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潮湿环境会从多个方面对混凝土耐久性产生不利影响,具体如下:
电化学腐蚀过程:在潮湿环境中,混凝土内部的钢筋表面会形成一层薄薄的水膜。这层水膜中含有溶解的氧气,与钢筋中的铁发生电化学腐蚀反应。阳极反应是铁失去电子变成亚铁离子(Fe−2e−→Fe2+Fe−2e−→Fe2+),阴极反应是氧气得到电子生成氢氧根离子(O2+2H2O+4e−→4OH−O2+2H2O+4e−→4OH−),亚铁离子和氢氧根离子结合生成氢氧化亚铁(Fe2++2OH−→Fe(OH)2Fe2++2OH−→Fe(OH)2),氢氧化亚铁进一步被氧化成氢氧化铁(4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)34Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3),氢氧化铁脱水后形成铁锈(2Fe(OH)3→Fe2O3+3H2O2Fe(OH)3→Fe2O3+3H2O)。
对耐久性的破坏:铁锈的体积比原来的钢筋大很多,会在混凝土内部产生膨胀应力。当膨胀应力超过混凝土的抗拉强度时,混凝土就会开裂、剥落。例如,在一些沿海地区的混凝土建筑中,由于空气湿度大且含有一定量的盐分,钢筋锈蚀的速度会更快,可能使用不到10年就会出现混凝土保护层开裂、钢筋外露的情况,严重影响混凝土结构的耐久性和安全性。
反应原理:如果混凝土中存在活性骨料,在潮湿环境下,混凝土中的碱性物质(如氢氧化钠、氢氧化钾等)会与活性骨料发生化学反应。活性骨料中的二氧化硅等成分会与碱反应生成膨胀性的凝胶,例如2NaOH+SiO2→Na2SiO3+H2O2NaOH+SiO2→Na2SiO3+H2O,生成的硅酸钠凝胶会吸收水分并膨胀。
对耐久性的影响:这种膨胀性的凝胶会在混凝土内部产生应力,引起混凝土开裂和膨胀。碱 - 骨料反应是一个缓慢的过程,但一旦发生,会对混凝土结构造成严重的破坏,且难以修复。例如,某些使用了含活性二氧化硅骨料的混凝土工程,在潮湿环境中经过几年甚至更长时间后,可能会出现大面积的开裂和膨胀现象,导致结构的使用寿命大大缩短。
碳化过程:潮湿环境为二氧化碳进入混凝土提供了便利条件。空气中的二氧化碳会扩散到混凝土内部,与混凝土中的氢氧化钙发生化学反应,生成碳酸钙和水,化学方程式为CO2+Ca(OH)2→CaCO3+H2OCO2+Ca(OH)2→CaCO3+H2O。
对耐久性的危害:碳化会使混凝土的碱性降低,当碳化深度超过钢筋保护层厚度时,会破坏钢筋表面的钝化膜,使钢筋失去碱性环境的保护,从而更容易发生锈蚀。例如,在一些长期处于潮湿且二氧化碳浓度较高环境中的混凝土结构,如地下室、隧道等,碳化速度会加快,导致钢筋锈蚀提前发生,降低混凝土结构的耐久性。
破坏机理:在寒冷潮湿地区,混凝土孔隙中的水分会在低温下结冰。水结冰时体积会膨胀约9%,在混凝土内部产生膨胀应力。当反复经历冻融循环时,这种膨胀应力会不断作用,导致混凝土内部的微裂缝逐渐扩展和连接。
对耐久性的影响:经过多次冻融循环后,混凝土会出现表面剥落、掉角、强度降低等现象,严重影响其耐久性。例如,在北方地区的混凝土路面,经过一个冬季的冻融循环后,可能会出现不同程度的破损,需要频繁进行维修和养护。
侵蚀过程:潮湿环境会使混凝土中的孔隙充满水分,为腐蚀性介质(如海水中的氯离子、工业废水中的酸碱物质等)的渗透提供了通道。这些腐蚀性介质会与混凝土中的水泥水化产物发生化学反应,破坏混凝土的结构。例如,氯离子会与混凝土中的氢氧化钙反应生成氯化钙,同时还会破坏钢筋表面的钝化膜,促进钢筋锈蚀;酸性物质会与氢氧化钙发生中和反应,降低混凝土的碱性。
对耐久性的损害:化学侵蚀会导致混凝土的强度降低、耐久性下降,缩短结构的使用寿命。在一些化工企业的混凝土设备基础,由于长期接触腐蚀性介质,可能会出现混凝土快速劣化的情况。