氯鹽對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的危害分析及對策

1、 50年進展 的報告 中指出 :“ 當今世界 , 混凝土破壞的原因 , 按重要性 遞降順序排列是 :鋼筋銹蝕 、 寒冷氣候下的凍害 、 侵 蝕環(huán)境的物理化學作用 2。 在 2001年 “ 土建結(jié)構(gòu) 工程的安全性與耐久性 ” 工程科技論壇上 , 有關(guān)專 家也明確指出我國混凝土破壞的主要原因是 “ 南銹 北凍 ”。我國從 70年代末開始大量建造混凝土路面道 路和立交橋 , 80年代末開始建造高速公路 。 在北方 地區(qū) , 為保證冬季交通暢行 , 向道路 、 橋梁及城市立 交橋等撒除冰鹽 , 大量使用的氯化鈉 (NaCl 和氯化 鈣 (CaCl 2, 氯鹽具有很強的腐蝕性 , 會造成金屬結(jié) 構(gòu) 、

2、混凝土中鋼筋 、 排水裝置以及地下管線等加速 腐蝕 , 使得氯離子滲入混凝土 , 引起鋼筋銹蝕 。 我國 有超過 1萬 km 的海岸線 , 大規(guī)模的基本建設集中 于沿海地區(qū) , 而海邊的混凝土工程由于長期受氯離 子侵蝕 , 混凝土中的鋼筋銹蝕現(xiàn)象非常嚴重 , 已建 的海港碼頭等工程多數(shù)都達不到設計壽命的要求 。 因此使用防冰鹽和海洋環(huán)境中的氯離子 , 是造成鋼 筋銹蝕的主要原因 。 鑒于此 , 本文主要以氯離子對 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)侵蝕破壞來進行分析 , 作為混凝土 結(jié)構(gòu)耐久性的一個重要部分 。氯鹽 對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的危害 分析及對策 Chlorine salt to concrete stru

3、cture durable harm analysis and countermeasure 高永航 解耀魁 (西安建筑科技大學土木工程學院 , 陜西 西安 710055摘 要 :鋼筋銹蝕是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的最主要原因 , 而氯鹽又是影響鋼筋銹蝕的主要因素之一 。 因此 , 本文以氯鹽對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕破壞為研究對象 , 指出了鋼筋銹蝕的機理 , 鋼筋銹蝕對結(jié)構(gòu)性能的影響等 , 并對防氯鹽侵蝕破壞提出了幾點措施 。關(guān)鍵詞 :鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) ; 氯鹽 ; 耐久性 ; 鋼筋銹蝕 ; 機理Abstract :Reinforcementcorrosion affects durability o

4、f concrete structures as most primary cause. And the chlorine saltalso affects one of steel bar corrosion primary factors. Therefore, the paper take the chlorine salt to the reinforced con -crete structure corrosion and destroy as the object of study, points out the steel bar corrosion the mechanism

5、, Steel bar corrosion to structure performance influence and so on., and proposed several measures to against chlorine salt corrosion destruction.Key words :reinforced concrete structure; chloride salt; durability; reinforcement corrosion; mechanism中圖分類號 :TU528.33;TU511.3+2文件標識碼 :B 文章編號 :1003-8965(2

6、009 01-0013-05水泥與混凝土 13 圖 1氯離子侵蝕鋼筋銹蝕機理2.1氯離子侵蝕鋼筋銹蝕機理已有的結(jié)果表明 , 混凝土空隙中是堿度很高的 Ca(OH2飽和溶液 , PH 值在 12.5左右 。 在這樣高 堿度的環(huán)境中 , 鋼筋表面被氧化 , 形成一層厚約 2060A 的 -Fe 2O 3·nH 2O 的鈍化膜保護層 , 這種 膜是一種致密 、 穩(wěn)定的共格結(jié)構(gòu) , 水和氧氣不能滲 透過去 , 使鋼筋處于鈍化膜狀態(tài)而不被氧化 。 但由 于混凝土結(jié)構(gòu)在許多情況下與含有氯離子的溶液 相接觸 , Cl -以擴散的方式或由毛細孔吸附而被傳 輸?shù)交炷羶?nèi)部的鋼筋表面 , 當鋼筋表面的混

