氯盐对混凝土结构耐久性的危害分析及对策全套

氯盐对混凝土结构耐久性的危害
分析及对策
文档资料可直接使用，可编辑，欢迎下载
— 50年进展》的报告中指出:“ 当今世界 , 混凝土破坏的原因 , 按重要性递降顺序排列是 :钢筋锈蚀、寒冷气候下的冻害、侵蚀环境的物理化学作用 [2]。

在 2001年“ 土建结构工程的安全性与耐久性” 工程科技论坛上 , 有关专家也明确指出我国混凝土破坏的主要原因是“ 南锈北冻”。

我国从 70年代末开始大量建造混凝土路面道路和立交桥 , 80年代末开始建造高速公路。

在北方地区 , 为保证冬季交通畅行 , 向道路、桥梁及城市立交桥等撒除冰盐 , 大量使用的氯化钠 (NaCl 和氯化钙 (CaCl 2, 氯盐具有很强的腐蚀性 , 会造成金属结构、混凝土中钢筋、排水装置以及地下管线等加速腐蚀 , 使得氯离子渗入混凝土 , 引起钢筋锈蚀。

我国有超过 1万 km 的海岸线 , 大规模的基本建设集中于沿海地区 , 而海边的混凝土工程由于长期受氯离子侵蚀 , 混凝土中的钢筋锈蚀现象非常严重 , 已建的海港码头等工程多数都达不到设计寿命的要求。

因此使用防冰盐和海洋环境中的氯离子 , 是造成钢筋锈蚀的主要原因。

鉴于此 , 本文主要以氯离子对钢筋混凝土结构侵蚀破坏来进行分析 , 作为混凝土结构耐久性的一个重要部分。

氯盐对混凝土结构耐久性的危害分析及对策 Chlorine salt to concrete structure durable harm analysis and countermeasure 高永航解耀魁 (西安建筑科技大学土木工程学院 , 陕西西安 710055
摘要 :钢筋锈蚀是影响混凝土结构耐久性的最主要原因 , 而氯盐又是影响钢筋锈蚀的主要因素之一。

因此 , 本文
以氯盐对钢筋混凝土结构腐蚀破坏为研究对象 , 指出了钢筋锈蚀的机理 , 钢筋锈蚀对结构性能的影响等 , 并对防
氯盐侵蚀破坏提出了几点措施。

关键词 :钢筋混凝土结构 ; 氯盐 ; 耐久性 ; 钢筋锈蚀 ; 机理
Abstract :Reinforcementcorrosion affects durability of concrete structures as most primary cause. And the chlorine salt
also affects one of steel bar corrosion primary factors. Therefore, the paper take the chlorine salt to the reinforced con -
crete structure corrosion and destroy as the object of study, points out the steel bar corrosion the mechanism, Steel bar corrosion to structure performance influence and so on., and proposed several measures to against chlorine salt corrosion destruction.
Key words :reinforced concrete structure; chloride salt; durability; reinforcement corrosion; mechanism
中图分类号 :TU528.33;TU511.3+2文件标识码 :B 文章编号 :1003-8965(2021 01-0013-05
水泥与混凝土 13
图 1氯离子侵蚀钢筋锈蚀机理
2.1氯离子侵蚀钢筋锈蚀机理
已有的结果表明 , 混凝土空隙中是碱度很高的 Ca(OH2饱和溶液 , PH 值在 12.5左右。

在这样高碱度的环境中 , 钢筋表面被氧化 , 形成一层厚约 20~60A 的λ-Fe 2O 3·nH 2O 的钝化膜保护层 , 这种膜是一种致密、稳定的共格结构 , 水和氧气不能渗透过去 , 使钢筋处于钝化膜状态而不被氧化。

但由于混凝土结构在许多情况下与含有氯离子的溶液相接触 , Cl -以扩散的方式或由毛细孔吸附而被传输到混凝土内部的钢筋表面 , 当钢筋表面的混凝土空隙溶液中游离 Cl -浓度超过一定值时 , 即使在碱度较高 , PH 值大于 11.5时 , Cl -也能破坏钝化膜 , 从而使钢筋发生锈
蚀。

Cl -对钢筋表面钝化膜的破坏首先发生在局部 , 使这些部位露出了铁基体 , 与尚完好的钝化膜区域之间构成腐蚀电池 , 腐蚀电池作用的结果是在钢筋表面产生蚀坑。

Cl -不仅促成了钢筋表面的腐蚀电池 , 而且加速了电池的作用 , 混凝土中 Cl -的存在强化离子通路 , 降低阴阳极之间的电阻 , 加速化学腐蚀过程。

但 Cl -在整个腐蚀过程中并没有被消耗掉 , 只是起到了“ 搬运” 的作用 , 凡进入混凝土中的Cl -会周而复始地起到破坏作用 , 这是 Cl -危害的特点之一 [7]。

