1水工混凝土結構防腐蝕設計流程

水工建筑物的耐久性設計流程一般是這樣的，首先根據勘察報告對環境情況進行評價，確定環境類別；然后根據環境類別和設計使用年限確定耐久性要求，包括混凝土強度等級、最大裂縫寬度限值、鋼筋保護層厚度等，然后進行結構相關設計計算。遇到化學侵蝕環境時， 需要在確定環境類別時考慮化學侵蝕程度，同時應對混凝土材料提出防腐蝕要求。為了對防腐蝕設計有較清晰的理解，我們還是簡單介紹下混凝土結構的腐蝕原理。

2混凝土結構腐蝕原理

2.1 混凝土材料特性

我們常見的混凝土是由砂、石、水泥和水按一定比例混合攪拌硬化形成的復合材料。泥與水反應生產的膠狀物作為粘接劑，將砂、石組合成整體。砂、石這些骨料，堅硬而致密，一般情況不容易被腐蝕，而水泥與水反應生成的水泥石為多孔結構，這些孔隙為水提供了向結構內部浸潤和滲透的通道，使結構材料發生溶蝕和腐蝕。

2.2 混凝土腐蝕原理

水泥石中的水化產物主要有氫氧化鈣、水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、水化硫鋁酸鈣等，侵蝕類型主要為溶解侵析、離子交換、形成膨脹產物三種形式。 溶解屬于物理變化，因為任何物質在水中都存在一定的溶解度，水的硬度越低，也就是鈣、鎂離子含量越低，可溶出的物質就越多。 反之硬度越大，溶解侵析作用就越小，就類似清水里加鹽，開始溶解很快，接近飽和時加強攪拌也不怎么溶解。

離子交換和形成膨脹性產物均屬于化學變化，這里我合并介紹為酸、堿、鹽的腐蝕。水泥石與酸反應，能生成鈣鹽，可溶性鈣鹽溶解于水后流失，不可溶鈣鹽喪失了膠結能力可脫落；水泥石中鋁酸三鈣與強堿反應，如鋁酸三鈣和氫氧化鈉反應生成鋁酸鈉和氫氧化鈣，鋁酸鈉可溶于水。 水泥石與鹽反應，鎂鹽能和氫氧化鈣生成溶解度較大的氫氧化鎂；硫酸鹽可與氫氧化鈣生成微溶的硫酸鈣，這還不是最主要的，生成的硫酸鈣還可與水化鋁酸鈣繼續反應生成鈣礬石， 體積膨脹約1.5 倍，硫酸鈣由于微溶，自身還會再結晶，也會產生膨脹造成結構應力變化引起破壞。 此外還有堿骨料反應，是混凝土中的堿和骨料發生的反應，反應機理較復雜，本處不再詳細介紹，可以參見相關專題研究。

3混凝土防腐蝕設計實例分析

根據以上腐蝕原理可以看出，對混凝土結構產生腐蝕作用的主要有硬度、pH 值、硫酸根離子、鎂離子等，防腐蝕設計就是針對不同的有害環境因素對癥下藥的過程。在平時的水工設計中較常見的是硫酸鹽型腐蝕。 我們從一個設計實例來說明。

某沿海地區泵站，巖土工程勘察報告給出的環境水對混凝土腐蝕性判定見下表：

我們看到上表中勘察提出的腐蝕性評價為硫酸鹽型中等腐蝕，而按照《水工混凝土結構設計規范》（下稱《結規》）3.3.9 條，硫酸根離子濃度最大為 581.3mg/L,對應化學侵蝕程度為輕度。 這里的差別是因為勘察采用的《巖土工程勘察規范》（下稱《巖規》）和《結規》采用的評價標準不同，《巖規》的判定標準把環境按溫度、濕度和透水性的不同分了三類，每類下再根據離子含量分成微、弱、中、強四個級，這樣區分比較細，好處是有針對性?！督Y規》直接按照離子含量區分化學侵蝕程度，共分輕度、中度、嚴重三類，分別對應三、四、五類環境類別。 這樣區分對設計的最大好處就是簡單易用。

