氯盐引起的钢筋锈蚀及耐久性设计考虑

氯盐引起的钢筋锈蚀及耐久性设计考虑

洪乃丰

1．总论

1．1 氯盐对混凝土结构的危害

按照P．K．Mehta的观点，钢筋腐蚀在影响混凝土耐久性的诸因素中是排在第一位的。

1．2 钢筋混凝土破坏的主要机理

氯盐引起的钢筋腐蚀，在世界范围内对钢筋混凝土基础设施等造成极大破坏，修复花费巨大，已经是一个经济问题和影响可持续发展的大问题。我国存在着广泛的氯盐环境，氯盐引起的钢筋腐蚀对混凝土耐久性影响的问题必须给与足够的重视。

1．3 混凝土中氯盐的主要来源

1)由环境中渗入的：

海洋环境：

·海水(约含2.9％的Cl—)；

·飞溅区(混凝土表面层中C1—含量可达17kg／m3)；

·海洋大气区(包括海风、海雾影响区)。在按日本的有关规定(见表1)中，钢筋混凝土建筑物离海(面)距离300m之内，属于“重腐蚀区”，需要有可靠的防护措施。

钢筋混凝土建筑物的海雾腐蚀分级(日本建筑所) 表1

化冰盐：

·桥梁(混凝土表面层中Cl—含量可达15kg／m3)；

·停车场(混凝土表面层中Cl—含量可达17.8kg／m3)。

盐渍土、盐湖(在我国分布广阔)。

工业盐环境。

2)混入(掺人)混凝土中的：

如含氯盐外加剂、含氯盐砂(如海砂)、含氯盐(超标)施工用水等。

1．4 氯盐对结构破坏的表征

·氯盐主要是对钢筋腐蚀从而导致钢筋混凝土结构的破坏。对混凝土也有一定程度的破坏作用(盐结晶腐蚀、加速冻融破坏、激发碱集料反应等)；

·当钢筋表面C1—浓度达到或超过“临界值”时，钝化膜开始破坏，钢筋腐蚀发生、发展，锈蚀产物膨胀(2～6倍)，使混凝土顺筋开裂；

·钢筋腐蚀加速，裂纹扩展，混凝土与钢筋之间的粘结力下降，结构的力学性能下降；

·钢筋断面损失，结构局部或整体破坏、垮塌；

·对于预应力结构，可能在钢筋腐蚀表观不严重的情况下突然垮塌。

1．5 C1—对钢筋锈蚀的主要作用

C1—对钢筋锈蚀的作用主要有以下几方面：

1)破坏钝化膜：水泥水化的高碱性(pH≥12．6)，使其内钢筋表面产生一层致密钝化膜，C1—进入混凝土中并到达钢筋表面(超过“临界值”)后，局部钝化膜开始破坏；

2)形成“腐蚀电池”：C1—破坏钝化膜使钢筋表面这些部位(点)露出了铁基体，与尚完好的钝化膜区域之间构成电位差(作为电解质，混凝土内一般有水或潮气存在)。腐蚀往往由局部开始逐渐在钢筋表面扩展。

3)Cl—的阳极去极化作用：加速阳极过程者称作阳极去极化作用，C1—正是发挥了此方面的功能，其反应式：

(Cl—+ Fe2—) + 2H2O + 2e ＝Fe (OH)2 + 2H+ +2C1—(1)

值得注意的是，由式(1)式可以看出，C1—只参与了反应过程，同时起到了“搬运”作用，但并没有被“消耗”掉，换言之，凡是进入砼中的游离状态Cl—，会周而复始地起破坏作用的，这也是氯盐危害的特点之一。

4)C1—的导电作用：混凝土中C1—的存在，强化了离子通路，降低了阴、阳极之间的欧姆电阻，提高了腐蚀

电池的效率，从而加速电化学腐蚀过程。

5)C1—与水泥的作用及对钢筋锈蚀的影响：水泥中的铝酸三钙(C3A)，在一定条件下可与氯盐作用生成不溶性“复盐”，降低混凝土中游离Cl—的量，从这个角度讲，含(C3A)高的水泥品种有利于抵御Cl—的侵害。但是，“复盐”只有在强碱性环境下才能生成和保持稳定，而当混凝土的碱度降低时，“复盐”会发生分解，重新释放出C1—来；在一定条件下也可能转化成水化硫铝酸盐(钙矾石)，就此而言，“复盐”还有潜在危险的一面。1．6 关于混凝土中C1—的“临界值”

