氯離子侵蝕混凝土機(jī)理分析

摘要：氟離子侵蝕是引起的混凝土耐久性失效的一個(gè)重要因素，本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究成果，綜合分析了氯離子侵蝕混凝土的機(jī)理，對(duì)氯離子侵蝕引起的混凝土耐久性失效的防治提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：氟離子 侵蝕 機(jī)理

0 引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受外界環(huán)境中的氯離子侵蝕，出現(xiàn)了開(kāi)裂、鋼筋銹脹等大量病害，影響了結(jié)構(gòu)的安全使用。由此引發(fā)的維修、加固費(fèi)用極為高昂，這在工業(yè)發(fā)達(dá)、大量基礎(chǔ)設(shè)施修建已基本完成的西方國(guó)家尤為明顯，引起了世界各國(guó)科技工作者和政府部門的高度重視。1992年一文披露，僅在美國(guó)，因撤除冰鹽引起鋼筋腐蝕破壞而限載通車的公路橋就占1/4(即5275余座的13萬(wàn)座)，其中不能通車的占1％。英國(guó)為解決海洋環(huán)境下的鋼筋混凝土構(gòu)筑物的腐蝕與防護(hù)問(wèn)題，每年花費(fèi)將近207Y英鎊，英國(guó)英格蘭島的中環(huán)線快車道上有11座混凝土高架橋(全長(zhǎng)21Km)，建于1972年總建造費(fèi)為2800萬(wàn)英鎊，建成兩年后就發(fā)現(xiàn)鋼筋銹蝕造成的混凝土順筋裂縫現(xiàn)象，在1974-1989年的15年間，修補(bǔ)費(fèi)高達(dá)450071英鎊，為初始造價(jià)的1.6倍，估計(jì)以后15年間的維修費(fèi)還需要耗費(fèi)12億英鎊，接近造價(jià)的6倍。因此，阻止和減緩因氯離子侵蝕引起的混凝土耐久性失效已迫在眉睫。

2 氯離子侵蝕混凝土機(jī)理

通常情況下，氯離子進(jìn)入混凝土有兩個(gè)來(lái)源：一種是“摻入”，即在施工過(guò)程中通過(guò)細(xì)骨料、拌和用水和摻加的外加劑而摻入混凝土的氯離子；另一種方式是“侵入，即外界使用環(huán)境中的氯離子通過(guò)滲透、擴(kuò)散、毛細(xì)作用侵入混凝土。

外界氯離子侵入混凝土是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，包括四種不同的侵入機(jī)制，它們分別是：

滲透作用，即鹽水向混凝土內(nèi)部干燥的部分移動(dòng)，

毛細(xì)作用，即在水壓力作用下，鹽水向水壓力較低的方向移動(dòng)；

自由氯離子的擴(kuò)散作用，由于濃度差的作用，氯離子由濃度高的地方向濃度低的地方移動(dòng)。

電化學(xué)遷移，即氯離子向電位較高的地方移動(dòng)。

這四種機(jī)制所需要的一個(gè)共同條件是：混凝土的孔隙中必須有一定濕度，即必須有一定的水份存在。

暴露干海水環(huán)境的海工結(jié)構(gòu)，由于暴露條件不同，氯化物侵入機(jī)制也不同。水下部分或潮差區(qū)的飽水部分的混凝土長(zhǎng)期接觸海水，由飽水混凝土里外氯離子濃度差引起的離子擴(kuò)散是氯離子侵入混凝土的主要方式，其擴(kuò)散速度取決于混凝土質(zhì)量與混凝土內(nèi)外氯離子濃度差的大小。在某種程度上也取決于有水頭壓力作用下氯化物溶液的滲透，當(dāng)然這種滲透只有在水頭壓力較大時(shí)才顯著。在海水中，即使氯化物能滲透到鋼筋表面，但因缺氧鋼筋也難以銹蝕。

所有混凝土構(gòu)件，凡是表層有被風(fēng)干，氯離子的侵入主要依賴于直接接觸海水的混凝土毛細(xì)管吸收作用，風(fēng)干程度愈高，毛細(xì)管吸收作用就愈大。混凝土毛細(xì)管吸收海水的能力取決于混凝土孔隙結(jié)構(gòu)及其中游離水的含量。在下列三種情況特別嚴(yán)重：

