淺析氯鹽侵蝕對混凝土結(jié)構(gòu)的影響

劉燦

【摘 要】氯鹽侵蝕是引起鋼筋銹蝕的主要原因，直接影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性。本文基于氯離子侵蝕混凝土機理，討論了氯鹽腐蝕環(huán)境混凝土壽命預(yù)測模型的進展及主要鋼筋腐蝕防護措施，簡析了幾種措施的優(yōu)缺點。

【關(guān)鍵詞】氯鹽侵蝕；鋼筋銹蝕；混凝土結(jié)構(gòu)

【Abstract】Chloride corrosion is the main cause of corrosion of steel bars，which directly affects the durability of concrete structures.Based on the mechanism of chloride ion erosion，this paper discusses the progress of the concrete life prediction model in the chloride salt corrosion environment and the main protection measures to steel corrosion，analyzing the advantages and disadvantages of these measures.

【Key words】Chloride corrosion；Steel corrosion；Concrete structures

0 前言

近年來，世界各國因混凝土結(jié)構(gòu)耐久性性能劣化或失效承受的經(jīng)濟損失巨大，因此混凝土耐久性問題在世界工程界受到廣泛重視。綜合大量工程實例發(fā)現(xiàn)，鋼筋銹蝕對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響最大，而氯鹽侵蝕是引起鋼筋銹蝕的核心原因[1]，故本文擬基于氯離子侵蝕機理，淺述氯鹽環(huán)境下混凝土壽命預(yù)測模型的進展以及鋼筋銹蝕防護措施。

混凝土中的氯鹽主要來源于拌制混凝土的原材料及外部環(huán)境[2]，例如混凝土拌合時摻入了含氯化物的減水劑、使用了海水或海砂，混凝土結(jié)構(gòu)物地處鹽堿地區(qū)或表面使用了除冰鹽等都能夠使混凝土結(jié)構(gòu)物內(nèi)部氯鹽濃度過高，且研究表明氯鹽重量達到混凝土重量的0.1%至0.2%時就很可能引起鋼筋銹蝕[3]，進而破壞混凝土結(jié)構(gòu)。

1 氯離子侵蝕機理

氯離子主要通過擴散、滲透、毛細吸附等方式侵蝕混凝土。在不同環(huán)境下，氯離子侵蝕方式可能不同：混凝土孔隙飽和度低時以毛細吸收作用為主；混凝土孔隙飽和時以常溫擴散作用為主；高壓環(huán)境下以滲透作用為主。一般情況下，三種侵入方式可以同時存在，但以擴散作用為主[4]。

氯離子引起鋼筋銹蝕的過程主要分為3個階段：

1）鈍化膜破壞。混凝土鋼筋表面的鈍化膜必須在強堿條件下（PH？叟12.6）才能穩(wěn)定存在，研究表明，PH<11.5時，鈍化膜趨于不穩(wěn)定，而當PH<9.88時，鈍化膜開始破壞。當氯離子局部吸附于某處鈍化膜時，可使此處鈍化膜迅速酸化，有微觀實驗表明，氯離子的局部酸化作用能使鋼筋表面PH值降至4以下[5]。此時鈍化膜破壞后露出的鐵基體與鈍化膜完好區(qū)域之間構(gòu)成電位差，并以潮濕氣體作為電解質(zhì)，形成腐蝕電池；

2）腐蝕發(fā)展。腐蝕電池的鐵基體發(fā)生陽極反應(yīng)生成Fe2+，但氯離子與二價鐵離子結(jié)合生成二氯化鐵，可降低鐵離子濃度從而促進陽極反應(yīng)，F(xiàn)eCl2在混凝土中與OH-生成Fe（OH）2沉淀，最終氧化生成Fe（OH）3即鐵銹。由于鐵銹膨脹（約為原體積的2-6倍），將在混凝土表層產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力，當此拉應(yīng)力超過混凝土抗拉極限時混凝土開裂。

