淺析新疆冬季水泥混凝土道路的鹽侵蝕機理

龍治國

(新疆吐魯番公路管理局托克遜分局)

1 概述

新疆地區冬季寒冷，冰雪天氣多，晝夜溫差大，室外氣溫正負交替情況時常出現。另外該地區土地的嚴重鹽漬化與除冰鹽帶人的各鹽類化合物及其它腐蝕物質和凍融的共同作用，使水泥混凝土發生凍融破壞，并腐蝕水泥混凝土及銹蝕其內部的鋼筋結構，破壞速度及程度遠遠超過普通水泥混凝土凍融破壞形式。再加上交通運輸的作用，使得此類破壞情況非常普遍，但從外表看其損壞狀態與普通凍融相類似。

調查發現，新疆地區冬季公路水泥混凝土構造物鹽腐蝕現象十分普遍，輕者使各種構造物的功能受到影響，重者嚴重威脅到公路交通的安全。

2 病害機理分析

通過對新疆多個地區的公路小型構造物破損狀況的調研，發現除了除冰鹽腐蝕與凍融的綜合破壞以外，水泥混凝土配合比設計及早期養生不當也是混凝土構件破損的主要原因之一，如水灰比高、孔隙率較大;材料選用時未嚴格把關，砂石材料質量差，礦質混合料集料級配波動大;對外加劑、摻和料使用不當，導致耐久性降低等等。小型構造物破損經常是上述因素綜合交替作用的結果。

新疆日溫差較大，冬季道路上所存在的除冰鹽會與冰或雪交融，形成冰點比普通水低的鹽水，使其周圍的冰雪融化，從而造成連鎖的消融現象。該過程不斷進行，直到鹽水濃度被稀釋至過低的水平，不能繼續融化冰雪為止。水泥混凝土在這樣的環境下，極易受到鹽溶液的侵入，所以說，氯離子被吸收是難以避免的。

2.1 外界氯離子對水泥混凝土的影響

水泥混凝土材料的劣化主要是有害物質侵入水泥混凝土內部的結果。氯鹽侵入水泥混凝土內部主要通過孔隙內已存在的鹽溶液離子濃度差進行，該濃度差提供驅動力，使得氯鹽由高濃度區向低濃度區進行遷移。

氯離子在水泥混凝土內部的傳輸過程中，部分氯離子會與水泥混凝土膠凝材料的水化產物相結合，推遲了氯離子的遷移進度，在一定程度上可以延緩其對水泥混凝土中配筋的破壞。但這種結合是非穩態的，在水泥混凝土周圍環境溫度上升時，被結合的氯離子仍有可能釋放成自由氯離子。所以仍能降低氯離子在水泥混凝土中的滲人程度。

2.2 水溫因素的影響

新疆冬季鹽凍循環下水泥混凝土破壞過程及機理非常復雜，結合以往理論研究，可首先分析水泥混凝土產生的凍融破壞。該破壞的發生應具備兩個必要條件，一是水泥混凝土必須與水接觸或具有一定含水量;二是構造物所處的自然環境必須存在反復交替的正負溫度。水泥混凝土微孔隙中的水，在正負溫度交替作用下，形成冰脹壓力(水轉變為冰的體積膨脹所造成的靜水壓力)和滲透壓力聯合作用的疲勞應力，在這種疲勞應力作用下的水泥混凝土產生了由表及里的剝蝕破壞。理論上，水泥混凝土毛細孔中含水量超過91.7%時就會產生很大的壓力。當消融過后，凍結再次發生時，會產生不斷的膨脹變化，當水泥混凝土的膨脹壓力超過其抗拉強度時，毛細孔脹破，產生微裂紋，水泥混凝土發生破壞，從表面剝落直至完全瓦解，這是凍融破壞的基本類型。

由前述分析可知，鹽溶液濃度差的出現，會造成水泥混凝土內部不同層面在受冰凍影響時結冰膨脹程度的差異，從而在某層面出現應力集中的情況，造成水泥混凝土破壞。濃度差使得鹽溶液在水泥混凝土中較水溶液更易發生連續遷移，這種遷移會造成水泥混凝土內部飽水程度的增加，同時勢必會帶來較大的滲透壓力，加劇水泥混凝土的破壞。研究表明，與水中凍融時的重量損失相比，氯化鈉溶液中凍融時的重量損失會增加50%左右。鹽溶液在過飽和時還會出現結晶膨脹現象，在水泥混凝土處于干濕交替循環的情況下，產生結晶膨脹破壞。