氯离子对钢筋的腐蚀作用概括总结主要表现在以下几个方面 :
(1作为去钝化剂 , 破坏钢筋表面的保护性钝化膜。

(2形成腐蚀电池 , 造成局部坑蚀或均匀腐蚀。

(3发挥了阳极的去极化作用 , 加速腐蚀进程。

(4形成离子通路 , 起到导电的作用 , 提高锈蚀速率。

其锈蚀过程见图 1[3]。

①在阳极 , 铁失去电子变成铁离子 , 由于水溶性氯化铁 (FeCl2·4H 2O 的形成 , 钢筋表面钝化膜破坏。

阳极反应过程是 :
Fe-2e =Fe2+(1 Fe 2++2Cl-+4H2O=FeCl 2··4H 2O (2②在阴极 , 电子、水、氧转化成氢氧根离子 , 起到了保护钢筋的作用。

阴极反应是 :
O 2+2H2O+4e-=4(OH-(3③阴极反应产生的氢氧根离子通过带电区域向阳极方向传递带有负电荷的离子。

而阳极形成的 FeCl 2·4H 2O 向含氧量较高的混凝土孔溶液中迁移 , 分解为 Fe(OH2, 在湿度和通风的条件下 , 继续反应生成最终的铁锈。

FeCl 2·4H 2O
=Fe(OH2+2HCl+2H2O (4 4Fe(OH2+O2+2H2O
=Fe(OH3(5 2.2氯离子在混凝土中的扩散模型 [2]
基于所处环境不同 , 外部氯离子一般通过渗透、扩散、毛细管作用及化学迁移等方式侵入混凝土。

通常 , 氯离子的侵入是几种方式的组合结果。

对于现有的没有开裂且水灰比不太低的结构 , 大量的检测结果表明氯离子的浓度可以认为是一个线性的扩散过程 , 用 Fick 定律可以很方便地将氯离子的扩散浓度、扩散系数及扩散时间联系起来 , 可以直观地体现结构的耐久性。

目前 , Fick 第二定律已经成为预测氯离子在混凝土中扩散过程的经典理论。

Fick 第二定律可以表示为 :
水泥与混凝土 14
图 2钢筋锈蚀对结构性能的影响
(6
式中 , C cl 为氯离子浓度 (%, 一般以氯离子占水泥或混凝土重量百分比表示 , t 为时间 (年 , x 为位置 (cm,Dcl 为扩散系数 (㎜ 2/年。

假定混凝土结构表面氯离子浓度恒定 , 混凝土结构相对暴露表面为半无限介质 , 相应的初始条件和边界条件可以写为 :
初始条件 :
C cl (x,0=0
(7边界条件 :
C cl (0,t=Cs(8C cl (∞ , t=C0
(9
根据初始条件和边界条件 , 可以得到式 6的解为 :
C x , t =C0+(C s +C0 [1-erf(
x cl 姨 ]
(10
式中 , C x,t — t 时刻 x 深度处的氯离子浓度 ;
C 0—氯离子初始浓度 ;
C s —混凝土表面的氯离子浓度 ;
D cl —为扩散系数 ; erf(z为误差函数 ;
erf (z=姨 z
矣
exp (-z 2 dz
(11
2.3钢筋锈蚀对结构性能的影响
氯盐渗透到混凝土中 , 提高了氢氧化钙的溶解度 , 增加了对混凝土的溶解侵蚀和冻融破坏。

但是 , 氯盐最主要的破坏作用还是对钢筋的腐蚀 , 当混凝土中氯离子 (Cl- 到达钢筋表面并超过一定量 (临界值时 , 原来处于钝化状态的钢筋就会活化、腐蚀。

混凝土中的钢筋一旦发生锈蚀 , 在钢筋表面发生一层疏松的锈蚀产物(mFe3O 4·nFe 2O 3·rH 2O , 同时向周围混凝土孔隙中扩散。

锈蚀使钢筋铁变成氧化铁 , 其体积发生膨胀 , 根据最终产物的不同 , 可膨胀
2~7倍。

使混凝土保护层发生顺筋开裂、脱落、构件
或结构承载力下降或丧失。

因此 , 氯盐已成为影响
钢筋混凝土结构耐久性的一个大敌。

钢筋锈蚀破坏对结构性能的影响如图 2[6]。

2.4混凝土中氯离子含量的临界值
钢筋周围混凝土空隙液的游离 Cl -的最高浓度 , 被称为混凝土氯化物的临界浓度 , 这是十分重要的指标 [5]。

当氯离子含量在钢筋周围达到一定浓度时 , 钢筋的钝化膜开始破坏 , 丧失对钢筋的保护作用 , 从而引起钢筋锈蚀。

因此 , 混凝土中氯离子的来源不管是“ 內掺” 还是“ 外渗”, 为保证混凝土的耐久性 , 应根据混凝土的种类、环境条件等对混凝土拌合物中氯化物的总量加以限制。

关于引起的钢筋锈蚀的氯离子临界值 , 目前看法并不一致 , 由于氯离子临界值受到多种因素和试验条件的影响 , 理论上它是个随机变量 , 氯离子的临界值应在大量统计的基础上 , 在一定的概率下取得。