3）結(jié)構(gòu)失效。由于混凝土開裂，鋼筋表面更容易積聚氯離子和氧氣，鋼筋銹蝕大面積發(fā)展，裂縫不斷增多加寬直至結(jié)構(gòu)失效。

2 氯鹽環(huán)境下混凝土壽命預(yù)測模型

氯離子侵蝕是引起鋼筋銹蝕的最重要因素，鋼筋銹蝕對混凝土結(jié)構(gòu)壽命的影響最為顯著[1]，簡而言之，氯離子侵蝕與混凝土結(jié)構(gòu)壽命的關(guān)系極為密切。

一般情況下，氯離子引起鋼筋銹蝕的鈍化膜破壞期又稱腐蝕誘導(dǎo)期，其耗時最長且取決于氯離子在混凝土中的擴散規(guī)律，直接決定鋼筋混凝土的使用壽命。因此到目前為止，大部分研究集中在氯離子在混凝土中的擴散規(guī)律上，所建立的理論模型也多數(shù)基于Fick定律且直接預(yù)測混凝土服役壽命（截至鈍化膜破壞時的壽命）[6]。

事實上，擴散過程中氯離子將與水泥水化產(chǎn)物作用，氯離子擴散系數(shù)也可隨溫度、濕度、裂縫等發(fā)生變化，因此國內(nèi)外不少學者基于Fick第二定律提出修正模型。20世紀90年代Mangat[8]和Maage[9]考慮了時間對氯離子擴散系數(shù)的影響、Amey等[10]考慮了混凝土表面的氯離子濃度是時間的函數(shù)并以此改變Fick擴散方程的邊界條件、2002年Kassir等[11]根據(jù)實驗得到了混凝土表面氯離子濃度與時間的指數(shù)關(guān)系、Mejbro等考慮了氯離子擴散系數(shù)與時間、環(huán)境、養(yǎng)護條件及膠凝材料有關(guān)對Fick原始擴散模型（如式（2）所示）進行改進[12]。

國內(nèi)，趙鐵軍等[13]考慮氯離子擴散系數(shù)與時間、水灰比、外加劑的關(guān)系，以及近海工程結(jié)構(gòu)氯離子表面濃度變化帶來的影響，建立新的氯離子擴散模型；余紅發(fā)等[14]綜合考慮了氯離子與水泥水化產(chǎn)物結(jié)合、氯離子擴散系數(shù)的時間依賴性、結(jié)構(gòu)微裂縫等提出了修正模型。

3 氯鹽侵蝕防護措施

研究混凝土結(jié)構(gòu)氯鹽腐蝕機理，一方面，可以預(yù)測在役混凝土結(jié)構(gòu)的剩余壽命，另一方面，有助于制定措施預(yù)防混凝土結(jié)構(gòu)受氯鹽侵蝕。具體防護措施有：

1）嚴格控制原材料（拌合用水、砂子、外加劑等）中氯離子含量。例如我國相關(guān)規(guī)程規(guī)定，鋼筋混凝土用海砂的氯離子含量應(yīng)低于0.06%，必要時須摻加鋼筋阻銹劑[15]，鋼筋阻銹劑能降低鋼筋的活化性能，甚至能減小氯離子擴散系數(shù)，能阻止或減緩鋼筋腐蝕，但阻銹效果取決于產(chǎn)品質(zhì)量。

2）在鋼筋或混凝土表面使用無機或有機涂層（有機涂層以環(huán)氧類為佳）。在混凝土表面采用表面涂層，可以隔離混凝土與氯離子的接觸，常用的有水泥砂漿涂料、水泥基滲透結(jié)晶型涂料、硅烷浸漬劑、聚脲材料、氟碳樹脂等[16]，不同的涂料具有不同的功能特點，需合理選用，否則反而造成結(jié)構(gòu)危害。

3）電化學方法直接控制鋼筋電化學腐蝕過程。電化學的陰極保護方法分為犧牲陽極法和外加電流法兩類：犧牲陽極法即在鐵基體上鍍鋅或鋁等活潑金屬，此時鋅或鋁作為陽極被消耗，鋼筋受到保護，這種方法不需輔助電源，實施簡便，但消耗陽極材料多，使用壽命短；外加電流法，即將外加電源的負極與鋼筋相接，正極與某種耐腐蝕金屬相接，此時鋼筋所在陰極堿性提高，更易形成鈍化膜，同時陽極吸引氯離子，鋼筋周圍氯離子含量降低，可見外加電流法對鋼筋的保護作用顯著，故應(yīng)用廣泛，但是其較犧牲陽極法施工更為復(fù)雜，且需定期維護。

