氯离子对混凝土的侵蚀

氯离子对混凝土结构的侵蚀文：张洪滨第一节：氯离子对混凝土结构的侵蚀混凝土受到破坏的原因，按重要性递减顺序排列，依次是钢筋锈蚀、冻害、物理化学作用。

而氯离子是造成钢筋锈蚀的主要原因。

在自然环境中，氯离子是广泛存在的。

包括：1，氯离子存在于混凝土原材料中，如含氯化物的减水剂，掺入的矿渣可能是用海水淬冷的，粉煤灰可能是用海水排湿的等等。

2，海洋是氯离子的主要来源，不仅海水中含有大约3%的氯化物，海风、海雾、海沙中也含有氯离子。

海水、海风和海雾中的氯离子和不合理地使用海沙，是影响混凝土结构耐久性的主要原因之一。

3，道路化冰盐因为性能好，价格便宜，因此在道路上广泛使用，这就使得氯离子能渗透到混凝土之中，引起钢筋锈蚀。

4，盐湖和盐碱地也是氯离子的一个重要来源。

5，工业环境十分复杂，就腐蚀介质而言有酸、碱、盐等，其中以氯离子、氯气和氯化氢等为主的腐蚀环境不在少数，处在此类环境中的混凝土结构的腐蚀破坏往往是非常迅速而又严重的。

6、火不仅可以直接降低钢筋混凝土结构的强度与可用性，而且由于热分解有机化合物，还有促进钢筋锈蚀的间接作用。

含氯很高的聚氯乙烯在80—90度下会分解放出气态的氯化氢，到300度时，几乎完全分解释放出大量氯离子，遇水溶解，形成PH值低到1的盐酸。

这种酸最后在构件表面冷却凝结，渗入混凝土中，就会引起钢筋锈蚀。

因此，火灾后混凝土构件常为氯化物所危害。

第二节：氯离子侵入混凝土的途径氯离子进入混凝土中通常有两种途径：第一是“混入”，如使用含氯离子的外加剂、使用海砂、施工用水含氯离子、在含盐环境中拌制浇筑混凝土等。

氯化物分水溶性和酸溶性两种，作为外加剂加入混凝土的氯化物一般都是水溶性的，而骨料中含有的氯化物大多都是酸溶性的。

水溶性氯化物的危害大于酸溶性氯化物，因为它们可以直接腐蚀钢筋。

“混入”现象大都是施工管理问题。

第二是“渗入”，环境中的氯离子通过混凝土的宏观、微观缺陷渗入到混凝土中并到达钢筋表面。

“渗入”现象是综合性技术问题，与混凝土材料多孔性、密实性、工程质量、钢筋表面混凝土层厚度等多种因素有关，是需要重点讨论的。

一、氯离子渗透混凝土与含有氯化物的环境接触，如海水或化冰盐等，氯离子就有可能渗透到混凝土结构内部去。

氯离子的渗透始于混凝土结构表面，然后逐渐向结构内部发展。

渗透速度取决于以下因素：1. 与混凝土接触的氯化物的浓度；2. 混凝土的渗透性；3. 环境的潮湿度；当有潮气和氧气存在时，沉淀在混凝土内钢筋表面的氯化物就会引起钢筋锈蚀，锈蚀层不断地增加，其产生的张力就会使混凝土结构开裂和分层。

由于自然引力或交通负荷的作用，已经分层的混凝土结构就会发生破碎。

而开裂和分层反过来又会加剧钢筋的锈蚀，结构深处的钢筋也发生锈蚀，因为这时氯化物、氧气和潮气更容易进入到混凝土结构内。

与其他导致钢筋锈蚀的因素相比，氯化物引起钢筋锈蚀的浓度阀值受混凝土pH值的影响最大。

研究发现，当混凝土的pH值为13.2时，氯离子浓度为8000ppm时，钢筋才开始发生锈蚀；而当混凝土的pH值为11.6时，氯离子浓度仅为71ppm时，钢筋就已经开始锈蚀了。

