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(jī)理，討論了氯鹽腐蝕環(huán)境混凝土壽命預(yù)測(cè)模型的進(jìn)展及主要鋼筋腐蝕防護(hù)措施，簡(jiǎn)析了幾種措施的優(yōu)缺點(diǎn)。

【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(lái)，世界各國(guó)因混凝土結(jié)構(gòu)耐久性性能劣化或失效承受的經(jīng)濟(jì)損失巨大，因此混凝土耐久性問(wèn)題在世界工程界受到廣泛重視。綜合大量工程實(shí)例發(fā)現(xiàn)，鋼筋銹蝕對(duì)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(jī)理，淺述氯鹽環(huán)境下混凝土壽命預(yù)測(cè)模型的進(jìn)展以及鋼筋銹蝕防護(hù)措施。

混凝土中的氯鹽主要來(lái)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(shí)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(guò)高，且研究表明氯鹽重量達(dá)到混凝土重量的0.1%至0.2%時(shí)就很可能引起鋼筋銹蝕[3]，進(jìn)而破壞混凝土結(jié)構(gòu)。

1 氯離子侵蝕機(jī)理

氯離子主要通過(guò)擴(kuò)散、滲透、毛細(xì)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(shí)以毛細(xì)吸收作用為主；混凝土孔隙飽和時(shí)以常溫?cái)U(kuò)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(shí)存在，但以擴(kuò)散作用為主[4]。

氯離子引起鋼筋銹蝕的過(guò)程主要分為3個(gè)階段：

1）鈍化膜破壞?；炷龄摻畋砻娴拟g化膜必須在強(qiáng)堿條件下（PH？叟12.6）才能穩(wěn)定存在，研究表明，PH<11.5時(shí)，鈍化膜趨于不穩(wěn)定，而當(dāng)PH<9.88時(shí)，鈍化膜開(kāi)始破壞。當(dāng)氯離子局部吸附于某處鈍化膜時(shí)，可使此處鈍化膜迅速酸化，有微觀實(shí)驗(yàn)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(shí)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(yáng)極反應(yīng)生成Fe2+，但氯離子與二價(jià)鐵離子結(jié)合生成二氯化鐵，可降低鐵離子濃度從而促進(jìn)陽(yáng)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(dāng)此拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉極限時(shí)混凝土開(kāi)裂。

3）結(jié)構(gòu)失效。由于混凝土開(kāi)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(cè)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(duì)混凝土結(jié)構(gòu)壽命的影響最為顯著[1]，簡(jiǎn)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(chēng)腐蝕誘導(dǎo)期，其耗時(shí)最長(zhǎng)且取決于氯離子在混凝土中的擴(kuò)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(kuò)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(cè)混凝土服役壽命（截至鈍化膜破壞時(shí)的壽命）[6]。

事實(shí)上，擴(kuò)散過(guò)程中氯離子將與水泥水化產(chǎn)物作用，氯離子擴(kuò)散系數(shù)也可隨溫度、濕度、裂縫等發(fā)生變化，因此國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者基于Fick第二定律提出修正模型。20世紀(jì)90年代Mangat[8]和Maage[9]考慮了時(shí)間對(duì)氯離子擴(kuò)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(shí)間的函數(shù)并以此改變Fick擴(kuò)散方程的邊界條件、2002年Kassir等[11]根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到了混凝土表面氯離子濃度與時(shí)間的指數(shù)關(guān)系、Mejbro等考慮了氯離子擴(kuò)散系數(shù)與時(shí)間、環(huán)境、養(yǎng)護(hù)條件及膠凝材料有關(guān)對(duì)Fick原始擴(kuò)散模型（如式（2）所示）進(jìn)行改進(jìn)[12]。

國(guó)內(nèi)，趙鐵軍等[13]考慮氯離子擴(kuò)散系數(shù)與時(shí)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(lái)的影響，建立新的氯離子擴(kuò)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(kuò)散系數(shù)的時(shí)間依賴(lài)性、結(jié)構(gòu)微裂縫等提出了修正模型。

3 氯鹽侵蝕防護(hù)措施

研究混凝土結(jié)構(gòu)氯鹽腐蝕機(jī)理，一方面，可以預(yù)測(cè)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(hù)措施有：

1）嚴(yán)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(guó)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(shí)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(kuò)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(wú)機(jī)或有機(jī)涂層（有機(jī)涂層以環(huán)氧類(lèi)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(shù)脂等[16]，不同的涂料具有不同的功能特點(diǎn)，需合理選用，否則反而造成結(jié)構(gòu)危害。

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

4 結(jié)語(yǔ)

1）氯鹽侵入混凝土，大多數(shù)情況仍以擴(kuò)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(gè)階段，其中腐蝕誘導(dǎo)期內(nèi)存在一個(gè)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(diǎn)。

2）氯離子引起鋼筋銹蝕的腐蝕誘導(dǎo)階段，對(duì)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(zhǎng)。

3）氯鹽腐蝕的防護(hù)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(wú)機(jī)或有機(jī)涂層、電化學(xué)法直接控制鋼筋電化學(xué)腐蝕過(guò)程三類(lèi)，事實(shí)上，現(xiàn)實(shí)工程環(huán)境十分復(fù)雜，往往需要結(jié)合施工特點(diǎn)綜合選用多種防護(hù)措施，方能均衡利弊，最大程度預(yù)防鋼筋銹蝕，增長(zhǎng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]