氯鹽對鋼筋混凝土侵蝕機(jī)理研究進(jìn)展

李 航 田如鎮(zhèn) /華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院

氯鹽對鋼筋混凝土侵蝕機(jī)理研究進(jìn)展

李 航 田如鎮(zhèn) /華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院

隨著鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的廣泛應(yīng)用，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕破壞也日益得到國內(nèi)外廣泛重視。每年鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)因?yàn)榛瘜W(xué)腐蝕造成使用壽命縮短的情況十分普遍，而氯鹽侵蝕是其中較為主要的原因。在海洋或鹽漬土地區(qū)等氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的服役環(huán)境中，鋼筋混凝土構(gòu)件可能在氯離子的侵蝕作用下發(fā)生嚴(yán)重破壞。本綜述結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)外研究成果，總結(jié)氯離子侵入鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的途徑，闡述氯鹽的破壞機(jī)理，為今后工程實(shí)踐提供必要的依據(jù)。

鋼筋混凝土；氯離子；侵入途徑；侵蝕機(jī)理

前言

一般來說，鋼筋外層包裹著混凝土，相當(dāng)于擁有一層保護(hù)結(jié)構(gòu)，使鋼筋處在強(qiáng)堿性環(huán)境中。而此環(huán)境中的鋼筋表面形成一層致密的氧化物薄膜，對鋼筋起著保護(hù)作用。氯離子侵蝕引起的鋼筋銹蝕是破壞鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的一個(gè)主要原因[1]。經(jīng)研究表明，鋼筋銹蝕的可能性和危害程度會(huì)隨著混凝土中氯離子含量的增加而增加，當(dāng)氯離子的濃度超過臨界濃度時(shí)，只要形成腐蝕電池的其他條件具備，即有水和氧氣的存在，就可以發(fā)生嚴(yán)重的鋼筋銹蝕[2]。在含氯鹽量較高的環(huán)境中，由于混凝土并非十分密實(shí)，而是多孔的結(jié)構(gòu)，腐蝕性氯鹽離子很容易通過孔結(jié)構(gòu)進(jìn)入混凝土內(nèi)部，使得混凝土中的鋼筋遭到破壞，進(jìn)而造成混凝土結(jié)構(gòu)自內(nèi)而外的破壞。

一、氯離子的侵入途徑

外界環(huán)境中的氯離子侵入混凝土內(nèi)部，有多種途徑，其中主要分為毛細(xì)吸入、滲入、擴(kuò)散以及電化學(xué)遷移四種[3]。而氯離子也隨著周圍環(huán)境的改變，變化著侵入的主要途徑。

（一）毛細(xì)吸入

當(dāng)混凝土孔隙飽和度低時(shí)，氯離子以毛細(xì)吸入為主，侵入混凝土內(nèi)部。

在混凝土的制備過程中，使用的水泥、細(xì)骨料、孰料、拌和用水以及外加劑中不可避免有氯離子存在；在混凝土澆筑過程中，外界環(huán)境中也難免會(huì)有氯離子進(jìn)入混凝土內(nèi)部[4]。當(dāng)然，這部分氯離子有其含量標(biāo)準(zhǔn)（＜水泥質(zhì)量的1%）控制，施工過程中應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)操作規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)。而在海洋或者鹽漬土地區(qū)，氯鹽含量高，毛細(xì)吸入不可避免，鋼筋混凝土的破壞進(jìn)程加速，侵蝕破壞十分明顯，構(gòu)件壽命顯著降低，因此必須采取有效措施減緩氯離子的侵入。

（二）滲透作用

在高壓環(huán)境下，氯離子以滲透作用為主。

混凝土在外部環(huán)境中的氯離子，在外界壓力的作用下，隨水一起通過滲透作用和毛細(xì)管作用逐漸侵入到混凝土內(nèi)部。在混凝土內(nèi)部水壓力的影響下，氯離子進(jìn)一步向混凝土內(nèi)部遷移。這種侵入自外向內(nèi)進(jìn)行，從混凝土表面侵入其內(nèi)部，一直到達(dá)鋼筋表面。

（三）擴(kuò)散作用

混凝土孔隙飽和時(shí)，氯離子以常溫?cái)U(kuò)散作用為主，侵入混凝土內(nèi)部。

由于混凝土內(nèi)外氯離子濃度、混凝土內(nèi)部不同位置氯離子濃度都有所不同，形成了濃度差，也就是所謂的濃度梯度。使得氯離子在混凝土外部向其內(nèi)部發(fā)生移動(dòng)，在混凝土內(nèi)部也由高濃度向低濃度移動(dòng)，總體上促進(jìn)了氯離子對混凝土的侵蝕作用進(jìn)行。

（四）電化學(xué)遷移

由于氯離子間存在電位差，使得氯離子由低電位的方向，向高電位的方向發(fā)生遷移。在鋼筋鈍化膜發(fā)生破壞后，形成腐蝕性的電池，使鋼筋表面存在電勢差，使得氯離子向鐵基質(zhì)方向移動(dòng)，加劇了侵蝕進(jìn)程。

二、氯鹽對鋼筋混凝土侵蝕機(jī)理

氯鹽侵蝕是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)壽命減小的原因之一。而氯鹽對鋼筋混凝土的侵蝕機(jī)理，也可以從幾個(gè)方面出發(fā)考慮。

