混凝土結構在氯鹽環(huán)境中的腐蝕問題及對策分析

田冠飛

（中國建筑科學研究院，北京 100013）

混凝土結構在氯鹽環(huán)境中的腐蝕問題及對策分析

田冠飛

（中國建筑科學研究院，北京 100013）

鋼筋銹蝕導致的耐久性不足是混凝土結構劣化破壞的主要因素之一，其中由于氯鹽侵蝕導致混凝土中鋼筋銹蝕問題普遍存在且日趨嚴重。非常有必要對該破壞機理分析并提出有效對策，這對于提高混凝土結構耐久性壽命至關重要。

混凝土結構；氯離子；腐蝕；耐久性

0　概述

混凝土結構仍然是 21 世紀最主要的工程結構形式之一[1]。但是，除工程事故和偶然災害原因外，大量的鋼筋混凝土結構由于各種各樣的耐久性原因而提前失效，達不到預定的服役年限[2]。隨著混凝土結構的更廣泛應用，其使用環(huán)境日益多樣化，工業(yè)污染日益加劇，受環(huán)境侵蝕的危害性也日益增加，混凝土結構的耐久性成為困擾土建基礎設施工程的世界性問題[3，4]。

不同混凝土結構所處的環(huán)境條件不同，對結構耐久性起主導作用的因素也不同。例如，工業(yè)建筑中，腐蝕性化學介質直接或間接的侵蝕作用是主要因素；海岸及近海工程中，氯鹽及硫酸鹽的侵蝕則是決定性因素；道路橋梁結構耐久性惡化的主要動因是磨損和用除冰鹽；而一般建筑結構則主要是混凝土碳化、開裂等引起結構中鋼筋腐蝕而造成的；此外，還有凍融破壞、土壤侵蝕、雜散電流等物理化學侵蝕。

國內外統(tǒng)計表明，混凝土結構的耐久性病害導致的損失是巨大的，而且耐久性問題會越來越嚴重[5]。美國混凝土基建工程總價為 6 萬億美元，但今后每年用于維修和重建的費用高達 3 千億美元[6]。1988 年美國材料顧問委員會提交的報告報道，大約 253000 座混凝土橋梁的橋面板，其中部分僅使用不到 20 年，就已經不同程度的破壞，而且每年還將增加35000 座[7，8]。英格蘭中部環(huán)形快車道上 11 座混凝土高架橋，最初建造費 2800 萬英鎊，到 1989 年因為維修而耗資 4500萬英鎊，是造價的 1.6 倍，估計以后 15 年還要耗資 1.2 億英鎊，累計接近最初造價的 6 倍，結構耐久性造成的損失大大超過了人們的估計[5]。許多海灣國家沿海地區(qū)建筑遭受腐蝕破壞迅速，混凝土結構服役壽命一般都非常短[5，6，9]。

我國的混凝土結構耐久性問題同樣十分嚴重。據 1986 年國家統(tǒng)計局和建設部普查統(tǒng)計[10]，當時有城鎮(zhèn)房屋約 46.8 億平米，由于建筑標準低、施工質量差，導致劣化速度快，估計半數(shù)需要分期分批進行鑒定、修繕或加固，其中有 10～12億平米急待加固改造才能正常使用。據 1995 年統(tǒng)計[11]，當時在役的 60 億平米城鎮(zhèn)民用建筑中，有 30 億平米需要加固，其中 10 億平米急需修繕處理。據 2000 年全國公路普查，截止 2000 年底，公路危橋 9597 座，達 323451 延米。公路橋梁每年實際需要維修費 38 億元。全國鐵路橋梁中，據 1994 年鐵路秋季檢查統(tǒng)計，當時有 6137 座存在不同程度劣化損害，占當年鐵路橋梁總數(shù)約 33600 座的 18.8%，所需修補加固的費用約 4 億元。到 2002 年底，鐵路橋梁總數(shù)約 4 萬多座，其中混凝土橋梁約占 93%，有堿骨料反應現(xiàn)象的 3 千多萬孔，占 2.5%；碳化深度在 20mm 以上的約 5 千多孔。

