阻率与腐蚀性
受污染的水、特别是酸、碱、盐含量提高，其电阻率一定下降。因此，电阻率与腐蚀有对应关系。美国相关文件规定，水的电阻率为1000（Ω•cm）作为腐蚀的和采取防护措施的起点
4． 酸雨的腐蚀性
酸雨的形成，主要是工业、汽车等排放到大气中的酸性气体作用的结果，包括二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳等。其中二氧化硫（SO2）可能起主要作用。1995年全国二氧化硫排放总量达到2370万吨，目前虽然已经降低到2000万吨以下，但仍然超出中国可允许的容量范围。目前已经有1/3的国土面积遭受酸雨危害[7]，在今后一段时期内，酸雨危害依然存在。
酸雨对钢筋混凝土的腐蚀性，可用表2给出的水的pH与腐蚀性分级进行判定。酸雨可能比同等酸度水的腐蚀性更强（因有充分的氧气），涉及面广，其危害性不可低估。
5．简要结语
——目前，我国基本建设规模居世界第一[9]，并以钢筋混凝土为主体，而混凝土耐久是我们面临的大问题。特别是基础设施，保证其长期、有效、安全的运行，是国民经济可持续发展的依托[7][9]。
——水环境对钢筋混凝土结构的腐蚀问题，是影响结构耐久性的重要方面，而我国水环境腐蚀具有广泛性和严酷性，应因起特别的重视。
——我国水环境腐蚀问题，至少需要从两个方面着手解决，一是通过环境治理，最大限度地减少水污染、空气污染（酸雨），另一方面要加大对结构物防护的力度，提高其自身抗环境腐蚀的能力。这两个方面都具有战略性和长远性意义。
参考文献
1．"DURABILITY OF CONCRETE--FIFTY YEARS OF PROGRESS?" in Durability of Concrete; Second International Conference, 1991, Montreal, Canada; Ed. by V. M. Malhotra; American Concrete Institute, Detroit, MI, 1991, Vol. 1, pp 1-31. (ACI SP-126)
2．P.K. Mehta and R.W. Burrows: "Building Durable Structures in the 21st Century", Concrete International, March 2001, pp.57-63.
3．Corrosion Costs and Preventive Strategies in the United States FHWA-RD-01-15
4．Schiessl.P “Corrosion of Steel in Concrete” Published by E&FN Spon , 1997
5. P.E., President. “Minimizing Infrastructure Deterioration” September , 2000.
6. National Highway System designation Act：LCCA Requirements FHWA-HNG-40 April 19，1996
7. 《混凝土结构耐久性设计与施工指南》 中国建筑工业出版社 2004.5
8. 洪乃丰 《基础设施腐蚀防护和耐久性问与答》 《化学工业出版社》 2003.8
9．洪乃丰 建筑腐蚀与可持续发展 《 工业建筑 》2006.3
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