淺析新疆冬季水泥混凝土道路的鹽侵蝕機(jī)理

龍治國

(新疆吐魯番公路管理局托克遜分局)

1 概述

新疆地區(qū)冬季寒冷，冰雪天氣多，晝夜溫差大，室外氣溫正負(fù)交替情況時(shí)常出現(xiàn)。另外該地區(qū)土地的嚴(yán)重鹽漬化與除冰鹽帶人的各鹽類化合物及其它腐蝕物質(zhì)和凍融的共同作用，使水泥混凝土發(fā)生凍融破壞，并腐蝕水泥混凝土及銹蝕其內(nèi)部的鋼筋結(jié)構(gòu)，破壞速度及程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通水泥混凝土凍融破壞形式。再加上交通運(yùn)輸?shù)淖饔?，使得此類破壞情況非常普遍，但從外表看其損壞狀態(tài)與普通凍融相類似。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，新疆地區(qū)冬季公路水泥混凝土構(gòu)造物鹽腐蝕現(xiàn)象十分普遍，輕者使各種構(gòu)造物的功能受到影響，重者嚴(yán)重威脅到公路交通的安全。

2 病害機(jī)理分析

通過對(duì)新疆多個(gè)地區(qū)的公路小型構(gòu)造物破損狀況的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)除了除冰鹽腐蝕與凍融的綜合破壞以外，水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)及早期養(yǎng)生不當(dāng)也是混凝土構(gòu)件破損的主要原因之一，如水灰比高、孔隙率較大;材料選用時(shí)未嚴(yán)格把關(guān)，砂石材料質(zhì)量差，礦質(zhì)混合料集料級(jí)配波動(dòng)大;對(duì)外加劑、摻和料使用不當(dāng)，導(dǎo)致耐久性降低等等。小型構(gòu)造物破損經(jīng)常是上述因素綜合交替作用的結(jié)果。

新疆日溫差較大，冬季道路上所存在的除冰鹽會(huì)與冰或雪交融，形成冰點(diǎn)比普通水低的鹽水，使其周圍的冰雪融化，從而造成連鎖的消融現(xiàn)象。該過程不斷進(jìn)行，直到鹽水濃度被稀釋至過低的水平，不能繼續(xù)融化冰雪為止。水泥混凝土在這樣的環(huán)境下，極易受到鹽溶液的侵入，所以說，氯離子被吸收是難以避免的。

2.1 外界氯離子對(duì)水泥混凝土的影響

水泥混凝土材料的劣化主要是有害物質(zhì)侵入水泥混凝土內(nèi)部的結(jié)果。氯鹽侵入水泥混凝土內(nèi)部主要通過孔隙內(nèi)已存在的鹽溶液離子濃度差進(jìn)行，該濃度差提供驅(qū)動(dòng)力，使得氯鹽由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)進(jìn)行遷移。

氯離子在水泥混凝土內(nèi)部的傳輸過程中，部分氯離子會(huì)與水泥混凝土膠凝材料的水化產(chǎn)物相結(jié)合，推遲了氯離子的遷移進(jìn)度，在一定程度上可以延緩其對(duì)水泥混凝土中配筋的破壞。但這種結(jié)合是非穩(wěn)態(tài)的，在水泥混凝土周圍環(huán)境溫度上升時(shí)，被結(jié)合的氯離子仍有可能釋放成自由氯離子。所以仍能降低氯離子在水泥混凝土中的滲人程度。

2.2 水溫因素的影響

新疆冬季鹽凍循環(huán)下水泥混凝土破壞過程及機(jī)理非常復(fù)雜，結(jié)合以往理論研究，可首先分析水泥混凝土產(chǎn)生的凍融破壞。該破壞的發(fā)生應(yīng)具備兩個(gè)必要條件，一是水泥混凝土必須與水接觸或具有一定含水量;二是構(gòu)造物所處的自然環(huán)境必須存在反復(fù)交替的正負(fù)溫度。水泥混凝土微孔隙中的水，在正負(fù)溫度交替作用下，形成冰脹壓力(水轉(zhuǎn)變?yōu)楸捏w積膨脹所造成的靜水壓力)和滲透壓力聯(lián)合作用的疲勞應(yīng)力，在這種疲勞應(yīng)力作用下的水泥混凝土產(chǎn)生了由表及里的剝蝕破壞。理論上，水泥混凝土毛細(xì)孔中含水量超過91.7%時(shí)就會(huì)產(chǎn)生很大的壓力。當(dāng)消融過后，凍結(jié)再次發(fā)生時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不斷的膨脹變化，當(dāng)水泥混凝土的膨脹壓力超過其抗拉強(qiáng)度時(shí)，毛細(xì)孔脹破，產(chǎn)生微裂紋，水泥混凝土發(fā)生破壞，從表面剝落直至完全瓦解，這是凍融破壞的基本類型。

由前述分析可知，鹽溶液濃度差的出現(xiàn)，會(huì)造成水泥混凝土內(nèi)部不同層面在受冰凍影響時(shí)結(jié)冰膨脹程度的差異，從而在某層面出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，造成水泥混凝土破壞。濃度差使得鹽溶液在水泥混凝土中較水溶液更易發(fā)生連續(xù)遷移，這種遷移會(huì)造成水泥混凝土內(nèi)部飽水程度的增加，同時(shí)勢(shì)必會(huì)帶來較大的滲透壓力，加劇水泥混凝土的破壞。研究表明，與水中凍融時(shí)的重量損失相比，氯化鈉溶液中凍融時(shí)的重量損失會(huì)增加50%左右。鹽溶液在過飽和時(shí)還會(huì)出現(xiàn)結(jié)晶膨脹現(xiàn)象，在水泥混凝土處于干濕交替循環(huán)的情況下，產(chǎn)生結(jié)晶膨脹破壞。