按《結規》化學侵蝕程度為輕度，對應環境類別為三類，設計使用年限為 50 年， 由環境類別和使用年限可以確定鋼混結構最大裂縫寬度、混凝土最低強度等級、保護層厚度等等一系列工程設計人員應該非常熟悉的內容。但是對硫酸鹽型輕度腐蝕在設計中對混凝土材料應該怎樣處理，《結規》中與之相關的只有 3.3.10 條：“對處于化學侵蝕性環境中的混凝土，應采用抗侵蝕性水泥，摻用優質活性摻合料，必要時可同時采用特殊的表面涂層等防護措施”. 條文說明中也未對該條進行解釋，但設計人員在設計文件中應明確處理方法，還應進行方案比選，怎么辦？它山之石可以攻玉，我們不妨看看其他規范中針對混凝土材料的防硫酸鹽腐蝕問題怎樣規定。我選擇了三個國家標準：《混凝土結構耐久性設計規范》、《巖土工程勘察規范》、《工業建筑防腐蝕設計規范》和一個行業標準：《公路工程混凝土結構防腐蝕技術規范》。

《混凝土結構耐久性設計規范》B.1.6 提到， 當環境作用為中度和嚴重時，水泥中的鋁酸三鈣含量應低于 8%和 5%;當使用大摻量礦物摻合料時，水泥中的鋁酸三鈣含量可分別不大于 10%和 8%;當環境作用為非常嚴重時，水泥中的鋁酸三鈣含量應低于 5%,并應同時摻加礦物摻合料。 “當混凝土結構構件處于硫酸根離子濃度大于 1500mg/L 的流動水或 pH 值小于 3.5 的酸性水中時， 應在混凝土表面采取專門的防腐蝕附加措施”.

《巖土工程勘察規范 》在 12.2.6 條中提到 “水 、土對建筑材料腐蝕的防護，應符合現行國家標準《工業建筑防腐蝕設計規范》（GB 50046）的規定。 ”

《工業建筑防腐蝕設計規范》中提到中抗硫酸鹽水泥，可用于硫酸根離子含量不大于 2500mg/L 的液態介質；高抗硫酸鹽水泥，可用于硫酸根離子含量不大于 8000mg/L 的液態介質。 摻入外加劑時應對混凝土性能無不利影響，對鋼筋無腐蝕作用；摻量、使用方法和耐腐蝕性能可按相應產品的使用說明并經驗證后確定。

《公路工程混凝土結構防腐蝕技術規范 》中 4.2.8 條提到 “硫酸鹽等化學腐蝕環境下應選用低鋁酸三鈣量的水泥并適當摻加礦物摻合料， 嚴重化學腐蝕環境下的耐久性混凝土宜通過專門的試驗研究確定。 ”還規定當環境腐蝕程度為嚴重及以上時應考慮在構件的混凝土表面設置防腐蝕面層或涂層的需要。

從以上規范來看，針對硫酸鹽型腐蝕環境下的混凝土結構耐久性問題，處理辦法主要有三種，一是通過控制水泥中鋁酸三鈣的含量，摻加礦物摻合料，采用抗硫酸鹽水泥；二是在普通混凝土中摻入抗硫酸鹽腐蝕外加劑；三是在表面設置外防護面層或涂層的附加措施。 設計中可以根據具體情況進行比選后采用。 本例由于混凝土量較小，侵蝕程度較輕，最終采用了添加抗硫酸鹽侵蝕劑的方案。

4結語

通過對水工混凝土材料防腐蝕問題的討論，我們可以看到在設計中偶爾能遇到規范規定較為籠統，不好具體操作的情況，這時不能置之不理， 更不能將規范條文直接抄到設計文件中把責任推給施工單位。設計人員在無實際經驗的情況下，可以博取眾長，多看其他相似規范中如何規定的，多查相似工程中如何處理，認清事情的本質，在遵循規范的前提下，通過自己合理判斷進行設計。 這樣不僅能使設計成果更科學、經濟，也能利于施工，方便管理。

【參考文獻】

[1]GB 50021-2001巖土工程勘察規范（2009 年版）[S].

[2]GB/T 50476-2008混凝土結構耐久性設計規范[S].

[3]GB 50046-2008工業建筑防腐蝕設計規范[S].

[4]JTG/T B07-01-2006公路工程混凝土結構防腐蝕技術規范[S].

[5]SL 191-2008水工混凝土結構設計規范[S].