呂斌

摘 要 鋼筋混凝土（RC）框架柱作為結(jié)構(gòu)的主要承重及抗側(cè)力構(gòu)件，在近海海洋大氣環(huán)境下，框架柱內(nèi)部鋼筋受氯離子侵蝕后發(fā)生不同程度銹蝕的現(xiàn)象，在銹蝕產(chǎn)物膨脹壓應(yīng)力的作用下導(dǎo)致RC結(jié)構(gòu)混凝土保護(hù)層銹脹開(kāi)裂，從而嚴(yán)重降低了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的服役壽命。

關(guān)鍵詞 氯離子 RC結(jié)構(gòu) 鋼筋銹蝕

中圖分類(lèi)號(hào)：TU201 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1氯離子在混凝土中的傳輸

混凝土通常是由膠凝材料、骨料和水按一定比例配合凝結(jié)形成的復(fù)合非均質(zhì)材料，在攪拌及澆筑制備過(guò)程中不可避免的會(huì)存在氣泡及微小裂縫，導(dǎo)致水分侵入，為各種離子在混凝土中的傳輸提供路徑條件。氯離子在混凝土中的擴(kuò)散可簡(jiǎn)單理解為帶電粒子在孔隙及裂縫溶液中擴(kuò)散傳質(zhì)的一系列物理化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，主要有以下三種。

1.1擴(kuò)散過(guò)程

擴(kuò)散過(guò)程主要指混凝土孔隙液中的氯離子在濃度梯度的作用下由高濃度向低濃度的定向轉(zhuǎn)移過(guò)程。通常情況下可將氯離子在混凝土中的侵入擴(kuò)散量理解為隨時(shí)間和空間不斷變化的非穩(wěn)態(tài)函數(shù)關(guān)系，并且已有學(xué)者針對(duì)氯離子在混凝土中的擴(kuò)散分布以菲克第二定律為基礎(chǔ)，利用拉普拉斯變換得出適用于氯鹽侵蝕環(huán)境下的氯離子空間擴(kuò)散計(jì)算式，可為氯離子侵蝕環(huán)境下RC結(jié)構(gòu)全壽命評(píng)估的基礎(chǔ)提供理論參考。

1.2對(duì)流過(guò)程

氯離子在混凝土中的對(duì)流遷移過(guò)程主要由壓力作用和毛細(xì)作用兩部分組成。在外界壓力的作用下，含有氯離子的溶液會(huì)在混凝土內(nèi)外壓力差的作用下發(fā)發(fā)生定向的滲流，導(dǎo)致氯離子溶液不斷侵入混凝土，直至混凝土內(nèi)外壓力差達(dá)到平衡狀態(tài)。此外，由于液體表面張力的作用，為保持毛細(xì)通道內(nèi)外兩側(cè)滲透壓平衡，溶液會(huì)發(fā)生整體性流動(dòng)。尤其是處于干濕交替環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)，在不斷地干、濕循環(huán)過(guò)程中，為保持毛細(xì)管液面濃度穩(wěn)定性，使得該區(qū)域混凝土結(jié)構(gòu)中氯離子濃度不斷提高，導(dǎo)致位于干濕交替環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)劣化最為嚴(yán)重，同時(shí)干濕交替環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)亦是當(dāng)下國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。

1.3電子遷移過(guò)程

在電場(chǎng)的作用下，溶液中陰、陽(yáng)離子會(huì)產(chǎn)生定向移動(dòng)，加速了氯離子侵入混凝土及氯離子與鋼筋反應(yīng)速率。例如電化學(xué)加速RC結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕試驗(yàn)，通過(guò)外加電流的方式，以達(dá)到加速鋼筋銹蝕的目的，實(shí)質(zhì)上是加速了氯離子向混凝土內(nèi)部的擴(kuò)散速率及其與鋼筋的化學(xué)反應(yīng)速率。

2氯離子侵蝕導(dǎo)致鋼筋銹蝕

2.1氯離子侵蝕環(huán)境鋼筋銹蝕機(jī)理

在近海海洋大氣環(huán)境中，氯離子擴(kuò)散侵入混凝土與內(nèi)部鋼筋發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致鋼筋表面鈍化膜消失，在混凝土與鋼筋接觸面處出現(xiàn)電位差，形成腐蝕電池。此外，近海大氣環(huán)境具有充足的水和氧氣，為電化學(xué)反應(yīng)提供了便利條件，隨氯離子濃度的增大，鋼筋不斷被轉(zhuǎn)化為Fe2+，導(dǎo)致鋼筋截面面積不斷減少，銹蝕產(chǎn)物堆積在鋼筋表面形成質(zhì)密的銹蝕層，圖1為氯離子侵蝕環(huán)境下鋼筋銹蝕機(jī)理及腐蝕電池的陰、陽(yáng)極化學(xué)反應(yīng)式。

2.2鋼筋銹蝕引起混凝土保護(hù)層銹脹開(kāi)裂

在氯離子侵蝕環(huán)境下，從RC結(jié)構(gòu)中鋼筋首先發(fā)生脫鈍反應(yīng)直至銹蝕產(chǎn)物擠壓造成混凝土保護(hù)層表面出現(xiàn)裂縫共經(jīng)歷三個(gè)階段，如圖2所示：（1）銹蝕產(chǎn)物累積階段，即從鋼筋去鈍化反應(yīng)開(kāi)始直至銹蝕產(chǎn)物填滿整個(gè)空隙空間使混凝土開(kāi)始產(chǎn)生拉應(yīng)力的階段；（2）混凝土保護(hù)層受銹脹力作用階段，從混凝土保護(hù)層開(kāi)始承受拉應(yīng)力開(kāi)始，直到鋼筋與混凝土交界面處出現(xiàn)微小裂口，但并未貫穿至混凝土保護(hù)層表面；（3）混凝土保護(hù)層開(kāi)裂階段，從混凝土內(nèi)部開(kāi)始出現(xiàn)微小裂口開(kāi)始直至銹脹裂縫貫穿整個(gè)混凝土保護(hù)層，在此階段隨鋼筋銹蝕程度的增大，銹蝕產(chǎn)物會(huì)不斷填充到已開(kāi)裂的銹脹裂縫中。

3結(jié)論

氯離子在混凝土中的傳輸主要有擴(kuò)散、傳輸、電子遷移三種過(guò)程，當(dāng)氯離子侵蝕達(dá)到一定深度，與鋼筋接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致鋼筋表面鈍化膜消失，在接觸面處出現(xiàn)電位差，形成腐蝕電池。并最終在銹蝕產(chǎn)物膨脹性的作用下，導(dǎo)致混凝土保護(hù)層銹脹開(kāi)裂，嚴(yán)重影響RC柱的抗震性能。