混凝土结构氯离子侵蚀与防护

氯离子对混凝土结构的侵蚀机理及防护

【摘要】分析混凝土结构中氯离子的来源，侵蚀机理。针对这一情况，结合当前研究成果，介绍几种主要的的防护方法，从而延长混凝土的使用寿命。

【关键词】钢筋；氯盐；钝化膜；混凝土；

Chlorine ion to the concrete structure of erosion mechanism and protection

Hao Minglei

(Qingdao Technological University School of Civil Engineering 266033) Abstract:The source of chloride ion in concrete and erosion mechanism has been described in this review. In view of this situation,combining the current research achievements, introduces several main protection method to prolong the service life of concrete.

Key words:steel reinforced；chloride；passive film；concrete；

前言

硅酸盐水泥自19世纪20年代问世以来，历经一个多世纪的发展，多品种多用途的水泥得到了广泛的应用。混凝土结构和钢筋混凝土结构结合钢筋和混凝土的优点，造价合理，成为土木工程设计的首选形式[1]，但在实际混凝土结构工程中因耐久性不足所引发的工程问题日益严重。耐久性问题逐渐成为当今世界影响混凝土结构工程发展的重大问题。混凝土耐久性问题十分复杂，常见的破坏因素分为九大类：冻融循环、碳化、碱骨料反应、钢筋锈蚀、化学腐蚀、海水侵蚀、淡水溶蚀、应力破坏及多因素综合作用。钢筋锈蚀是影响耐久性的主要因素，而来自海洋环境的氯离子是造成钢筋锈蚀的主要原因。弄清楚氯离子造成钢筋锈蚀的原因以及防护措施对实际工程及社会建设具有重要的意义。

1 氯离子的来源

1）海洋环境，海洋中的海水通常含有3%的盐，其中主要是氯离子，以Cl—计，海水中的含量约为19000mg/L。海风、海雾中也含有氯离子，海砂中更含有不等量的氯离子。2）防冻剂，目前，在我国混凝土冬季施工中，90%以上均采用防冻剂方法，防冻剂通过改变冰晶结构，减少“冻胀应力”对混凝土的破坏作用[2]，防冻剂按其组成成分，可以分为三大类：氯盐防冻剂，氯盐阻锈类防冻剂，无氯盐防冻剂。3）盐湖盐碱地，盐湖盐碱地的地下水中含有大量氯盐，我国的天津、山东、河北、青海等省市，建造于盐碱地区的大量钢筋混凝土公路桥、混凝土结构构件及建筑物等，有的仅10~20年及严重危及使用安全，虽几经维修、补强、加固，仍无法正常使用[3,4,5]。4）其他途径，如除冰盐，火灾，工业环境，混凝土原材料。

2 氯离子侵入混凝土的方式

1）扩散作用，由于混凝土内部于表面氯离子浓度差异，氯离子子浓度高的地方向浓度低的地方移动称为扩散。2）毛细管作用，在干湿交替环境下，混凝土表面含氯离子的盐水向混凝土内部干燥部分移动。3）渗透作用，在水压力的作用下，盐水向压力较低的方向移动称为渗透。4）电化学迁移，氯离子向电位高的的方向移动。

总之，氯离子在混凝土中的侵入过程通常是几种作用共同存在的，但和速度最快的毛细管吸附作用相比，渗透和电化学迁移产生的移动可以忽略。但对特定的条件，其中的一种方式是主要的。另外混凝土中氯离子浓度还受到温度、保护层厚度以及氯离子和混凝土材料之间产生化学结合和物理吸附的影响。虽然氯离子在混凝土材料中的侵入迁移过程非常复杂，但是在许多情况下，尤其是在海洋环境下，扩散被认为是最主要的侵入方式[6]。

3 氯离子对混凝土结构的侵蚀机理

3.1 破坏钝化膜

处于钝态的金属仍有一定的反应能力，即钝化膜的溶解和修复（再钝化）处于动平衡状态。当介质中含有活性阴离子（常见的如氯离子）时，平衡便受到破坏，溶解占优势。氯离子能优先地有选择地吸附在钝化膜上，把氧原子排挤掉，然后和钝化膜中的阳离子结合成可溶性氯化物，结果在新露出的基底金属的特定点上生成小蚀坑（孔径多在20～30μm），这些小蚀坑称为孔蚀核，亦可理解为蚀孔生成的活性中心。

氯离子的存在对不锈钢的钝态起到直接的破环作用。对含不同浓度氯离子溶液中的不锈钢试样采取恒电位法测量的电位与电流关系曲线中可以看出阳极电位达到一定值，电流密度突然变小，表示开始形成稳定的钝化膜，其电阻比较高，并在一定的电位区域（钝化区）内保持。随着氯离子浓度的升高，其临界电流密度增加，初级钝化电位也升高，并缩小了钝化区范围。对这种特性的解释是在钝化电位区域内，氯离子与氧化性物质竞争，并且进入薄膜之中，从而产生晶格缺陷，降低了氧化物的电阻率。因此在有氯离子存在的环境下，既不容易产生钝化，也不容易维持钝化。

在局部钝化膜破坏的同时其余的保护膜保持完好，这使得点蚀的条件得以实现和加强。根据电化学产生机理，处于活化态的钢筋较之钝化态的钢筋其电极电位要高许多，电解质溶液就满足了电化学腐蚀的热力学条件，活化态钢筋成为阳极，钝化态钢筋作为阴极。腐蚀点只涉及到一小部分金属，其余的表面是一个大的阴极面积。在电化学反应中，阴极反应和阳极反应是以相同速度进行的，因此集中到阳极腐蚀点上的腐蚀速度非常显著，有明显的穿透作用，这样就形成了点腐蚀。

3.2 氯离子加速钢筋锈蚀速率的机理

当钢筋开始锈蚀后，钢筋附近氯离子的浓度通过两种方式加速钢筋的锈蚀，1）氯离子浓度越高，混凝土的电阻率就越低，此时钢筋周围混凝土的电阻也就越低，这是因为氯离子作为导电离子，加快钢筋腐蚀的阴极和阳极间离子的传输，根据电阻控制机理，钢筋锈蚀的速率也就加快。2）Cl一的去极化作用使得阳极反应生成的Fe2+与C1—相遇生成FeCl2，FeCl2是可溶的，并向混凝土中硬化浆体扩散，带走了积聚在阳极上Fe2+，从而加速了钢筋的锈蚀。更值得注意的是，FeCl2在向混凝土内扩散时遇到OH一，立即生成Fe(OH)2沉淀，又进一步氧化成铁的氧化物Fe2O3即铁锈。由此可见，C1一在这个过程中只是起到了“搬运”作用，它不被“消耗”。Cl一的这种周而复始的破坏作用，更加速了钢筋的锈蚀速率。

4 氯离子腐蚀的防护

4.1 混凝土本身的防护措施