鹽凍環境下混凝土結構耐久性提高措施研究

王 穎

(成都理工大學工程技術學院，四川 樂山 614000)

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鹽凍環境下混凝土結構耐久性提高措施研究

王 穎

(成都理工大學工程技術學院，四川 樂山 614000)

根據鹽凍環境下的混凝土結構破壞機理，從增大混凝土強度、增加結構的保護層厚度、防水處理、加入引氣劑等方面，提出了鹽凍環境下提高混凝土結構耐久性的措施，使混凝土結構達到預期的使用壽命。

混凝土結構，鹽凍環境，耐久性，寒冷地區

0 引言

日前，混凝土結構的耐久性已經成為影響結構使用年限的主要因素之一，由于結構耐久性問題引起結構破壞的例子比比皆是，構件未達到使用年限而破壞，將會給企業和社會帶來巨大的經濟損失。結構全壽命周期內的各個環節都存在混凝土的劣化問題，引起混凝土劣化的主要因素有：凍融作用，水滲透，氯離子侵入，鋼筋銹蝕，碳化作用，硫酸鹽侵入，堿—骨料反應等[1]。

混凝土的鹽凍破壞主要發生在寒冷地區含鹽環境，在這些地區中，由于混凝土受凍融破壞和鹽類侵蝕的雙重作用，使得結構破壞更加迅速，造成的損失更加嚴重。本文針對鹽凍環境對影響混凝土結構耐久性的因素進行研究，進而提出提高結構耐鹽凍環境的措施，可以為寒冷地區含鹽環境下混凝土結構的施工、使用、維護等環節提供科學依據。

1 鹽凍環境下的混凝土結構破壞機理

1.1 凍融破壞機理

有關混凝土結構的凍融破壞機理目前還沒有一個統一定論，但是比較公認的有靜水壓理論、滲透理論、臨界飽水程度理論和吸附水理論這四個理論觀點。其中，靜水壓理論和滲透理論占主導地位。

靜水壓理論認為，低溫環境下混凝土結構凍結按照以下過程進行：1)凍結初期，混凝土結構四周表面上的表層水先行凍結，將結構包圍起來；2)凍結繼續，凍結的表層水體積膨脹，將未結冰的水分壓入結構內部；3)溫度不斷降低，未結冰水被結冰水擠壓得越來越厲害，毛細孔內產生的壓力越來越大，結構產生的拉應力也越來越大；4)毛細孔內的水壓達到一定程度，結構內部產生的拉應力超過結構的抗拉強度極限，毛細孔破裂，結構受到破壞[2]。

滲透壓理論認為：低溫條件下，混凝土結構中的大孔及毛細孔中的溶液首先有部分凍結成冰，導致溶液的濃度變大，使得毛細孔和凝膠孔內的溶液之間存在濃度差，這種濃度差會造成由凝膠孔向毛細孔的擴散作用，形成滲透壓，對混凝土結構造成破壞[2]。

1.2 鹽類對鋼筋侵蝕的機理

1)鹽類在混凝土結構中的擴散過程。鹽類一般是通過混凝土內部的孔隙和微裂縫體系從周圍環境向混凝土內部傳遞的，鹽類的傳輸過程是一個復雜的過程，涉及到許多機理，目前已經了解的鹽類侵入混凝土的方式主要有[3]：a.毛細管吸收;b.滲透;c.擴散;d.電位化學遷移;e.濕度梯度；f.抽吸作用。

通常鹽類的侵蝕是幾種侵入方式的組合，而對應特定的條件，其中的一種侵入方式是主要的。

2)鹽類對鋼筋混凝土結構的侵蝕機理。由于氯離子的半徑相對較小，電負性強，因而其吸附性和擴散穿透力強。目前，國內外學術界對氯離子引起鋼筋銹蝕的機理仍有爭議，主要的理論有以下三種：a.氧化膜理論：該理論認為金屬表面的氧化膜起著鈍化的作用，進而提供銹蝕保護。氯離子比其他離子更容易通過膜上的孔隙或缺陷穿過氧化膜，或者是氯離子使得膜膠體狀分散，因而更容易產生侵蝕。b.吸附理論：該理論認為氯離子與溶解的氧氣或氫氧根離子競爭，并被吸附到金屬表面。氯離子的吸附力有助于金屬離子的水化而加速金屬離子的溶解。c.過度絡合理論[4]：該理論認為氯離子對結構侵蝕分為三個過程：