针对混凝土拌合物中氯离子含量的最高限值 , 国外的有关规定要求也不尽一致。

其中 , 日本《混凝土标准规范》 (1986规定 [2]:
(1对于一般钢筋混凝土和后张预应力混凝
土 , 混凝土中的氯离子总量定为 0.6Kg/m3以下。

(2对耐久性要求特别高的钢筋混凝土和后张
预应力混凝土 , 在可能发生盐害和电腐蚀的场合以及采用先张预应力混凝土的场合 , 混凝土中氯离子的总量为 0.3Kg/m3以下。

水泥与混凝土
15
混凝土种类内掺型混凝土的氯盐总参量临界值 (%
外渗型混凝土的氯盐浓度临界值 (×10
中等强度混凝土 1.155000高强混凝土 0.8510500掺粉煤灰高强混凝土
0.8-粉煤灰和高效减水剂双掺型高强混凝土
0.45
10000
表 1不同混凝土的氯盐总参量和环境氯盐浓度临界值
(3针对预拌混凝土 (JLSA5308-1986, 混凝
土的氯化物含量 , 在卸货地点、氯离子必须在
0.3Kg/m3以下。

但在得到业主认可时 , 可在 0.6Kg/m 以下。

根据对钢筋钝化机理的研究 , 一些学者认识到混凝土中钢筋钝化膜的破坏并不单纯取决于氯离子浓度 , 由于钢筋的活性还受到 PH 值 (OH-浓度的影响 , 当 OH -浓度高时 , 钝化膜的稳定性好 , 破坏钝化膜所需的 Cl -浓度就大 ; 相反 , 当 OH -浓度低时 , 破坏钝化膜所需的 Cl -浓度就小。

因此 , 用 Cl -/
OH -来表示钢筋活性更合理。

Hausman 提出对 Cl 内掺混凝土 Cl -/OH -的临界值为 0.6, 这个数值被许多学者所接受。

Lambert 等发现对 Cl -外渗型混凝土 , Cl -/OH -的临界值为 3, 而对 Cl -内掺型混凝土该临界值在 0.3~0.6之间 , 与Hausman 的试验
结果接近。

对于同一种混凝土 , 氯盐总掺量或环境氯盐浓度越大 , 则混凝土中 Cl -/OH-也越大 , Kayyali 等根据内掺型和外渗型混凝土的 Cl -/OH -临界值分别为 0.6和 3, 换算得到氯盐总掺量与环境氯盐浓度临界值见表 1[8]。

20世纪 60年代建造的美国旧金山海湾的第
二座 San Mateo-Hayward 大桥 , 其预制横梁处于浪溅区 , 由于混凝土浇注养护时梁底部产生微裂缝 , 给氯离子侵入创造了条件 , 发生了严重的钢筋锈蚀 , 于 1980年不得不花巨资修补。

日本运输省曾查过 103座混凝土海港码头 ,
发现使用 20年以上的码头都有相当大的顺筋锈胀。

著名的新干线使用不到10年 , 就出现大面积的混凝土开裂、剥落现象。

我国黑龙江的哈绥公路 1995年完工 , 1996年为满足亚洲冬运会的交通量要求 , 开始在路面撒除冰盐 , 之后撒除冰盐的路面和路肩表面出现大面积的混凝土剥蚀
破坏 , 破损路段长 19.5km 。

北京市政工程设计研究总院对原西直门立交桥、三元桥、东直门立交桥、大北窑桥和月坛桥等进行了氯化物侵入和钢筋锈蚀检测 , 结果表明 :氯化物的侵入可以严重破坏钢筋的锈蚀。

[1]
由氯盐引起的钢筋锈蚀 , 现已成为影响混凝土结构耐久性最主要的因素。

因此 , 最大限度的保证混凝土自身密实完好、保持高碱度和防止有害离子入侵 , 是钢筋混凝土防腐蚀措施的出发点 [9]。

(1国外相关规定 , 施工用水中氯离子含量约为 200~350mg/L, 我国规范规定约
为 350~1200mg/L , 对于氯离子含量超标的水施工时 , 应加以严格的
限制。