二、裂缝与氯化物混凝土结构上的裂缝和各类缝隙可以使环境中的腐蚀性化学物质，如化冰盐等渗透到结构内部并接近钢筋。

如果有氯离子存在，即使混凝土结构的碱性仍然很强，钢筋也会发生锈蚀。

在锈蚀过程中，氯离子起的是一种催化剂的作用，它并不直接参与锈蚀反应，因此在反应过程中，氯离子不会被消耗，而是长期保留在混凝土结构中，继续起破坏作用。

第三节：氯离子对钢筋锈蚀的机理1，破坏钝化膜水泥水化的高碱性使混凝土内钢筋表面产生一层致密的钝化膜。

该钝化膜中含有Si-O 键，它对钢筋有很强的保护能力。

然而该钝化膜只有在高碱性环境中才是稳定的，当PH值小于11.5时，就开始不稳定，但PH值小于9.88时，已经生成的钝化膜逐渐被破坏，新的钝化膜也很难生成。

氯离子是一种很强的去钝化剂，当进入混凝土到达钢筋表面吸附于局部钝化膜处是，可使该处的PH值迅速降低到4以下，从而破坏钝化膜。

2，形成腐蚀电池如果在大面积钢筋表面上具有高浓度氯离子，则其所引起的腐蚀可能是均匀的腐蚀。

但是在不均质的混凝土中，常见的是局部腐蚀。

氯离子对钢筋表面钝化膜的破坏发生在局部，使这些部位露出了铁基体，与尚完好的钝化膜区域形成了较大的电位差。

铁基体作为阳极而受腐蚀，大面积钝化膜区域作为阴极。

腐蚀电池作用的结果是在钢筋表面产生蚀坑，由于是大阴极对小阳极，蚀坑发展十分迅速。

3，加速阳极反应的进行氯离子不仅促成了钢筋表面的腐蚀电池，而且加速了电池的作用。

氯离子与阳极反应生成的铁离子结合生成氯化铁，将阳极产物及时带走，使阳极反应加速进行。

而氯化铁是可溶的，遇到氢氧根就能生成氢氧化亚铁，而氯离子被置换出来，而不是被消耗。

也就是说，凡是进入混凝土中的氯离子会周而复始地起到破坏作用，危害极大。

4，导电作用腐蚀电池的要素之一是要有离子通路，而氯离子的存在强化了离子通路，降低了阴阳极之间的电阻，提高了腐蚀电池的效率，从而加速了电化学腐蚀过程。

氯化物还提高了混凝土的吸湿性，这也能减小混凝土的电阻率。

第四节：海工结构氯离子侵入机理暴露于海水环境的海工结构，由于暴露条件不同，氯离子侵入机理也不同。

一、水下部分或潮差区的饱水部分：这些地方一直接触海水，氯离子侵入主要是饱水混凝土里外氯离子浓差引起的离子扩散。

扩散速度取决于混凝土孔隙水的含量及其含盐量。

同时，在某种程度上也取决于在水头压力作用下的氯化物溶液的渗透，但这种渗透只有在相当大的水头压力下才显著显现。

海水中氯化物以外的其他成分可能与水泥石发生离子置换反应，在表层孔隙中沉积出氢氧化镁和碳酸钙，使混凝土结构表面层的渗透性实际上得以降低，对氯离子的侵入起到阻止的作用。

；另外，在海水中即使氯离子能渗透到钢筋表面，但因缺氧，钢筋也难以锈蚀。

因此水下部分和潮差区饱水部分的海工结构一般是不会受到氯离子侵蚀的影响的。

二、浪溅区浪溅区的海工结构处在干湿循环状态，当表层风干到一定程度时，氯离子靠混凝土毛细管的吸收作用侵入混凝土内部，风干程度越高，毛细管的吸收作用越大。

1，干饱和：在干热的环境中，完全丧失了全部可蒸发水分的混凝土，一旦接触海水和含盐高的地下水，几乎立即被氯化物所饱和，含盐量可以一下子达到混凝土质量的0.1%---0.3%。

2，风干时间比湿润时间长的海工构件，混凝土含盐量会更高。

3，蒸发：干透了的混凝土表层接触到海水时，靠毛细作用吸收海水，一直到饱和程度。

如果外界环境又变得干燥，混凝土中的纯水从结构中蒸发出去，是表层孔隙液中的盐分浓度升高，在表层和内部之间形成氯离子浓度差，驱使氯离子向混凝土内部扩散，使内部孔隙中剩余的水分为氯离子饱和，多余的盐分会结晶析出。

