氯鹽環(huán)境對混凝土耐久性危害

彭藍鴿

(揚州大學(xué) 江蘇 揚州 225100)

一、鋼筋混凝土重要性

混凝土應(yīng)用至今已有一百多年的時間，由于其原材料豐富、價格低廉、生產(chǎn)工藝簡單、整體性好等特點，不僅在土建、水利及道路工程上廣泛使用，而且在造船業(yè)、機械工業(yè)、海洋開發(fā)等領(lǐng)域也大量使用。盡管有許多新型材料和結(jié)構(gòu)形式的不斷出現(xiàn)，但據(jù)預(yù)測今后相當長的一段時間鋼筋混凝土依舊是不可取代的建筑材料[1]。隨著近現(xiàn)代文明的發(fā)展，基礎(chǔ)建設(shè)和城市建筑的大量建設(shè)，以及我國對外貿(mào)易和海洋經(jīng)濟的發(fā)展需求變大，建造了各種各樣的海洋構(gòu)筑物，比如從最簡單的海港碼頭，到現(xiàn)如今的跨?？缃髽?、海底隧道、海上石油鉆井平臺等等，海岸線長達1.8萬公里，島嶼海岸線長1.4萬公里，工程結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境越來越復(fù)雜，但鋼筋混凝土一直都是使用量最大和最基本的工程材料。

二、混凝土氯離子來源以及鋼筋腐蝕機理

(一)氯離子來源

氯鹽的來源主要是混凝土原材料引入和外界環(huán)境引入兩種。具體分為由環(huán)境中滲入和混入(摻入)混凝土中的。環(huán)境中滲入的指的是來源海洋環(huán)境、化冰鹽、鹽漬土、鹽湖地區(qū)和工業(yè)鹽。如海洋工程、水利工程、道路與橋隧工程和工業(yè)與民用建筑工程混凝土服役環(huán)境中?；烊?摻入)混凝土中的：如含氯鹽外加劑、含氯鹽砂(如海砂)、含氯鹽(超標)施工用水等。

(二)鋼筋腐蝕機理

新澆筑的混凝土構(gòu)件內(nèi)部為高堿性(pH>12.5)環(huán)境，在這種環(huán)境下鋼筋表面將生成一層致密的氧化物保護膜即鈍化膜[2]，起到隔絕氧氣和水的屏障作用，從而保護鋼筋不受銹蝕。作為結(jié)構(gòu)中最重要的鋼筋，有一個不能忽視的特點就是在海洋環(huán)境下由于氯離子極強的穿透力和去鈍化作用，去鈍化時鋼筋成為陽極，為氧氣的還原反應(yīng)提供電子；鈍化膜完好的鋼筋形成陰極，為氧氣的還原提供反應(yīng)場所。當氯離子含量達到某一臨界值時，鈍化膜遭到破壞，鋼筋將會被持續(xù)銹蝕。鋼筋腐蝕電化學(xué)反應(yīng)如下：

陽極： Fe→Fe2++2e

(1)

陰極： O2+4e+2H2O→4OH-

(2)

在氯鹽環(huán)境下，氯離子從中起到催化劑的作用，不僅促成了鋼筋表面腐蝕電池的形成，而且會加速鋼筋銹蝕的電化學(xué)過程。相關(guān)化學(xué)反應(yīng)如下：

Fe2++2Cl-=FeCl2

(3)

FeCl2+2OH-=Fe(OH)2+2Cl-

(4)

銹蝕鋼筋不僅會降低自身的力學(xué)性能，而且使得鋼筋周圍的混凝土受到膨脹壓力，造成混凝土保護層沿鋼筋開裂。銹脹裂縫出現(xiàn)之后鋼筋銹蝕速度加快，從而對結(jié)構(gòu)的使用功能產(chǎn)生較大的影響，甚至危及結(jié)構(gòu)的安全。因此提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性，保證結(jié)構(gòu)的使用壽命，解決好鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)提早失效問題是工程界的重大課題。

三、國內(nèi)外混凝土耐久性不足導(dǎo)致的危害

過去的幾十年我國的計劃經(jīng)濟體制和國民經(jīng)濟基礎(chǔ)相對薄弱，另一方面，作為發(fā)展中國家的中國，正需要崇尚適用、經(jīng)濟簡約的現(xiàn)代建筑原則，長期沿襲“按強度設(shè)計”的傳統(tǒng)設(shè)計方法，且人們對混凝土耐久性認識不足、重視不夠。由于忽略了鋼筋銹蝕問題而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)耐久性失效。特別是沿海及近海地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生早期損壞的主要因素，國內(nèi)外這些案例數(shù)不勝數(shù)[3]。

據(jù)統(tǒng)計我國的海工混凝土結(jié)構(gòu)耐久性較差，腐蝕破壞相當嚴重。如1981年交通部第四航務(wù)局等對華南地區(qū)使用7-25年的18座海港碼頭進行調(diào)查，結(jié)果表明，在海濺區(qū)，梁、板底部鋼筋普遍嚴重銹蝕，引起破壞的有16座，出現(xiàn)銹蝕破壞的時間有的僅5～10年，其中有幾座已經(jīng)不能正常使用[4]。我國每年由腐蝕引起的直接經(jīng)濟損失為5000億元，其中鋼筋銹蝕造成的損失高達1000億元[5]。2001年至2004年，浙江大學(xué)結(jié)構(gòu)工程研究所先后對浙江省舟山市和臺州市共11座高樁碼頭[6]、浙江省內(nèi)37座公路橋梁[7]進行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)多數(shù)碼頭、橋梁都存在不同程度的耐久性問題，以鋼筋銹蝕導(dǎo)致的混凝土銹脹開裂、剝落現(xiàn)象最為突出。

不僅我國，鋼筋銹蝕引起建筑物破壞已成為世界性問題。據(jù)美國標準局(NBS)調(diào)查，1975年美國全年各種因腐蝕造成的損失為700多億美元，其中混凝土中鋼筋銹蝕造成的損失約占40%。德國2004年全年用于高速公路維修的費用約為3億歐元，其中40%用于修復(fù)因氯鹽侵蝕及鋼筋銹蝕導(dǎo)致的混凝土橋梁損傷[8]。英國為解決海洋環(huán)境下鋼筋混凝土構(gòu)筑物的腐蝕與防護問題，每年就花費將近20萬英鎊[9]。日本目前每年僅用于房屋結(jié)構(gòu)維修的費用高達400億日元，大約有21.4%的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)損壞是因鋼筋銹蝕引起的，其著名的新干線使用不到10年，就出現(xiàn)了大面積開裂、剝落[10]。各個國家地區(qū)都在遭受不同的腐蝕情況。

四、結(jié)語

世界各國都為混凝土耐久性不足投入了大量的人力、物力和財力，這已經(jīng)是一個經(jīng)濟問題和影響可持續(xù)發(fā)展的大問題。氯鹽引起的鋼筋腐蝕對混凝土耐久性影響的問題必須給與足夠的重視。所以需要開展廣泛氯鹽環(huán)境下耐久性研究，提高設(shè)計質(zhì)量，更好的確認維護、維修加固時點，合理確定結(jié)構(gòu)的使用壽命并進行結(jié)構(gòu)全壽命的分析，是一項具有重大現(xiàn)實意義和社會經(jīng)濟效益的研究方向。