7、凝土 空隙溶液中游離 Cl -濃度超過一定值時 , 即使在堿 度較高 , PH 值大于 11.5時 , Cl -也 能破壞鈍化 膜 , 從而使鋼筋發(fā)生銹蝕 。 Cl -對鋼筋表面鈍化膜的破 壞首先發(fā)生在局部 , 使這些部位露出了鐵基體 , 與 尚完好的鈍化膜區(qū)域之間構(gòu)成腐蝕電池 , 腐蝕電池 作用的結(jié)果是在鋼筋表面產(chǎn)生蝕坑 。 Cl -不僅促成 了鋼筋表面的腐蝕電池 , 而且加速了電池的作用 , 混凝土中 Cl -的存在強化離子通路 , 降低陰陽極之 間的電阻 , 加速化學腐蝕過程 。 但 Cl -在整個腐蝕 過程中并沒有被 消耗掉 , 只 是起到了 “ 搬 運 ” 的作 用 , 凡進入混凝土

8、中的 Cl -會周而復始地起到破壞 作用 , 這是 Cl -危害的特點之一 7。氯離子對鋼筋的腐蝕作用概括總結(jié)主要表現(xiàn) 在以下幾個方面 :(1作為去鈍化劑 , 破壞鋼筋表面的保護性鈍化 膜 。(2形成腐蝕電池 , 造成局部坑蝕或均勻腐蝕 。(3發(fā)揮了陽極的去極化作用 , 加速腐蝕進程 。(4形成離子通路 , 起到導電的作用 , 提高銹蝕 速率 。其銹蝕過程見圖 13。 在陽極 , 鐵失去電子變成鐵離子 , 由于水溶 性氯化鐵 (FeCl2·4H 2O 的形成 , 鋼筋表面鈍化膜破 壞 。 陽極反應過程是 :Fe-2e =Fe2+(1 Fe 2+2Cl-+4H2O=FeCl 2

9、3;·4H 2O (2 在陰極 , 電子 、 水 、 氧轉(zhuǎn)化成氫氧根離子 , 起 到了保護鋼筋的作用 。 陰極反應是 :O 2+2H2O+4e-=4(OH-(3 陰極反應產(chǎn)生的氫氧根離子通過帶電區(qū)域 向陽極方向傳遞帶有負電荷的離子 。 而陽極形成的 FeCl 2·4H 2O 向 含 氧 量 較 高 的 混 凝 土 孔 溶 液 中 遷 移 , 分解為 Fe(OH2, 在濕度和通風的條件下 , 繼續(xù) 反應生成最終的鐵銹 。FeCl 2·4H 2O=Fe(OH2+2HCl+2H2O (4 4Fe(OH2+O2+2H2O=Fe(OH3(5 2.2氯離子在混凝土中的擴散模型

10、 2基于所處環(huán)境不同 , 外部氯離子一般通過滲 透 、 擴散 、 毛細管作用及化學遷移等方式侵入混凝 土 。 通常 , 氯離子的侵入是幾種方式的組合結(jié)果 。 對于現(xiàn)有的沒有開裂且水灰比不太低的結(jié)構(gòu) , 大量的檢測結(jié)果表明氯離子的濃度可以認為是一 個線性的擴散過程 , 用 Fick 定律可以很方便地將 氯離子的擴散濃度 、 擴散系數(shù)及擴散時間聯(lián)系起 來 , 可以直觀地體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的耐久性 。 目前 , Fick 第二 定律已經(jīng)成為預測氯離子在混凝土中擴散過程的 經(jīng)典理論 。 Fick 第二定律可以表示為 : 水泥與混凝土 14圖 2鋼筋銹蝕對結(jié)構(gòu)性能的影響(6式中 , C cl 為氯離子濃度 (%,

