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，