另外，道路除冰鹽在冰雪融化這個物理變化過程中，會間接地從水泥混凝土表面吸收大量熱量，使得冰雪覆蓋層下的水泥混凝土溫度驟降，引起低溫沖擊作用，產生溫度應力，加劇水泥混凝土的凍融破壞。

2.3 自由Cl-(氯離子)的影響

并非水泥混凝土中的所有氯離子都會引起鋼筋的腐蝕破壞，只有自由Cl-(氯離子)才能對鋼筋起到破壞作用。在堿性或中性溶液中，鋼筋一般比較容易鈍化，而氯鹽離子的存在則能緩解或者防止鈍化的出現。鋼筋水泥混凝土硬化后，外界氯離子通過滲透作用從水泥混凝土毛細孔中進人。透過水泥混凝土保護層滲透進入的氯離子盡管一般不改變鋼筋周圍的堿性環境，但它被吸附在鋼筋陽極區的鈍化膜上，與鈍化膜氧化鐵中的鐵離子結合，生成為易溶的二價鐵與氯化物的復合物(綠銹)。綠銹可向鈍化膜外滲出，遇到含氧較多的介質時，又分解為鐵的氫氧化物(褐銹)，再放出氯離子，而重新放出的氯離子又從鋼筋陽極區帶出更多的二價鐵離子。所以氯鹽對鋼筋去鈍化起到促進催化作用，但并不改變銹蝕產物的組成。失去鈍化膜的保護作用，鋼筋極易發生腐蝕。銹蝕的鋼筋體積膨脹，擠壓破壞水泥混凝土，從而產生順筋破壞。氯離子的半徑很小，具有很強的穿透能力，比其它陰離子更易滲入鈍化膜。實驗表明，普通水泥混凝土在濃度為8.0%的NaCl溶液中浸泡60 d，氯離子的滲透深度可達2.0 cm。

關于水泥混凝土結構被破壞時的臨界氯離子濃度問題，已被許多研究者提出。實驗證明:水泥混凝土拌合物中，氯離子含量只要有水泥重量的0.035%，就足以使水泥混凝土中的鋼筋局部鈍化。已有研究表明，產生水泥混凝土中鋼筋銹蝕的氯離子濃度臨界值與pH值臨界值間存在著一定的關系。

2.4 處置對策

針對水泥混凝土鹽腐蝕特點，我們認為，提高水泥混凝土抗鹽腐蝕的關鍵是隔斷鹽侵蝕的途徑，即有效減少水泥混凝土的外部開口空隙。為此，應從提高水泥混凝土的密實性以及表面涂覆涂層材料方面采取措施。

3 結束語

(1)新疆冬季道路水泥混凝土構造物鹽侵蝕現象較嚴重。若水泥混凝土拌和物中，氯離子含量只要有水泥重量的0.035%，就足以使水泥混凝土中的鋼筋局部鈍化。產生水泥混凝土中鋼筋腐蝕的氯離子濃度臨界值與pH值臨界值間存在一定的關系。

(2)氯鹽侵入水泥混凝土內部主要是通過孔隙內已存在的鹽溶液的離子濃度差進行，該濃度差提供驅動力，使得氯鹽由高濃度區向低濃度區進行遷移。

(3)鹽溶液濃度差的出現，會造成水泥混凝土內部不同層面在受冰凍影響時，結冰膨脹程度的差異，從而在某層面出現應力集中的情況，造成水泥混凝土破壞。

(4)道路除冰鹽在冰雪融化這個物理變化過程中，會間接地從水泥混凝土表面吸收大量熱量，使得冰雪覆蓋層下的水泥混凝土溫度驟降，引起低溫沖擊作用，產生溫度應力，加劇水泥混凝土的凍融破壞。

(5)普通水泥混凝土在濃度為8.0%的NaCl溶液中浸泡60 d，氯離子的滲透深度可達2.0 cm。

［1］ 樊海濱.國外溶雪材料在冬季除雪中的使用［J］.筑路機械與施工機械化，2006，(11).

［2］ 李波，梁洪國，路面預防性養護設備管理分析［D］.長安大學研究生學術論文集，2004.

［3］ 公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范(JTG D62-2004)［S］.