11、 一般以氯離子 占 水泥或混凝土重量百分比表示 , t 為時間 (年 , x 為 位置 (cm,Dcl 為擴散系數(shù) ( 2/年 。假定混凝土結(jié)構(gòu)表面氯離子濃度恒定 , 混凝土 結(jié)構(gòu)相對暴露表面為半無限介質(zhì) , 相應的初始條件 和邊界條件可以寫為 :初始條件 :C cl (x,0=0(7邊界條件 :C cl (0,t=Cs(8C cl ( , t=C0(9根據(jù)初始條件和邊界條件 , 可以得到式 6的解為 :C x , t =C0+(C s +C0 1-erf(x cl 姨 (10式中 , C x,t t 時刻 x 深度處的氯離子濃度 ;C 0 氯離子初始濃度 ;C s 混凝土表面的氯離子濃度 ;

12、D cl 為擴散系數(shù) ; erf(z為誤差函數(shù) ;erf (z=姨 z矣exp (-z 2 dz(112.3鋼筋銹蝕對結(jié)構(gòu)性能的影響氯鹽滲透到混凝土中 , 提高了氫氧化鈣的溶解 度 , 增加了對混凝土的溶解侵蝕和凍融破壞 。 但是 , 氯鹽最主要的破壞作用還是對鋼筋的腐蝕 , 當混凝 土中氯離子 (Cl- 到達鋼筋表面并超過一定量 (臨界 值 時 , 原來處于鈍化狀態(tài)的鋼筋就會活化 、 腐蝕 。 混凝土中的鋼筋一旦發(fā)生銹蝕 , 在鋼筋表面發(fā)生一 層疏松的銹蝕產(chǎn)物 (mFe3O 4·nFe 2O 3·rH 2O , 同時向 周圍混凝土孔隙中擴散 。 銹蝕使鋼筋鐵變成氧化 鐵

13、, 其體積發(fā)生膨脹 , 根據(jù)最終產(chǎn)物的不同 , 可膨脹27倍 。 使混凝土保護層發(fā)生順筋開裂 、 脫落 、 構(gòu)件或結(jié)構(gòu)承載力下降或喪失 。 因此 , 氯鹽已成為影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的一個大敵 。鋼筋銹蝕破壞對結(jié)構(gòu)性能的影響如圖 26。2.4混凝土中氯離子含量的臨界值鋼 筋 周 圍 混 凝 土 空 隙 液 的 游 離 Cl -的 最 高 濃 度 , 被稱為混凝土氯化物的臨界濃度 , 這是十分重 要的指標 5。 當氯離子含量在鋼筋周圍達到一定濃 度時 , 鋼筋的鈍化膜開始破壞 , 喪失對鋼筋的保護 作用 , 從而引起鋼筋銹蝕 。 因此 , 混凝土中氯離子的 來源不管是 “ 內(nèi)摻 ” 還是 “

14、外滲 ”, 為保證混凝土的耐 久性 , 應根據(jù)混凝土的種類 、 環(huán)境條件等對混凝土 拌合物中氯化物的總量加以限制 。關(guān)于引起的鋼筋銹蝕的氯離子臨界值 , 目前看 法并不一致 , 由于氯離子臨界值受到多種因素和試 驗條件的影響 , 理論上它是個隨機變量 , 氯離子的 臨界值應在大量統(tǒng)計的基礎(chǔ)上 , 在一定的概率下取 得 。針對混凝土拌合物中氯離子含量的最高限值 , 國外的有關(guān)規(guī)定要求也不盡一致 。 其中 , 日本 混凝 土標準規(guī)范 (1986規(guī)定 2:(1對 于 一 般 鋼 筋 混 凝 土 和 后 張 預 應 力 混 凝土 , 混凝土中的氯離子總量定為 0.6Kg/m3以下 。(2對耐久性要求特