4 結(jié)語

1）氯鹽侵入混凝土，大多數(shù)情況仍以擴散作用為主，氯鹽腐蝕鋼筋主要分為腐蝕誘導(dǎo)、腐蝕發(fā)展、結(jié)構(gòu)失效三個階段，其中腐蝕誘導(dǎo)期內(nèi)存在一個氯離子濃度臨界值，剛好引起鋼筋鈍化膜破壞，此為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命的終點。

2）氯離子引起鋼筋銹蝕的腐蝕誘導(dǎo)階段，對混凝土結(jié)構(gòu)的壽命起決定性作用，引起鈍化膜破壞的臨界氯離子濃度越高，混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命也就越長。

3）氯鹽腐蝕的防護措施主要有控制原材料氯離子含量、在鋼筋或混凝土表面使用無機或有機涂層、電化學法直接控制鋼筋電化學腐蝕過程三類，事實上，現(xiàn)實工程環(huán)境十分復(fù)雜，往往需要結(jié)合施工特點綜合選用多種防護措施，方能均衡利弊，最大程度預(yù)防鋼筋銹蝕，增長鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命。

【參考文獻】

[1]王曉東，李東寅，李國瑞.混凝土結(jié)構(gòu)的氯鹽侵蝕與鋼筋銹蝕[J].工程建設(shè)，2007，39（2）：26-30.

[2]劉紅，趙爽，陸加越，等.氯鹽侵蝕鋼筋混凝土研究進展[J].山西建筑，2016，42（35）：58-59.

[3]龔洛書，柳春圃.混凝土的耐久性及其防護修補[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1990.

[4]陳秀芳.軌道工程[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004：172-179.

[5]郝曉麗.氯腐蝕環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)耐久性與壽命預(yù)測[D].西安：西安建筑科技大學，2004.

[6]李鵬.荷載與鹽溶液耦合作用下耐久性與壽命預(yù)測[D].揚州：揚州大學，2014.

[7]劉欣.荷載氯鹽侵蝕耦合作用下混凝土構(gòu)件壽命預(yù)測研究[D].天津：天津大學，2012.

[8]Magnat P S，Limbachiya M C.Effect of initial curing on chloride diffusion in concrete repair materials[J].Cement and Concretes，1999，29（9）：1475-1485.

[9]Maage M，Helland S，Poulsen E，et al.Service life prediction of existing concrete structures exposed to marine environment[J].ACI Mate J，1996，93（6）：602-608.

[10]Amey S L，Johnson D A，Miltenberger M A，et al.Predicting the service life of concrete marine structures：an environmental methodology[J].ACI Struct J，1998，95（1）：27-36.

[11]Kassir M K， Ghosn M.Chloride-induced corrosion of reinforced concrete bridge decks[J].Cement and Concretes，2002，32（1）：139-143.

[12]余紅發(fā)，孫偉.混凝土氯離子擴散理論模型[J].東南大學學報（自然科學版），2006，36（S2）：68-76.

[13]王冰，王命平，趙鐵軍，等.沿?；炷两Y(jié)構(gòu)的環(huán)境鹽霧分區(qū)研究[J].青島理工大學學報，2007，28（4）：1-6.

[14]余紅發(fā)，孫偉，麻海燕，等.混凝土在多重因素作用下的氯離子擴散方程[J].建筑材料學報，2002，5（3）：240-247.

[15]洪乃豐.混凝土中鋼筋腐蝕與防護技術(shù)（3）——氯鹽與鋼筋銹蝕破壞[J].工業(yè)建筑，1999，10：60-63.

[16]程兆俊，宋丹，江靜華，等.混凝土中鋼筋腐蝕與防護研究進展[J].熱加工工藝，2016，45（6）：14-19.

[責任編輯：田吉捷]