1　混凝土結構的鋼筋腐蝕問題

鋼筋腐蝕引起混凝土結構的過早破壞，已成為全世界普遍關注并日益突出的一大災害。據報導[12]，由于各種腐蝕（包括基礎設施工程、生產設備、交通運輸工具等）每年帶來的直接、間接損失在美國約占 GDP 的 4.9%（1976 年）和 4.2%（1996 年），英國 30 年來的腐蝕損失平均占 GDP的 3.5%，澳大利亞占 GDP 的 4.2%，而波蘭更占 GDP 的6%～10%，為西方國家的兩倍。在這一腐蝕損失中，土建基礎設施工程的劣化損壞占有較大比例，有可能到 40%，其中主要是鋼筋混凝土結構的腐蝕。如美國標準局 1975 年的調查表明，美國全年各種腐蝕的損失為 700 億美元，1985 年達1680 億美元，其中混凝土中鋼筋腐蝕損失占 40%。由于廣泛使用除冰鹽，造成過早破壞，1989 年美國交通部門的一份報告估計，由撒除冰鹽和海水侵蝕引起的州間高速公路橋梁的鋼筋腐蝕破壞事件，經濟損失累計高達 1500 億美元。鋼筋混凝土結構是建筑結構的主體，鋼筋腐蝕是導致混凝土結構破壞的主要原因，按美國的統(tǒng)計，在所有結構破壞中，鋼筋腐蝕破壞可占到 55%。例如美國上世紀 30 年代建造的 Alsea海灣上的多拱大橋，因混凝土水灰比太大，鋼筋廣泛嚴重腐蝕，引起結構破壞，采取多次局部修補，最后不得不拆除更換。舊金山海灣第一座跨海灣的 San MateoHayward 大橋、Hood 航道橋東半部以及瑞典的 Oland 橋也出現(xiàn)了類似情況。德國柏林議會大廈預應力混凝土屋頂?shù)顾俏鰵涞膽Ωg破裂所致。又如 1986 年日本運輸省檢查 103 座混凝土海港碼頭，發(fā)現(xiàn)所有超過 20 年歷史的，都有相當大的順筋銹裂，需要修補。日本目前每年用于房屋結構維修費用達到 400 億日元，大約有 21.4% 的混凝土結構損壞是因鋼筋腐蝕引起的。引以為傲的新干線使用不到 10 年，就出現(xiàn)大面積混凝土開裂、剝蝕現(xiàn)象。

我國近年對水工結構、港工結構、鐵路橋梁、公路橋梁、建筑結構的大量基礎設施工程調查也顯示了混凝土結構由于鋼筋腐蝕造成的耐久性問題的嚴重性[13]。南京水科院吳紹章等于 1965～1968 年對華南、華東 27 座海港碼頭進行調查，結果顯示因鋼筋腐蝕而破壞或預計使用 40 年后必須大修的碼頭占 74%。1985 年安徽省對 14 座水工混凝土建筑物進行的腐蝕破壞調查顯示，幾乎全都不同程度地發(fā)生混凝土碳化和鋼筋腐蝕破壞。1985 年，對全國 40 余處中小型鋼筋混凝土水閘結構耐久性調查也表明由于混凝土碳化引起鋼筋腐蝕使閘墩、胸墻、大梁破壞的工程占 47.5%。江蘇水科所許冠紹等對華東 84 座沿?；炷翐醭遍l進行了調查，鋼筋嚴重腐蝕需要維修或大修的為 71 座。其中有些擋潮閘胸墻、啟閉橋大梁已經銹斷。人民大會堂 1959 年建成，20 世紀 80 年代曾部分小修，1994、1995 年大修，以梁柱為主鋼筋腐蝕嚴重，原因是建造初期曾加氯鹽作為防凍劑。我國建筑與基礎設施腐蝕有其自身特點，工業(yè)建筑、海工工程腐蝕嚴重且量大面廣；公路橋、城市立交橋等，新建的占多數(shù)，暫時的腐蝕損失較國外少，但潛在的威脅大。有關專家呼吁，要像關注環(huán)境保護、減災和醫(yī)學一樣關注腐蝕問題，在大規(guī)模經濟建設的高潮時期，特別關注基礎設施的腐蝕與防護[14]。由此可見，鋼筋腐蝕導致的混凝土結構耐久性損傷問題不容忽視。圖 1 為一些鋼筋腐蝕導致混凝土結構耐久性損傷破壞的工程實例。