15、別高的鋼筋混凝土和后張預應力混凝土 , 在可能發(fā)生鹽害和電腐蝕的場合以 及采用先張預應力混凝土的場合 , 混凝土中氯離子 的總量為 0.3Kg/m3以下 。 水泥與混凝土15 混凝土種類 內(nèi)摻型混凝土的氯鹽總參量臨界值 (%外滲型混凝土的氯鹽濃度臨界值 (×10中等強度混凝土 1.155000高強混凝土 0.8510500摻粉煤灰高強混凝土0.8-粉煤灰和高效減水劑雙摻型高強混凝土0.4510000表 1不同混凝土的氯鹽總參量和環(huán)境氯鹽濃度臨界值(3針 對 預 拌 混 凝 土 (JLSA5308-1986, 混 凝土 的 氯 化 物 含 量 , 在 卸 貨 地 點 、 氯 離 子 必

16、 須 在0.3Kg/m3以下 。 但在得到業(yè)主認可時 , 可在 0.6Kg/m 以下 。根據(jù)對鋼筋鈍化機理的研究 , 一些學者認識到 混凝土中鋼筋鈍化膜的破壞并不單純?nèi)Q于氯離 子濃度 , 由于鋼筋的活性還受到 PH 值 (OH-濃度 的影響 , 當 OH -濃度高時 , 鈍化膜的穩(wěn)定性好 , 破壞 鈍化膜所需的 Cl -濃度就大 ; 相反 , 當 OH -濃度低 時 , 破壞鈍化膜所需的 Cl -濃度就小 。 因此 , 用 Cl -/OH -來表示鋼筋活性更合理 。 Hausman 提出對 Cl 內(nèi)摻混凝土 Cl -/OH -的臨界值為 0.6, 這個數(shù)值被 許多學者所接受 。 Lamber

17、t 等發(fā)現(xiàn)對 Cl -外滲型混 凝土 , Cl -/OH -的臨界值為 3, 而對 Cl -內(nèi)摻型混凝 土該臨界值在 0.30.6之間 , 與 Hausman 的試驗結(jié)果接近 。 對于同一種混凝土 , 氯鹽總摻量或環(huán)境 氯鹽濃度越大 , 則混凝土中 Cl -/OH-也越大 , Kayyali 等根據(jù)內(nèi)摻型和外滲型混凝土的 Cl -/OH -臨界值 分別為 0.6和 3, 換算得到氯鹽總摻量與環(huán)境氯鹽 濃度臨界值見表 18。20世紀 60年代建造的美國舊金山海灣的第二座 San Mateo-Hayward 大橋 , 其預制橫梁處于 浪濺區(qū) , 由于混凝土澆注養(yǎng)護時梁底部產(chǎn)生微裂 縫 , 給氯離子

18、侵入創(chuàng)造了條件 , 發(fā)生了嚴重的鋼筋 銹蝕 , 于 1980年不得不花巨資修補 。日本運輸省 曾查過 103座混 凝土海 港 碼 頭 ,發(fā)現(xiàn)使用 20年 以上的碼頭 都有相當大 的順筋銹 脹 。 著名的新干線使用不到 10年 , 就出現(xiàn)大面積 的混凝土開裂 、 剝落現(xiàn)象 。我國黑龍江的哈綏公路 1995年完工 , 1996年 為滿足亞洲冬運會的交通量要求 , 開始在路面撒除 冰鹽 , 之后撒除冰鹽的路面和路肩表面出現(xiàn)大面積 的混凝土剝蝕破壞 , 破損路段長 19.5km 。北京市政工程設計研究總院對原西直門立交 橋 、 三元橋 、 東直門立交橋 、 大北窯橋和月壇橋等進 行了氯化物侵入和鋼筋銹

