水工混凝土防腐蚀设计实例分析

　　1水工混凝土结构防腐蚀设计流程

　　水工建筑物的耐久性设计流程一般是这样的，首先根据勘察报告对环境情况进行评价，确定环境类别；然后根据环境类别和设计使用年限确定耐久性要求，包括混凝土强度等级、最大裂缝宽度限值、钢筋保护层厚度等，然后进行结构相关设计计算。遇到化学侵蚀环境时， 需要在确定环境类别时考虑化学侵蚀程度，同时应对混凝土材料提出防腐蚀要求。为了对防腐蚀设计有较清晰的理解，我们还是简单介绍下混凝土结构的腐蚀原理。

　　2混凝土结构腐蚀原理

　　2.1 混凝土材料特性

　　我们常见的混凝土是由砂、石、水泥和水按一定比例混合搅拌硬化形成的复合材料。泥与水反应生产的胶状物作为粘接剂，将砂、石组合成整体。砂、石这些骨料，坚硬而致密，一般情况不容易被腐蚀，而水泥与水反应生成的水泥石为多孔结构，这些孔隙为水提供了向结构内部浸润和渗透的通道，使结构材料发生溶蚀和腐蚀。

　　2.2 混凝土腐蚀原理

　　水泥石中的水化产物主要有氢氧化钙、水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙等，侵蚀类型主要为溶解侵析、离子交换、形成膨胀产物三种形式。 溶解属于物理变化，因为任何物质在水中都存在一定的溶解度，水的硬度越低，也就是钙、镁离子含量越低，可溶出的物质就越多。 反之硬度越大，溶解侵析作用就越小，就类似清水里加盐，开始溶解很快，接近饱和时加强搅拌也不怎么溶解。

　　离子交换和形成膨胀性产物均属于化学变化，这里我合并介绍为酸、碱、盐的腐蚀。水泥石与酸反应，能生成钙盐，可溶性钙盐溶解于水后流失，不可溶钙盐丧失了胶结能力可脱落；水泥石中铝酸三钙与强碱反应，如铝酸三钙和氢氧化钠反应生成铝酸钠和氢氧化钙，铝酸钠可溶于水。 水泥石与盐反应，镁盐能和氢氧化钙生成溶解度较大的氢氧化镁；硫酸盐可与氢氧化钙生成微溶的硫酸钙，这还不是最主要的，生成的硫酸钙还可与水化铝酸钙继续反应生成钙矾石， 体积膨胀约1.5 倍，硫酸钙由于微溶，自身还会再结晶，也会产生膨胀造成结构应力变化引起破坏。 此外还有碱骨料反应，是混凝土中的碱和骨料发生的反应，反应机理较复杂，本处不再详细介绍，可以参见相关专题研究。

　　3混凝土防腐蚀设计实例分析

　　根据以上腐蚀原理可以看出，对混凝土结构产生腐蚀作用的主要有硬度、pH 值、硫酸根离子、镁离子等，防腐蚀设计就是针对不同的有害环境因素对症下药的过程。在平时的水工设计中较常见的是硫酸盐型腐蚀。 我们从一个设计实例来说明。

　　某沿海地区泵站，岩土工程勘察报告给出的环境水对混凝土腐蚀性判定见下表：

　　我们看到上表中勘察提出的腐蚀性评价为硫酸盐型中等腐蚀，而按照《水工混凝土结构设计规范》（下称《结规》）3.3.9 条，硫酸根离子浓度最大为 581.3mg/L,对应化学侵蚀程度为轻度。 这里的差别是因为勘察采用的《岩土工程勘察规范》（下称《岩规》）和《结规》采用的评价标准不同，《岩规》的判定标准把环境按温度、湿度和透水性的不同分了三类，每类下再根据离子含量分成微、弱、中、强四个级，这样区分比较细，好处是有针对性。《结规》直接按照离子含量区分化学侵蚀程度，共分轻度、中度、严重三类，分别对应三、四、五类环境类别。 这样区分对设计的最大好处就是简单易用。