圖1　鋼筋腐蝕導致混凝土結構耐久性破壞的工程實例

2　氯鹽環(huán)境中混凝土結構的鋼筋腐蝕

引起混凝土結構中鋼筋腐蝕的原因主要有兩個[15]：一個是由于氯離子的侵蝕引發(fā)的鋼筋局部去鈍化反應；另外一個是水泥漿本體與空氣中的二氧化碳反應生成的孔隙溶液中的酸化導致的鋼筋整體性去鈍化。氯鹽環(huán)境中 RC 結構遭受鋼筋腐蝕導致的失效破壞是最為普遍和廣泛的。

3　氯鹽環(huán)境中混凝土結構的鋼筋腐蝕

引起混凝土結構中鋼筋腐蝕的原因主要有兩個[15]：一個是由于氯離子的侵蝕引發(fā)的鋼筋局部去鈍化反應；另外一個是水泥漿本體與空氣中的二氧化碳反應生成的孔隙溶液中的酸化導致的鋼筋整體性去鈍化。氯鹽環(huán)境中 RC 結構遭受鋼筋腐蝕導致的失效破壞是最為普遍和廣泛的。

3.1氯離子的存在環(huán)境

氯鹽是廣泛存在的，也是對混凝土中的鋼筋腐蝕的元兇[16]。主要有以下幾個來源：

（1）海洋環(huán)境。海水含鹽量一般在 3% 左右，主要是氯鹽，以 Cl-計，海水中的含量約為 19000mg/L，是天然的強電解質。為方便起見，通常將海洋腐蝕環(huán)境按垂向劃分為 5 個區(qū)帶：海洋大氣區(qū)、浪花飛濺區(qū)、潮差區(qū)、海水全浸區(qū)以及海底泥土區(qū)。水平向劃分：有關國家對于海洋環(huán)境、海風、海霧的影響，按臨海距離進行了分級：0～100m 為嚴重腐蝕；100～1000m 為腐蝕；1000～10000m 為輕腐蝕；＞10000m，腐蝕可忽略。

（2）道路除冰鹽。公路、高速公路是經濟命脈，為保證交通暢行，冬季向道路、橋梁、城市立交橋等撒鹽或鹽水，引起鋼筋腐蝕破壞。這是人為造成的氯鹽環(huán)境的腐蝕破壞。例如北京每年冬天撒 1000～2000t 氯鹽。拆除、改造的西直門立交橋（使用不到 20 年），鋼筋腐蝕破壞嚴重，已經可以驗證使用除冰鹽的危害。

（3）鹽湖、鹽堿地。我國有一定數(shù)量的鹽湖和大面積的鹽堿地，大體可分為沿海和內陸兩種類型。沿海地區(qū)的鹽堿地多以含氯鹽為主，內陸鹽堿地，有的以含氯鹽為主（如青海），有的以含硫酸鹽為主，多數(shù)情況是含混合鹽。這些地域鋼筋混凝土結構可受很強的腐蝕。另一個突出的特點，我國的鹽湖、鹽堿地盛產石油和其它礦產，是資源開發(fā)利用寶地，特別是西部大開發(fā)過程中，對鹽腐蝕問題應高度重視和妥善解決。

（4）工業(yè)環(huán)境等。工業(yè)環(huán)境十分復雜，就腐蝕介質而言，有酸、堿、鹽等，并有液、汽、固態(tài)等不同形式。其中以氯鹽、氯氣、氯化氫等為主的腐蝕環(huán)境不在少數(shù)，處在此類環(huán)境中的鋼筋混凝土結構，其腐蝕破壞往往是迅速而又嚴重的。

3.2氯離子侵蝕導致混凝土結構鋼筋腐蝕問題的嚴重性

由于氯離子存在的廣泛性和破壞的嚴重性，它是導致混凝土中鋼筋腐蝕的最主要因素。沿海及近海地區(qū)的混凝土結構，由于海洋環(huán)境對混凝土的腐蝕，導致鋼筋腐蝕而使結構發(fā)生早期損壞，喪失了結構的耐久性，已成為實際工程中的重要問題。近 20～30 年來，由于使用除冰鹽，擴大海工工程，擴大原材料范圍，在嚴酷條件下使用混凝土等，更增添了破壞因素。處于鹽堿地的基礎設施近年也出現(xiàn)了很多氯鹽侵蝕導致混凝土結構中鋼筋腐蝕問題。同樣的問題也發(fā)生在一些氯鹽環(huán)境的工業(yè)建筑、車庫等。

