地下水中侵蚀性二氧化碳对水泥基材料的腐蚀性研究

[摘要]近年来，地下结构工程越来越多，由于这些建（构）筑物常年处于复杂的地下环境，常常会受到复杂的物理化学侵蚀，其中地下水侵蚀性CO2腐蚀是被公认为对建（构）筑造成破坏最关键的因素之一，鉴于此，文章对地下水中侵蚀性CO2对水泥基材料腐蚀相关问题进行探讨。

[关键词]侵蚀性 水泥基 传输机理 腐蚀分析

[中图分类号] P641.3 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-11-260-1

0引言

全球气候变化使得人们对于碳排放量的关注越来越多，至此CO2封存技术也得到了广泛的应用，地质封存的CO2气体能够产生大量具有侵蚀性的CO2，这将会对地下建（构）筑物的耐久性产生极其不利的影响。在近几年有关于地下水侵蚀性CO2对水泥基材腐蚀性研究逐渐得到了人们的关注，本文开展有关方向的研究具有一定的前瞻性，对今后关于此方面的研究发展也具有一定的指导意义。

1腐蚀性CO2扩散传输机理

地下水中的侵蚀性CO2通过孔或微小裂痕进入到水泥基材内部，腐蚀性CO2在传输的过程当中会受到了一系列物理、化学以及物理化学机理的影响。气体当中自由分子或离子在泥浆当中由最初开始的无规则运动逐渐转向从高溶度向低溶度方向转移，这就是CO2在水泥基材当中的扩散。

式中，F――扩散速度；m――物质的量（即腐蚀性CO2气体中自由分子和离子）；A――表面积；t――时间。

腐蚀性CO2气体中自由分子和离子通过单位面积的扩散速度，与浓度梯度dc/dx和扩散系数D正比应该能够满足“菲克第一扩散定律”，如下所示：

式中，C――浓度；X――扩散距离。

地下水中的腐蚀性CO2在水泥基材当中的传输主要表现以扩散为主导，在外界环境、净浆组成以及建（构）筑物结构变化不大的情况下，扩散的距离与影响时间的二次方成正比例关系。

2地下水中侵蚀性CO2对水泥基材料的腐蚀分析

2.1侵蚀性CO2与水泥基材料的反应

水泥基材料当中并存了固、液、气三种复杂的体系，地下水中环境相当的复杂，由于受到了微生物分解的作用，使得地下埋藏的CO2浓度远远大于地表上天然水中CO2浓度，CO2与水会发生化学反应形成碳酸，并且能够与水泥相互作用，产生盐或无胶结能力其它物质，对水泥结构造成一定的损坏。

当CO2与水反应生成碳酸，并与水泥基材料表面接触，主要产生了以下作用：

Ca（OH）2+H2CO3=CaCO3+2H2O

已经硬化的水泥当中含有Ca（OH）2，在碳酸的环境下，会在水泥基材料的表面形式碳酸钙。

CaCO3+CO2+H2O=Ca（HCO3）2

形成的碳酸钙之后，还能进一步的与碳酸发生可逆反应，形成了Ca（HCO3）2，若所处的环境为流动水，生成Ca（HCO3）会被冲走，关系当中难以达到平衡状态，反应则会一直延续下去。在这个过程当中，地下水中侵蚀性CO2首先溶解了水泥基材料表面已经发生过碳化过的物质，在此基础上Ca（OH）2与碳酸进行反应生成了CaC03，此时生成的碳酸钙仅为中间产物，最终形成的是Ca（HCO3）2。在这个不断发生化学反应的过程当中，水泥基材当中溶液的pH值会不断发生变化，会导致水泥基材料的质量出现损失，增加了孔隙率，改变了材料的物理性能和结构，对材料的耐久性造成不利影响。

2.2侵蚀性CO2与水泥基材料的热力学反应传质

为了便于研究，可以将地下环境中水泥基材料和地下水环境看作是一个整体的系统，基于地质化学的理论，把整个系统可以表述如图：

在地下水中，CO2主要通过游离酸扩散的方式进入到水泥基材料的内部，首先就会与材料的孔溶液发生化学作用，由于发生化学反应的时间比扩散所需的时间短，因此在这个影响当中主要还是以扩散主导。在反应的过程中，会使得孔溶液当中的钙离子和pH值急剧下降，进而对材料内部的组成以及结构造成影响甚至改变。

2.3侵蚀性CO2对钢筋混凝土材料结构的影响

在地下水中侵蚀性CO2与水泥基材料生成的Ca（OH）2，部分会逐渐的溶解于毛细孔形成溶液，在这个过程当中，pH值会伴随着增加达到12.4以上，而针对于孔溶液来说，会增加到13.2以上。在这样高浓度的碱环境下，会生成高碱性水化产物，但是如果pH值降低，就会促使高碱性水化产物分解，会对混凝土材料的组成、结构以及性能造成巨大的影响。

钢筋混凝土结构中，混凝土与钢筋是紧密粘连在一起的，由于材料的特性使得在钢筋表面上形成了一层致密、稳定的碱性钝化膜，这层钝化膜能够对金属离子的渗透通过造成很大的阻碍，能够起到保护钢筋的作用。有关学术机构研究表明，混凝土结构当中的钢筋发生锈蚀主要是在两个不同的pH值控制。一旦当pH值大于11.5时，在钢筋的表面会形成一层非常稳定的覆盖膜，而一旦当pH值低于9.88时，形成的覆盖膜会处于完全的活化状态，不能够稳定存在。所以可以得出，保证混凝土内部有足够的孔溶液可以防止钢筋发生锈蚀，一旦破坏了混凝土内部孔溶液碱度都会使钢筋钝化膜受损，进而导致钢筋锈蚀。处于流动的地下水中，侵蚀性CO2与水泥基材料发生化学反应生成Ca（HC03）2，被流动的水带走，不断会溶失，引起水化硅酸钙与水化铝酸钙的分解，从而给水泥基材的质量带来影响。

3结束语

总之，地下建（构）筑物由于所处的环境较为恶劣，其中侵蚀性CO2腐蚀是最为严重的破坏因素之一，需要不断加强加强对水泥基材料的耐久性研究。文章主要的研究内容来源与自身的学术认知和实际的工作经验，就目前来说，业内关于此方面的研究较少，希望能以本文引发业内人士的思考，具有一定的实际意义。

参考文献

[1]王凤池，王志攀，张庆博，丁军胜. 玻璃混凝土的抗侵蚀性能[J].济南大学学报（自然科学版）.2013（02）.

[3]吴庆，汪俊华，吴公勋.混凝土硫酸盐侵蚀双因素影响及干湿循环与连续浸泡差异分析[J].四川建筑科学研究.2010（06）.

[2]黄文新.广州地铁混凝土结构在环境多因素作用下抗侵蚀耐久性的研究[D].华南理工大学.2011.

[4]李华，孙伟，左晓宝.矿物掺合料改善水泥基材料抗硫酸盐侵蚀性能的微观分析[J]. 硅酸盐学报. 2012（08）.