如此干湿交替，氯离子逐步向内迁移，随着时间的推移，将有足够的氯离子达到钢筋表面破坏钝化膜。

化冰盐对公路混凝土结构的腐蚀，浪溅区海工结构相似，在干湿交替的作用下，氯离子逐步渗入混凝土内部，最终引起钢筋的锈蚀。

第五节：影响氯离子侵入速度的因素1，扩散系数氯离子扩散系数是反应混凝土耐久性的重要指标。

扩散系数越大，说明氯离子越容易侵入混凝土，引起钢筋锈蚀。

扩散系数与水灰比呈良好的线性对应关系，水灰比是反应混凝土密实度的一个重要指标，越小，扩散系数也越小。

温度对混凝土的耐久性有双重的影响，一方面温度升高使水分蒸发过快，造成表面的孔隙率增大，渗透性增加。

另一方面温度升高可以使内部混凝土的水化速度加快，混凝土致密性增加，渗透性降低。

但从长远来看，胶凝材料水化趋于稳定，温度升高会使离子活动能力增强，增加扩散的能力。

掺加矿物掺合料，可以改善混凝土的物理化学性能，改善孔结构，增加混凝土的强度和致密性，增加抵抗氯离子扩散的能力。

2，混凝土中氯离子的临界值尚不至引起钢筋去钝化的游离氯离子最高浓度，称为氯离子的临界浓度。

当氯离子含量超过临界浓度时，只要其他必要的条件具备，钢筋就会发生很严重的锈蚀。

氯离子临界值受到多种因素和试验条件的影响，理论上是一个随机的变量。

但影响其的主要因素是混凝土PH 值，PH值越高，临界值就越大。

当PH值为13.2，氯离子浓度为8000ppm时，钢筋才开始发生锈蚀。

而当PH值为11.6时，氯离子浓度仅为71ppm时，钢筋就已经开始锈蚀了。

3，氯离子表面浓度氯离子的扩散是由于氯离子的浓度差引起的，氯离子表面浓度越高，内外部氯离子浓度差就越大，扩散至混凝土内部的氯离子就会越多。

结构表面的氯离子浓度除了与环境因素有关外，还与混凝土自身材料对氯离子的吸附性能有关。

4，混凝土保护层厚度混凝土保护层为钢筋免于锈蚀提供了一道坚实的屏障，保护层厚度越大，氯离子到达钢筋表面所需的时间越长，混凝土结构耐久性就越好。

尽管理论上说混凝土保护层越厚，结构耐久性越好。

但实际上，保护层越厚，就越容易出现开裂，而开裂会大打削弱保护层的作用。

一般情况下，保护层厚度不应超过8—10cm。

第六节：氯离子侵蚀的防护氯离子进入混凝土，浓度达到临界值后，会引起钢筋的锈蚀，因此，严格控制氯离子在混凝土中的含量是十分必要的。

ACI对混凝土中氯离子含量有明确的限定要求：而结构裂缝会更容易让氯离子侵入混凝土内部，导致钢筋的锈蚀。

为此，ACI也提出了在不同工作环境中所容许的最大裂缝宽度的指标：注：0.1mm等于成人的头发丝的宽度，这样的裂缝不易被发现，除非先将表面浸湿，然后再晾干。

一，混入型氯离子腐蚀的预防1，严格控制施工用水的质量，防止氯离子含量超标。

2，严格控制砂子中氯离子的含量，对于钢筋混凝土，砂子的氯离子含量要低于0.06%。

必要时，要在混凝土中掺加钢筋阻锈剂。

3，对于应用与钢筋混凝土的外加剂，国标GB-50119-2013 混凝土外加剂应用技术规范中有明确的规定。

二、掺入型氯离子腐蚀的防护1，提高混凝土保护层的厚度和质量增加保护层厚度，使氯离子渗入混凝土到达钢筋的时间就会增加，这是延缓混凝土内部钢筋开始锈蚀很有效的方法。

但注意，厚度也不能太厚，否则容易出现开裂，丧失保护功能。

提高混凝土的密实度非常重要，可以从跟本上改善抵御氯离子侵入的能力。

2，混凝土表面涂层为防止氯离子等腐蚀性介质的渗入，在修补过的混凝土结构甚至新混凝土结构表面涂刷一道涂层，是一种简单、经济和有效的辅助性保护措施。

混凝土涂层基本上有两种，一种是渗透性的，它不在表面成膜，也不会形成隔离层，但能显著降低混凝土的吸水性。

另一种是隔离型涂料，可以使混凝土和腐蚀性介质隔离。