(1)干飽和。在干熱環(huán)境中，混凝土溫度可高達(dá)50℃。完全喪失可蒸發(fā)水分，這時(shí)混凝土一旦接觸海水和含鹽量高的地下水，就立即被氯化物所飽和，其含鹽量可以迅速達(dá)到混凝土質(zhì)量的0.1％-0.3％

(2)風(fēng)干時(shí)間比潤(rùn)濕時(shí)間長(zhǎng)的混凝土構(gòu)件(比如濺浪區(qū)的混凝土構(gòu)件)，在海水干濕交替10年內(nèi)，可使混凝土中氯離子量達(dá)到混凝土質(zhì)量的0.3％-0.4％

(3)蒸發(fā)／燈草芯作用。在干熱環(huán)境中，半浸于海水中的混凝土構(gòu)件，由于從混凝土中蒸發(fā)掉的只是純水，遺留于混凝土孔隙中的是鹽水，而后海水又被混凝土像燈草芯那樣地吸上去，充滿毛細(xì)孔，致使海面水位以上的混凝土表層孔隙中氯化物發(fā)生濃縮。

干透的混凝土表層接觸海水時(shí)，靠毛細(xì)管作用吸收海水，一直吸到飽和為止。如果外界環(huán)境轉(zhuǎn)為干燥，則混凝土中水流方向會(huì)逆轉(zhuǎn)，純水從毛細(xì)孔對(duì)大氣開(kāi)放的那些端頭向外蒸發(fā)，這時(shí)混凝土如同“過(guò)濾器”一樣，混凝土表層孔隙液中鹽分濃度增高，并在混凝土表層與內(nèi)部之間形成氯離子濃差，驅(qū)使混凝土孔隙液中的鹽分靠擴(kuò)散機(jī)理向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散，只要混凝土具有足夠的濕度，這種擴(kuò)散就可以順利進(jìn)行。在飽水時(shí)，擴(kuò)散率最高，可見(jiàn)除混凝土孔結(jié)構(gòu)特征外，混凝土濕度也是氯離子向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散的一個(gè)重要因素。按外界環(huán)境相對(duì)濕度，風(fēng)干持續(xù)時(shí)間的不同，在混凝土表層中大部分空隙水有可能蒸發(fā)掉，而在混凝土內(nèi)部，除剩余水分為鹽分所飽和外，多余鹽分則結(jié)晶析出。

由此可見(jiàn)，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)，風(fēng)干時(shí)水分向外遷移，而鹽分則向內(nèi)遷移。在下一次再被海水潤(rùn)濕時(shí)，又有更多的鹽分以溶液的形式帶進(jìn)混凝土的毛細(xì)管空隙中。此時(shí)，在混凝土表層內(nèi)，有一個(gè)向外降低的氯離子濃度差，在離表面一定深度處，氯離子濃度達(dá)到峰值。這樣，可能有一些鹽分會(huì)向外表面擴(kuò)散。但是隨后的風(fēng)干又將純水向外蒸發(fā)掉，將更多的鹽分帶進(jìn)混凝土內(nèi)部。在干濕交替作用下，鹽分會(huì)逐漸侵入混凝土內(nèi)部。鹽分向內(nèi)遷移的程度取決于風(fēng)干與濕潤(rùn)交替期的長(zhǎng)短。隨著時(shí)間的推移，將有足以使鋼筋去鈍的氯化物達(dá)到鋼筋表面。

混凝土表層的干濕交替變化現(xiàn)象，不僅影響著氯化物的侵入，而且較深的風(fēng)干使以后的濕潤(rùn)可以更多、更深地帶進(jìn)氯化物，也就是使氯離子更充分地侵入混凝土內(nèi)部。因此在潮差區(qū)(風(fēng)干期較短)，混凝土中鋼筋對(duì)銹蝕的敏感性比在浪濺區(qū)(風(fēng)干期較長(zhǎng)，只在水位高、風(fēng)浪大時(shí)才可能被海水濺濕)差。偶爾被海水濕潤(rùn)的混凝土中的鋼筋對(duì)銹蝕的敏感性最強(qiáng)。

另外，冬天雪后為防止路面結(jié)冰而向路面撤除冰鹽，這些鹽經(jīng)溶解、蒸發(fā)、濃縮、結(jié)晶，或被雨水溶解又形成鹽溶液，此時(shí)的路面與海下結(jié)構(gòu)具有類似的工作環(huán)境，在干濕交替作用下，氯化物侵入混凝土的土要機(jī)理也是表層混凝土孔隙的毛細(xì)管吸收作用和深層混凝土中的離子擴(kuò)散作用。