（一）破壞鈍化膜開始侵蝕

氯離子對鈍化膜的破壞，首先體現(xiàn)在對其周圍環(huán)境的pH值的顯著影響上。

一般情況下，在未碳化的混凝土中，其孔隙液的pH值可以達(dá)到13左右，形成強(qiáng)堿性環(huán)境，而在此環(huán)境中會(huì)生成一層厚度約5nm的氧化鐵致密鈍化膜，對鋼筋起到很好的保護(hù)作用[3]。但是，這種鈍化膜是不穩(wěn)定的，它依賴于強(qiáng)堿性環(huán)境來維持穩(wěn)定。一旦強(qiáng)堿性環(huán)境發(fā)生改變，鈍化膜就會(huì)發(fā)生破壞。

當(dāng)鋼筋鈍化膜周圍環(huán)境pH值降低，并低于9.9時(shí)，鈍化膜逐漸開始遭到破壞。所以，當(dāng)氯離子接近鈍化膜表面時(shí)，使鋼筋表面pH值迅速下降，隨著空氣和水分的侵入，鈍化膜逐漸破壞，并失去保護(hù)作用，鋼筋便開始發(fā)生銹蝕。

（二）形成電勢差加快侵蝕

隨著氯離子的侵入，其對鋼筋表面鈍化膜的破壞是從局部的點(diǎn)開始，使這些局部破壞點(diǎn)處的鐵基體開始與氯離子發(fā)生接觸，這些鐵基體會(huì)與沒有發(fā)生侵蝕的鈍化膜之間形成電勢差。電勢差也就導(dǎo)致腐蝕性電池的形成。電池的陽極是暴露的鐵基質(zhì)，陰極是鈍化膜未被破壞部分。由于存在電勢差，在電場的作用下，帶負(fù)電的氯離子開始向鐵基質(zhì)方向移動(dòng)，導(dǎo)致其被侵蝕加劇。

由于腐蝕性電池的作用，使得鋼筋表面形成點(diǎn)蝕或者坑蝕，由于小陽極和大陰極相對應(yīng)，使得坑蝕的發(fā)展速度更快，這是鋼筋表面坑蝕形成的主要原因。

（三）去極化作用促進(jìn)侵蝕

由于電勢差移動(dòng)到陽極的氯離子，在陽極與鐵基質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，因去極化作用生成氯化亞鐵。易溶于水的氯化亞鐵在由鋼筋表面向混凝土內(nèi)擴(kuò)散的過程中，氯化亞鐵遇到OH—時(shí)，就會(huì)發(fā)生反應(yīng)，生成氫氧化亞鐵沉淀。而氫氧化鐵是不穩(wěn)定的，容易被空氣中的氧氣氧化，形成鐵的氧化物。

經(jīng)過此一系列的反應(yīng)過程，氯離子并沒有損失，只是起到了搬運(yùn)的作用。也就是說，進(jìn)入混凝土中的氯離子，會(huì)循環(huán)性地起到破壞作用，這也是氯離子侵蝕的特征之一。而鐵基質(zhì)卻進(jìn)一步被氧化，形成鐵的氧化物，銹蝕面積進(jìn)一步擴(kuò)大。

（四）電阻減小加劇侵蝕

腐蝕電池形成的主要條件是要有離子通路的存在[6]。由于混凝土中氯離子的存在，導(dǎo)致離子通路增加，電池的陰極和陽極之間的電阻會(huì)減小，使得腐蝕性的離子在混凝土中流動(dòng)速度增快，進(jìn)而導(dǎo)致電池的腐蝕效率增強(qiáng)，加速了混凝土中電化學(xué)腐蝕過程的發(fā)生；同時(shí)由于氯鹽中的陽離子存在，使得陰陽兩極的電阻進(jìn)一步減小。

三、結(jié)束語

氯離子從外界侵入混凝土內(nèi)部,通過毛細(xì)孔吸入、滲入、擴(kuò)散作用和電化學(xué)轉(zhuǎn)移逐漸侵入鋼筋表面，并通過相關(guān)反應(yīng)，由內(nèi)而外造成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。所以，要保證鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，就必須從相關(guān)機(jī)理出發(fā)采取措施。鋼筋可采用鍍鋅鋼勁或表面涂抹防銹涂層、混凝土材料應(yīng)嚴(yán)格控制，提高自身密實(shí)度和耐久性、混凝土外部可包裹不透水層以防止氯離子的侵入。針對氯離子的侵蝕機(jī)理，采取相應(yīng) 的防治措施，可以非?？捎^地延長鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，保證我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的穩(wěn)步進(jìn)行。

[1]張士萍，劉加平，等．裂縫對混凝土中介質(zhì)傳輸?shù)挠绊慬J]．混凝土，2009，（12）；1-4．

[2]施可夫．氯離子侵蝕對鋼筋混凝土的影響及預(yù)防措施[J]．福建建材．2012（6）；10-12．

[3]江錦棕．氯離子對混凝土侵蝕機(jī)理及抗氯離子滲透檢測方法探討[J]．江西建材．2016（13）；271-272．

[4]蔣林華．混凝土抗氯離子滲透擴(kuò)散性研究[J]．中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)．2002，22（6）；343-348．

[5]Angst U，Elsener B，Larsen C K，et al． Critical chloride contentin reinforced concrete-A review［J］．Cement and Concrete Re-search，2009，39( 12) : 1122-1138．

[6]李 帥，呂振經(jīng)，等．氯離子對混凝土的侵蝕及混凝土滲透性試驗(yàn)方法[A]．中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2011（4）；6-7．