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        氯鹽對(duì)鋼筋混凝土侵蝕機(jī)理研究進(jìn)展

        2017-12-10 11:01:12田如鎮(zhèn)華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院
        大陸橋視野 2017年20期
        關(guān)鍵詞:電勢(shì)差氯鹽氯離子

        李 航 田如鎮(zhèn) /華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院

        氯鹽對(duì)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(duì)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(duì)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(shì)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(duì)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(duì)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(duì)鈍化膜的破壞,首先體現(xiàn)在對(duì)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(duì)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(shì)差加快侵蝕

        隨著氯離子的侵入,其對(duì)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(shì)差。電勢(shì)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(shì)差,在電場(chǎng)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(duì)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(shì)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(duì)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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(duì)混凝土侵蝕機(jī)理及抗氯離子滲透檢測(cè)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(duì)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.

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