交通部有關單位針對我國沿海港口工程混凝土結構破壞狀況組織過多次調查[17]。由交通部四航局科研所主持、南科院等單位參加的華南地區(qū) 18 座碼頭調查的結果指出，80%以上都發(fā)生了嚴重或較嚴重鋼筋腐蝕破壞，出現(xiàn)腐蝕破壞的時間有的僅 5～10 年。隨后有關單位對華東地區(qū)、北方地區(qū)沿海碼頭調查也得出類似結果。如連云港雜貨一、二碼頭于1976 年建成，1980 年就發(fā)現(xiàn)有裂縫和腐蝕，1985 年其上部結構已普遍出現(xiàn)順筋裂縫；1980 年建成的寧波北倉港 10 萬噸級礦石碼頭，使用不到 10 年其上部結構就發(fā)現(xiàn)嚴重的腐蝕損壞；天津港客運碼頭 1979 年建成，使用不到 10 年，就發(fā)現(xiàn)前承臺面板有 50% 左右出現(xiàn)腐蝕損壞。導致構件開裂破壞情況十分嚴重。其原因除了施工質量存在一定問題外，另一主要原因是當時對氯離子侵入引發(fā)鋼筋腐蝕的嚴重性認識不足。我國臺灣重修澎湖大橋和不斷發(fā)生的“海砂屋”事件，也是氯鹽腐蝕造成的。國內最早發(fā)現(xiàn)除冰鹽破壞在上世紀 90年代初在哈大公路上，繼而在北京市立交橋、黑龍江省哈綏公路。1989 年投資 3000 萬元建成的青海某鹽廠，由于處于鹽堿地又生產鹽，廠房嚴重腐蝕，6 年后停產。

所以，來自海洋環(huán)境、除冰鹽環(huán)境、鹽堿地和一些工業(yè)環(huán)境的氯鹽污染引起的鋼筋腐蝕，是嚴重威脅混凝土結構耐久性最主要和最普遍的病害，造成了巨大的直接和間接的損失。必須引起高度重視。

3.3混凝土中鋼筋腐蝕破壞過程

混凝土中鋼筋腐蝕會造成 RC 梁耐久性的降低：一方面，由于腐蝕產生的鐵銹是原來鋼筋體積的 2 倍以上，它會引發(fā)拉伸應力的體積膨脹，并最終導致混凝土保護層的開裂和剝落。混凝土保護層的損失可造成結構承載能力的顯著下降，除此以外，更容易使有害因子的侵入，引發(fā)鋼筋以更快的速度腐蝕；另一方面，鋼筋腐蝕減小了鋼筋的橫截面積，從而減小了結構的承載能力，同時降低粘結強度。其中局部坑蝕比整體性的均勻腐蝕更為嚴重，這是因為它在某個點上逐漸地減小橫截面積，致使在那一點上不能再承受荷載從而造成結構的災難性坍塌。

氯離子引起的混凝土結構破壞過程一般分為兩個階段，如圖 2 所示：（1）初始階段，氯離子透過混凝土保護層，不斷在鋼筋表面積聚，當其濃度超過臨界值后，鋼筋開始腐蝕；（2）鋼筋腐蝕發(fā)展階段，鋼筋開始腐蝕后，腐蝕產物膨脹積聚，會使保護層開裂，一旦出現(xiàn)裂縫，腐蝕速度加快，導致鋼筋截面不斷減小及強度降低，同時伴有混凝土保護層剝落的現(xiàn)象。

圖2　氯離子侵蝕環(huán)境下混凝土結構的損傷破壞過程

混凝土內鋼筋腐蝕破壞過程模型的研究涉及到腐蝕速度、鋼筋腐蝕量模型、裂縫對腐蝕速度的影響，以及其它因素對腐蝕速度的影響。

3.4氯離子侵蝕導致混凝土中鋼筋腐蝕的機理研究

氯離子進入混凝土有兩個來源：一種是在攪拌、澆注時摻入的，如加入氯化鈣、氯化鈉等氯化物速凝劑、早強劑及抗凍劑；用海水進行混凝土攪拌混料或用未經清洗或未經充分清洗的海撈砂作骨料時進入的海鹽。另一種是在凝結硬化后由外界通過擴散滲入的，如處于海洋環(huán)境的混凝土結構；北方冬季在公路橋面上噴撒除冰鹽等。