取自海边的骨料要洗净 , 要进行规范除盐。

我国有关规程中规定 , 对于钢筋混凝土 , 海砂的氯离子含量应低于 0.06%。

(2水泥品种和掺合料。

各水泥成分中以 C 3A 对 Cl -的吸附作用最大。

故当C 3A 含量高时 , 被吸附
的 Cl -多 , 游离 Cl -浓度小 , 对防护钢筋锈蚀有利。

K 2O 、 N 2O 含量高的高碱水泥 , 由于其孔溶液中的 OH -浓度高 , 使 Cl -/OH-降低 , Cl -引起的钢筋锈蚀
水泥与混凝土
16
速度就慢。

一般认为 , 在水泥中掺入各种掺合料对抗 Cl -引起的钢筋锈蚀都
是有利的。

掺合料的作用主要体现在延缓钢筋锈蚀的开始时间和降低锈蚀速度上。

(3混凝土保护层厚度。

混凝土保护层厚度增
加 , 则氯离子渗入混凝土到达钢筋的时间就会增加 , 这是延迟混凝土内部钢筋锈蚀很有效的一种方法。

氯盐环境的工程 , 混凝土的保护层厚度最好不小于 50㎜。

但过厚的保护层在硬化过程中的收缩应力和温度应力得不到钢筋的控制 , 很容易产生裂缝 , 裂缝的产生会大大削弱混凝土保护层的作用。

一般 , 混凝土保护层厚度不应超过 80~100㎜ , 具体尺寸应根据结构设计而定。

(4降低水灰比。

水灰比的增大 , 使混凝土的
孔隙率增大 , 密实度降低 , 从而增大 Cl -的扩散系数 , 最终使钢筋锈蚀速度加快。

因此 , 降低水灰比 , 对于氯离子在混凝土中的扩散起一定的控制作用。

(5混凝土表面涂层。

混凝土外涂层有隔离腐
蚀环境的功能 , 对于保护混凝土自身、保持碱度和防止有害离子入侵都是有效的。

外涂层主要有渗透层、隔盖层、覆盖层、水泥基、聚合物、树脂类涂层等。

涂覆混凝土作为第一道防线往往是一种简单、经济和有效的保护措
施。

(6钢筋阻锈剂 [5]。

钢筋阻锈剂通过影响钢筋和
电介质之间的化学反应 , 来阻止钢筋发生锈蚀。

它有阴极型、阳极型、复合型等类型 , 系由无机和有机物构成。

当阻锈剂存在时 , 可以使有害离子对钢筋
不产生腐蚀或大大减缓腐蚀速度。

亚硝酸盐是近
20年来已经大规模应用的钢筋阻锈剂。

(7耐腐蚀钢筋。

耐腐蚀钢筋对氯离子的防护也
是一种有效的方法。

目前研究和应用的热点是环氧涂层钢筋。

该涂层钢筋
是在严格控制的钢厂流水线上涂覆的 , 一般可以保证涂层高质量 , 涂层可以将钢筋与周围混凝土隔开 , 即使氯离子和氧气已经大量侵入混凝土 , 它还是可以保护钢筋 , 使钢筋免遭破坏。

此外 , 施工质量、外加剂等多种因素对氯离子的侵蚀也有一定的影响 , 可以
根据实际工程情况采
用不同的方法或几种方法同时应用。

由于钢筋混凝土结构在使用寿命期间可能遇到各种暴露条件 , 氯盐是其中最危险的侵蚀介质。

来自海洋中大量的氯离子 , 冬季化冰盐的使用 , 我国还有一定数
量的盐湖和大面积的盐碱地。

其中氯离子对混凝土结构耐久性所造成的危害是巨大的 , 这就使我们必须采用防氯盐腐蚀的技术措施。

参考文献
[1]洪乃丰 . 防冰盐腐蚀与钢筋混凝土的耐久性 . 建筑技
术 , 2000
[2]赵卓 , 蒋晓东 . 受腐蚀混凝土结构耐久性检测诊断 . 黄
河出版社 , 2006
[3]吴瑾 . 钢筋混凝土结构锈蚀损伤检测与评估 . 科学出
版社 , 2005
[4]洪乃丰 . 混凝土中氯盐与钢筋腐蚀的几个相关问题 .
工业建筑 , 2003
[5]金伟良 , 赵羽习 . 混凝土结构耐久性 . 科学出版社 , 2002
[6]张誉 , 蒋利学等 . 混凝土结构耐久性概论 . 上海科学技
术出版社 , 2003
[7]刘文军 , 王军强 . 氯离子对钢筋混凝土结构的侵蚀分
析 . 混凝土 , 2007
[8]洪乃丰 . 混凝土中钢筋腐蚀与防护技术 (3—氯盐与钢
筋锈蚀破坏 , 工业建筑 , 1999
[9]洪乃丰 . 混凝土中钢筋腐蚀与阻锈剂 . 混凝土 , 2001
水泥与混凝土
17。