钢筋混凝土结构的氯盐腐蚀与防护

钢筋混凝土结构的氯盐腐蚀与防护

摘要:氯盐对钢筋混凝土结构的腐蚀问题越来越严重，必须引起重视。文章分析了氯盐对钢筋混凝土结构的腐蚀机理。最后，对氯盐腐蚀的防护提出了一些措施及建议。

关键词: 钢筋；混凝土结构；氯盐；腐蚀；机理；防腐措施

Abstract: To chlorine salt of reinforced concrete structure corrosion problem more and more serious, must pay attention. This paper analyzes the chlorine to salt of reinforced concrete structure, the corrosion mechanism. Finally, the corrosion protection of chlorine salt puts forward some measures and suggestions.

Key Words: Reinforced; Concrete structure; Chlorine salt; Corrosion; Mechanism; Anticorrosion measures

钢筋混凝土结构结合了钢筋与混凝土的优点，造价较低，是土木工程结构设计中的首选形式，应用十分广泛。然而随着结构物的老化和环境污染的加剧，钢筋混凝土结构的耐久性问题越来越引起人们的重视。在1991年召开的第二届混凝土耐久性国际会议上，Mehta教授在题为《混凝土耐久性—五十年进展》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。”可见，钢筋锈蚀问题已被公认为影响钢筋混凝土结构耐久性的第一因素，而氯离子的侵蚀又是引起钢筋锈蚀的首要因素。所以，重视氯盐腐蚀问题已显得迫不及待。

1 氯盐引起的钢筋混凝土结构腐蚀破坏状况

最近几十年来，氯盐引起的混凝土中钢筋腐蚀问题越来越普遍，已成为全球性问题。在英国，根据运输部门1989年的报告:英格兰和威尔士有75％钢筋混凝土桥梁受到氯离子的侵蚀，维护修理费用是原造价的200％。我国南京水利科学研究院在20世纪60年代对华南和华东地区27座海港钢筋混凝土结构的调查发现，74％因钢筋腐蚀而导致结构破坏。在瑞士，由于使用除冰盐导致钢筋锈蚀，每20年就有3000座桥梁需要维修。

2氯盐对钢筋混凝土结构的腐蚀机理

2.1 氯盐对钢筋的腐蚀机理

最近几十年来，人们对氯离子腐蚀钢筋的机理存在不同的观点。但总体认为，氯离子能破坏钢筋表面的钝化膜，使钢筋发生电化学腐蚀。

（1）.破坏钢筋表面钝化膜

混凝土内部是一个碱性环境，pH值一般大于12.5，钢筋在碱性环境下，表面会生成一层致密的钝化膜。该钝化膜中含有Si-O键，对钢筋有很好的保护作用。然而钝化膜只有在高碱性环境下才能稳定。大量的研究与实验表明：当pH 值＜11.5时，钝化膜就开始不稳定；当pH值＜9.88时，钝化膜生成困难或已经生成的钝化膜逐渐破坏。由于氯离子半径很小，活性较大，具有很强的穿透能力，加之混凝土材料的多孔性，氯离子通过混凝土达到钢筋表面的几率很大。当钢筋表面的氯离子浓度超过临界值时，即使在碱度较高，pH值大于11.5时，也能破坏钝化膜，它可使钢筋表面的PH值降低到4，造成钝化膜破坏。

⑵.形成腐蚀电池

氯离子对钝化膜的破坏最初发生在局部点上，使这些部位露出铁基体，形成小阳极，此时钢筋表面的大部分仍然具有完好的钝化膜，形成大阴极。由于混凝土内部有水或潮气存在，可充当腐蚀电池的电解质。在腐蚀电池的作用下，钢筋表面将产生“点蚀”或“坑蚀”。由于阴极区域比阳极区域大得多，所以“坑蚀”的发展将十分迅速。这也是氯离子在钢筋表面产生“坑蚀”的主要原因。

⑶.氯离子的去极化作用

通常把加速阳极化学反应的过程，称作阳极去极化作用。氯离子正是发挥了阳极去极化作用的功能，其反应式如下:

通过上式可以发现，氯离子虽然参与了化学反应，但它只是起到“搬运”Fe2+的作用，它在整个反应过程中并没有被“消耗”掉。另外，生成的H+回到阳极区，使阳极区附近的孔隙液局部酸化，进一步破坏碱性条件。

⑷.氯离子的导电作用

腐蚀电池的必要条件之一是要有离子通路。氯离子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，从而加速了电化学腐蚀过程。此外，氯盐中的阳离子（如Na+、K+、Ca2+等）也会降低阴阳两极的电阻。

2.2 氯盐对混凝土的腐蚀机理

氯盐可以和混凝土中的Ca(OH)2、3CaO㈠Al2O33H2O等反应生成复盐CaOCacl2渠H2O和3CaOAl2O33Cacl231H2O。由于这些复盐含有大量结晶水，很容易在混凝土内部结晶膨胀导致混凝土开裂、剥落。同时，由于复盐的生成将消耗大量的Ca(OH)2，从而破坏C-S-H凝胶与Ca(OH)2之间的平衡，导致C-S-H

凝胶的分解，这也促进混凝土表面的溃散。

3防腐措施和建议

3.1 严格控制混凝土中的氯离子含量

张贺等通过试验表明，混凝土中Cl―含量越高，钢筋的初始腐蚀电位越低、初始腐蚀电流密度越高，钢筋开始锈蚀的时间越早。所以，应根据混凝土的种类、环境条件等对混凝土中的氯离子加以限制。

一些研究者认为氯离子引起混凝土中钢筋锈蚀取决于钢筋周围混凝土中的Cl―/OH―，而不是单纯的氯离子含量。Hussian等人的试验表明：当Cl―/OH―＞0.6时，钢筋开始锈蚀，并以此作为“临界值”。但Diamond综合该方面的研究成果，发现不同pH值碱溶液中具有不同的Cl―/OH―临界值如表3

表3钢在不同pH值碱溶液中的氯离子浓度的临界值

pH值11.5 11.8 12.1 12.6 13.0 13.3

临界值 0.60 0.57 0.48 0.29 0.27 0.30

后来众多研究者得出了不尽相同的结果，Cl―/ OH―的临界值可以扩展为0.25～2.5之间〔5〕。可见，氯离子的临界值是相对的，它随条件的不同而变化，但合理控制氯离子含量以及适当提高混凝土的碱度可有效预防钢筋锈蚀。

3.2 合理控制水灰比（水胶比）

从许多试验结果中可以发现，当水灰比减小时，混凝土的渗透性、氯离子扩散系数都有不同程度的降低。Al-Saadoun(1992)在加速锈蚀试验中，观察到钢筋开始锈蚀时间在水灰比为0.4时是水灰比为0.55的 1.77倍；Al-Amoudi(1985)曾经报道过混凝土的渗透性在水灰比低于0.45时显著降低，水灰比在0.4左右时混凝土的性能较好。图2为50年海洋环境（年平均温度为18℃）中混凝土方桩的混凝土厚度与Cl―渗透量之间的关系。

1.水胶比为0.45；

2.水胶比为0.40；

3.水胶比为0.35；

4.电量为600C；

5.电量为300C

从图中可以发现，在同样环境下，水胶比（1、2、3）越低，Cl―在混凝土中的浓度（或含量）就越低，即随着水胶比的降低，混凝土抗氯离子扩散能力