混凝土中的鋼筋腐蝕屬于電化學腐蝕，氯化物侵入使鋼筋表面局部去鈍化成為陽極區(qū)，在那里發(fā)生陽極反應，即鋼筋腐蝕（鋼離子化，溶于混凝土孔隙液），同時放出自由電子；而仍然鈍化的鋼筋其余表面，則成為陰極區(qū)，與上述陽極區(qū)構成腐蝕電池。陰極區(qū)接受來自陽極區(qū)的自由電子，進行陰極反應，使上述陽極反應（鋼筋腐蝕)）得以繼續(xù)進行。

圖3　鋼筋腐蝕電化學原理示意圖

如圖 3 所示，氯鹽侵蝕誘發(fā)混凝土中鋼筋的腐蝕是一個復雜的電化學過程。氯離子侵入混凝土腐蝕鋼筋的機理[18]可以簡單描述為：（1）破壞鈍化膜——（2）形成“活化-鈍化”腐蝕電池——（3）去極化作用——（4）導電作用?；瘜W方程式表示為：

陽極反應：

陰極反應：

陽極二次：富氧條件：

可見氯離子是極強的陽極活化劑，在電化學反應中不構成腐蝕產物，也不消耗，可作為促進腐蝕的中間產物，對混凝土中鋼筋腐蝕起到反復催化作用[6]。

4　對策分析

（1）繼續(xù)深入理論研究。充分研究氯離子對混凝土結構的腐蝕破壞機理，建立準確、有效、合理的氯離子在混凝土中的遷移及腐蝕破壞模型，結合隨機概率方法和計算機模擬技術預測混凝土結構的正常使用年限。

（2）提高并規(guī)范混凝土耐久性設計規(guī)范水平和指標，設計人員在進行氯鹽環(huán)境中新建混凝土結構進行設計時，充分考慮并兼顧到材料、結構、環(huán)境、使用條件等因素。

（3）提高氯鹽環(huán)境中混凝土結構的保護層設計厚度。在混凝土結構設計階段，依據環(huán)境特點和混凝土性能，充分考慮混凝土保護層的厚度，以保證混凝土的有效使用壽命。對于混凝土配合比設計，除了強度、彈性模量、碳化指標等基本性能之外，主要考慮混凝土的密實度，密實度的檢測和評價可采用電通量法或氯離子擴散系數(shù)法。

（4）加強混凝土的生產和施工管理水平?；炷恋纳a和施工是確?；炷两Y構質量和性能的重要保障。在混凝土澆注前應采用先進的手段，比如水膠比測定儀、氯離子含量測定儀等，檢測控制混凝土拌合物的水膠比、氯離子含量等重要指標，防患于未然，事先控制的成本較之事后不達標拆除加固的代價幾乎是可以忽略的。

（5）對于處于氯鹽侵蝕環(huán)境中的混凝土構筑物，采取有效的防護措施。如外涂防護技術、陰極保護技術等。對于已經遭受氯離子侵蝕的重要混凝土結構部位，甚至可以采用電除鹽的方法。

（6）在混凝土的正常使用過程中，應根據結構設計參數(shù)、驗收實測指標、使用條件和環(huán)境條件等因素，制定有計劃的檢測評定方案，并采用合理有效的維護措施。

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［通訊地址］北京市北三環(huán)東路 30 號（100013）

The overview and analysis of corrosion for concrete structure under chloride ingression

Tian Guanfei
(China Academy of Building Research, Beijing 100013)

Durability deficiency of RC structures caused by steel corrosions is one of the most important factors for its degradation, among which induced by chlorides penetration is common and becoming more and more serious. Therefore, it’s crucial for level-up RC structure’s durability to analyze the failure mechanism and putting forward the countermeasure.

concrete structure; chloride; corrosion; durability

田冠飛，男，工學博士，研究方向為混凝土的耐久性測試技術與可靠性分析計算。