1)理论与实验值：C1—在混凝土内扩散到钢筋表面而达到一定浓度时钢筋才会锈蚀。此浓度称作“临界值”·。早期Housmen等人的实验研究结果表明，在混凝土的液相中，当浓度比值为C1—／OH—>0．61时，钢筋开始锈蚀，并已此作为“临界值”。因为混凝土是一个复杂的体系，研究者所用材料、规定的实验条件不同，其结果也有差异。目前，较为一致的观点是，“临界值”确实存在，但不是一个固定值，它是随条件而变的。而后来的众多研究者，得出了不尽相同的结果，Cl—／OH—的比值可以扩展为0．25～2．5之间。

2)相关规范中的“限定值”：在实际中，用C1—／OH—比值表示“临界值”是不好控制和使用的。在试验研究和工程实践的基础上，世界上许多国家的规程、规范、政府指令性文件中，都作了响应的限量规定。各个国家、乃至一个国家的不同部门，所规定“限定值”都不完全一致，但其主要依据还是源于C1—破坏钝化膜的“临界值”。因此，一些人也就将规范规定的“限定值”等同与“临界值”。

混凝土中允许Cl—含量的限定值(水泥重量百分比) (美国混凝土学会相关规定) 表2

耐久性要求较高的钢筋混凝土，Cl—总量不超过0.3kg／m3；一般钢筋混凝土，C1—总量不超过0.6kg／m3(若每1m3混凝土按300kg水泥计算，以上规定为水泥重量的0.1％～0.2％，与表1中美国的规定基本一致)。

日本是一个岛国，河砂奇缺，大多数采用海砂。面对广泛的氯盐环境，日本建设省指令性文件《确保钢筋混凝土耐久性措施》中规定，每1m3混凝土Cl—总量一般不要超过0．3kg，当达到0.3～0.6kg或超过0.6kg时，必须采取掺加钢筋阻锈剂等技术措施。

我国规程规范对氯盐限量规定差异大，近期国内制定、修订的规程规范有了很大改进。逐步靠近如下指标：对于预应力混凝土：C1—总量不超过0．06％(水泥重量百分比)；

对于普通混凝土：C1—总量不超过0．10％(水泥重量百分比)。

3)关于破钝“临界值”与修复“临界值”：破钝“临界值”的概念，指的是“钢筋开始锈蚀的时间”，有人认为，此时应该是“设计寿命期”或修复开始的时间，也即修复“临界值”。而另外一些人则认为，修复“临界值”应是钢筋腐蚀并导致“混凝土出现顺钢筋开裂的时间”。两种理解各有道理。

依据国内外大量试验、研究和工程实践表明，混凝土中C1—浓度在0.3～0.6kg／m3范围内有引起钢筋锈蚀的可能，超过时腐蚀可能性更大。破钝“临界值”似应该在0.3～0.6kg／m3范围内；有一些资料证明，钢筋表面的Cl—浓度在0.6～0.9kg／m3范围内，应是钢筋腐蚀和发展期，当达到或超过lkg／m3时，钢筋锈蚀发展可以将混凝土胀裂。于是，就将1kg／m3定为混凝土破坏“临界值”(或必须修复的时间)。应该说明，混凝土的复杂性和环境的差异性，不大可能只有一个“临界值”，虽然这样，总要有些接近的认识。以下提出一个“综合”说法，仅供参考：

·对于新建工程的控制：

重要工程：进入混凝土中C1—浓度(含量)应小于0．3kg／m3(平均值)；

一般工程：进入混凝土中C1—浓度(含量)应小于0．6kg／m3(平均值)。

·对于已有工程(老建筑确定修复时间)：

重要工程：渗入混凝土中并达到钢筋表面C1—浓度(含量)，可在0.6～0.9kg／m3之间；

一般工程：渗入混凝土中并达到钢筋表面Cl—浓度(含量)，可以lkg／m3为限。

2．氯盐环境下钢筋防腐蚀设计考虑篇

2．1 综合对策的考虑