另外，道路除冰鹽在冰雪融化這個(gè)物理變化過程中，會(huì)間接地從水泥混凝土表面吸收大量熱量，使得冰雪覆蓋層下的水泥混凝土溫度驟降，引起低溫沖擊作用，產(chǎn)生溫度應(yīng)力，加劇水泥混凝土的凍融破壞。

2.3 自由Cl-(氯離子)的影響

并非水泥混凝土中的所有氯離子都會(huì)引起鋼筋的腐蝕破壞，只有自由Cl-(氯離子)才能對(duì)鋼筋起到破壞作用。在堿性或中性溶液中，鋼筋一般比較容易鈍化，而氯鹽離子的存在則能緩解或者防止鈍化的出現(xiàn)。鋼筋水泥混凝土硬化后，外界氯離子通過滲透作用從水泥混凝土毛細(xì)孔中進(jìn)人。透過水泥混凝土保護(hù)層滲透進(jìn)入的氯離子盡管一般不改變鋼筋周圍的堿性環(huán)境，但它被吸附在鋼筋陽極區(qū)的鈍化膜上，與鈍化膜氧化鐵中的鐵離子結(jié)合，生成為易溶的二價(jià)鐵與氯化物的復(fù)合物(綠銹)。綠銹可向鈍化膜外滲出，遇到含氧較多的介質(zhì)時(shí)，又分解為鐵的氫氧化物(褐銹)，再放出氯離子，而重新放出的氯離子又從鋼筋陽極區(qū)帶出更多的二價(jià)鐵離子。所以氯鹽對(duì)鋼筋去鈍化起到促進(jìn)催化作用，但并不改變銹蝕產(chǎn)物的組成。失去鈍化膜的保護(hù)作用，鋼筋極易發(fā)生腐蝕。銹蝕的鋼筋體積膨脹，擠壓破壞水泥混凝土，從而產(chǎn)生順筋破壞。氯離子的半徑很小，具有很強(qiáng)的穿透能力，比其它陰離子更易滲入鈍化膜。實(shí)驗(yàn)表明，普通水泥混凝土在濃度為8.0%的NaCl溶液中浸泡60 d，氯離子的滲透深度可達(dá)2.0 cm。

關(guān)于水泥混凝土結(jié)構(gòu)被破壞時(shí)的臨界氯離子濃度問題，已被許多研究者提出。實(shí)驗(yàn)證明:水泥混凝土拌合物中，氯離子含量只要有水泥重量的0.035%，就足以使水泥混凝土中的鋼筋局部鈍化。已有研究表明，產(chǎn)生水泥混凝土中鋼筋銹蝕的氯離子濃度臨界值與pH值臨界值間存在著一定的關(guān)系。

2.4 處置對(duì)策

針對(duì)水泥混凝土鹽腐蝕特點(diǎn)，我們認(rèn)為，提高水泥混凝土抗鹽腐蝕的關(guān)鍵是隔斷鹽侵蝕的途徑，即有效減少水泥混凝土的外部開口空隙。為此，應(yīng)從提高水泥混凝土的密實(shí)性以及表面涂覆涂層材料方面采取措施。

3 結(jié)束語

(1)新疆冬季道路水泥混凝土構(gòu)造物鹽侵蝕現(xiàn)象較嚴(yán)重。若水泥混凝土拌和物中，氯離子含量只要有水泥重量的0.035%，就足以使水泥混凝土中的鋼筋局部鈍化。產(chǎn)生水泥混凝土中鋼筋腐蝕的氯離子濃度臨界值與pH值臨界值間存在一定的關(guān)系。

(2)氯鹽侵入水泥混凝土內(nèi)部主要是通過孔隙內(nèi)已存在的鹽溶液的離子濃度差進(jìn)行，該濃度差提供驅(qū)動(dòng)力，使得氯鹽由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)進(jìn)行遷移。

(3)鹽溶液濃度差的出現(xiàn)，會(huì)造成水泥混凝土內(nèi)部不同層面在受冰凍影響時(shí)，結(jié)冰膨脹程度的差異，從而在某層面出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，造成水泥混凝土破壞。

(4)道路除冰鹽在冰雪融化這個(gè)物理變化過程中，會(huì)間接地從水泥混凝土表面吸收大量熱量，使得冰雪覆蓋層下的水泥混凝土溫度驟降，引起低溫沖擊作用，產(chǎn)生溫度應(yīng)力，加劇水泥混凝土的凍融破壞。

(5)普通水泥混凝土在濃度為8.0%的NaCl溶液中浸泡60 d，氯離子的滲透深度可達(dá)2.0 cm。

［1］ 樊海濱.國外溶雪材料在冬季除雪中的使用［J］.筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2006，(11).

［2］ 李波，梁洪國，路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)設(shè)備管理分析［D］.長安大學(xué)研究生學(xué)術(shù)論文集，2004.

［3］ 公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D62-2004)［S］.