　　按《结规》化学侵蚀程度为轻度，对应环境类别为三类，设计使用年限为 50 年， 由环境类别和使用年限可以确定钢混结构最大裂缝宽度、混凝土最低强度等级、保护层厚度等等一系列工程设计人员应该非常熟悉的内容。但是对硫酸盐型轻度腐蚀在设计中对混凝土材料应该怎样处理，《结规》中与之相关的只有 3.3.10 条：“对处于化学侵蚀性环境中的混凝土，应采用抗侵蚀性水泥，掺用优质活性掺合料，必要时可同时采用特殊的表面涂层等防护措施”. 条文说明中也未对该条进行解释，但设计人员在设计文件中应明确处理方法，还应进行方案比选，怎么办？它山之石可以攻玉，我们不妨看看其他规范中针对混凝土材料的防硫酸盐腐蚀问题怎样规定。我选择了三个国家标准：《混凝土结构耐久性设计规范》、《岩土工程勘察规范》、《工业建筑防腐蚀设计规范》和一个行业标准：《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》。

　　《混凝土结构耐久性设计规范》B.1.6 提到， 当环境作用为中度和严重时，水泥中的铝酸三钙含量应低于 8%和 5%;当使用大掺量矿物掺合料时，水泥中的铝酸三钙含量可分别不大于 10%和 8%;当环境作用为非常严重时，水泥中的铝酸三钙含量应低于 5%,并应同时掺加矿物掺合料。 “当混凝土结构构件处于硫酸根离子浓度大于 1500mg/L 的流动水或 pH 值小于 3.5 的酸性水中时， 应在混凝土表面采取专门的防腐蚀附加措施”.

　　《岩土工程勘察规范 》在 12.2.6 条中提到 “水 、土对建筑材料腐蚀的防护，应符合现行国家标准《工业建筑防腐蚀设计规范》（GB 50046）的规定。 ”

　　《工业建筑防腐蚀设计规范》中提到中抗硫酸盐水泥，可用于硫酸根离子含量不大于 2500mg/L 的液态介质；高抗硫酸盐水泥，可用于硫酸根离子含量不大于 8000mg/L 的液态介质。 掺入外加剂时应对混凝土性能无不利影响，对钢筋无腐蚀作用；掺量、使用方法和耐腐蚀性能可按相应产品的使用说明并经验证后确定。

　　《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范 》中 4.2.8 条提到 “硫酸盐等化学腐蚀环境下应选用低铝酸三钙量的水泥并适当掺加矿物掺合料， 严重化学腐蚀环境下的耐久性混凝土宜通过专门的试验研究确定。 ”还规定当环境腐蚀程度为严重及以上时应考虑在构件的混凝土表面设置防腐蚀面层或涂层的需要。

　　从以上规范来看，针对硫酸盐型腐蚀环境下的混凝土结构耐久性问题，处理办法主要有三种，一是通过控制水泥中铝酸三钙的含量，掺加矿物掺合料，采用抗硫酸盐水泥；二是在普通混凝土中掺入抗硫酸盐腐蚀外加剂；三是在表面设置外防护面层或涂层的附加措施。 设计中可以根据具体情况进行比选后采用。 本例由于混凝土量较小，侵蚀程度较轻，最终采用了添加抗硫酸盐侵蚀剂的方案。

　　4结语

　　通过对水工混凝土材料防腐蚀问题的讨论，我们可以看到在设计中偶尔能遇到规范规定较为笼统，不好具体操作的情况，这时不能置之不理， 更不能将规范条文直接抄到设计文件中把责任推给施工单位。设计人员在无实际经验的情况下，可以博取众长，多看其他相似规范中如何规定的，多查相似工程中如何处理，认清事情的本质，在遵循规范的前提下，通过自己合理判断进行设计。 这样不仅能使设计成果更科学、经济，也能利于施工，方便管理。

　　【参考文献】

　　[1]GB 50021-2001岩土工程勘察规范（2009 年版）[S].

　　[2]GB/T 50476-2008混凝土结构耐久性设计规范[S].

　　[3]GB 50046-2008工业建筑防腐蚀设计规范[S].

　　[4]JTG/T B07-01-2006公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范[S].

　　[5]SL 191-2008水工混凝土结构设计规范[S].