19、蝕檢測 , 結(jié)果表明 :氯化 物的侵入可以嚴重破壞鋼筋的銹蝕 。1由氯鹽引起的鋼筋銹蝕 , 現(xiàn)已成為影響混凝土 結(jié)構(gòu)耐久性最主要的因素 。 因此 , 最大限度的保證 混凝土自身密實完好 、 保持高堿度和防止有害離子 入侵 , 是鋼筋混凝土防腐蝕措施的出發(fā)點 9。(1國外相關(guān)規(guī)定 , 施工用水中氯離子含量約為 200350mg/L, 我國規(guī)范規(guī)定約為 3501200mg/L , 對于氯離子含量超標的水施工時 , 應加以嚴格的限制 。 取自海邊的骨料要洗凈 , 要進行規(guī)范除鹽 。 我 國有關(guān)規(guī)程中規(guī)定 , 對于鋼筋混凝土 , 海砂的氯離 子含量應低于 0.06%。(2水泥品種和摻合料 。 各水泥成

20、分中以 C 3A 對 Cl -的吸附作用最大 。 故當 C 3A 含量高時 , 被吸附的 Cl -多 , 游離 Cl -濃度小 , 對防護鋼筋銹蝕有利 。K 2O 、 N 2O 含量高的高堿水泥 , 由于其孔溶液中的 OH -濃度高 , 使 Cl -/OH-降低 , Cl -引起的鋼筋銹蝕水泥與混凝土16 速度就慢 。 一般認為 , 在水泥中摻入各種摻合料對 抗 Cl -引起的鋼筋銹蝕都是有利的 。 摻合料的作用 主要體現(xiàn)在延緩鋼筋銹蝕的開始時間和降低銹蝕 速度上 。(3混凝土保護層厚度 。 混凝土保護層厚度增加 , 則氯離子滲入混凝土到達鋼筋的時間就會增 加 , 這是延遲混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕很

21、有效的一種方 法 。氯鹽環(huán)境的工程 , 混凝土的保護層厚度最好不 小于 50 。 但過厚的保護層在硬化過程中的收縮 應力和溫度應力得不到鋼筋的控制 , 很容易產(chǎn)生裂 縫 , 裂縫的產(chǎn)生會大大削弱混凝土保護層的作用 。 一般 , 混凝土保護層厚度不應超過 80100 , 具體 尺寸應根據(jù)結(jié)構(gòu)設計而定 。(4降低水灰比 。 水灰比的增大 , 使混凝土的孔隙率增大 , 密實度降低 , 從而增大 Cl -的擴散系 數(shù) , 最終使鋼筋銹蝕速度加快 。 因此 , 降低水灰比 , 對于氯離子在混凝土中的擴散起一定的控制作用 。(5混凝土表面涂層 。 混凝土外涂層有隔離腐蝕環(huán)境的功能 , 對于保護混凝土自身 、 保持堿度和 防止有害離子入侵都是有效的 。 外涂層主要有滲透 層 、 隔蓋層 、 覆蓋層 、 水泥基 、 聚合物 、 樹脂 類涂層 等 。 涂覆混凝土作為第一道防線往往是一種簡單 、 經(jīng)濟和有效的保護措施 。(6鋼筋阻銹劑 5。 鋼筋阻銹劑通過影響鋼筋和電介質(zhì)之間的化學反應 , 來阻止鋼筋發(fā)生銹蝕 。 它 有陰極型 、 陽極型 、 復合型等類型 , 系由無機和有機 物構(gòu)成 。 當阻銹劑存在時 , 可以使有害離子對鋼筋 不產(chǎn)生腐蝕或大大減緩腐蝕速度 。 亞硝酸鹽是近20年來已經(jīng)大規(guī)模應用的鋼筋阻銹劑 。(7耐腐蝕鋼筋 。 耐腐蝕鋼筋對氯離子的防護也是一種有效的方法