氯離子和氫氧根離子與鐵離子反應，生成FeCl2·4H2O，其反應式為:Fe2++2Cl-+4H2O→FeCl2·4H2O，FeCl2·4H2O由陽極向陰極遷移的過程中，分解為Fe(OH)2，同時釋放出氫離子和氯離子，其反應式為: FeCl2·4H2O→Fe(OH)2+2Cl-+2H++2H2O;氫離子和氯離子重新回到陽極區，陽極區附近的孔隙液局部酸化，帶出更多的鐵離子。由上可知，在氯離子侵蝕反應過程中，氯離子只是中間產物，起到了催化的作用。目前，一般工程上主要使用氧化膜理論來進行解釋。

1.3 鹽類侵蝕和凍融循環共同作用機理

在含鹽的寒冷地區，鹽類與凍融循環同時存在，二者共同作用的機理分為兩部分：

1)低溫凍融會在結構內部形成細小的微裂縫，這些微裂縫構成了氯離子由外界進入結構內部的通道，隨著凍融循環次數的增加，微裂縫的數目增多，氯離子進入結構內部更加迅速。當凍融循環造成結構表層脫落時，結構的強度會降低，鋼筋暴露在環境中的幾率越大，氯離子對鋼筋的侵蝕越嚴重，這個破壞過程的化學反應式如下：

2NaCl+Ca(OH)2=2NaOH+CaCl2[5]

其中，Ca(OH)2參與的化學反應，會使得混凝土的孔隙率加大，氯離子更加容易地通過混凝土表面進入內部結構。

2)堿—骨料反應：與此同時，凍融反應產生的NaOH還會與混凝土中的活性集料在鹽的協同作用下發生堿—骨料反應。 堿—骨料反應產生的膨脹性鹽強度較低，與粗細集料固結較弱。這種反應會加劇混凝土表面剝蝕，降低結構的耐久性。

2 鹽凍環境下提高混凝土結構耐久性的措施

由以上論點可以看出，鹽凍環境下混凝土結構耐久性的提高可以同時從凍融和鹽類侵蝕兩個方面來考慮，主要是增大混凝土強度，增大結構的鋼筋保護層厚度，做好防水處理，加入引氣劑等。

2.1 增大混凝土強度

研究表明，相較于低強度混凝土，在鹽凍環境下，高強度混凝土的受害程度將大大降低。主要是因為低強度混凝土之間的孔隙率大，氯離子容易侵入，而高強度混凝土之間的孔隙率較低，氯離子不易侵入，受到的鹽凍破壞就小。因此使用高強度的混凝土，結構在鹽凍環境下的鋼筋銹蝕率將會減少，結構的耐久性會增加。

2.2 增加結構的保護層厚度

由氧化膜理論可知，鋼筋銹蝕的條件是鋼筋表面的氯離子濃度達到一定的條件，即大于使鋼筋銹蝕的臨界濃度。因此，在工程施工及使用過程中，只要結構內鋼筋表面的氯離子濃度未達到鋼筋銹蝕的臨界濃度，則無論混凝土結構表面的氯離子濃度有多高，氯離子都不會破壞鋼筋表面的鈍化膜，從而進入內部侵蝕鋼筋。因此增大混凝土結構的保護層厚度可以使氯離子更緩慢地到達鋼筋表面，從而保持氯離子濃度在臨界濃度以下，不能形成對鋼筋的侵蝕，以此提高混凝土結構的耐久性。

2.3 做好防水處理

氯離子從混凝土的表層進入到鋼筋表層，需要有水作為運輸介質，而低溫下的凍融破壞也跟結構的含水率有密切的聯系。由此可知，在混凝土表面涂刷防水材料或憎水材料，會降低低溫凍融的幾率以及降低氯離子的侵蝕能力，從而增強結構的耐久性。

2.4 加入引氣劑

由于引氣劑是可以明顯降低混凝土拌合水表面張力和表面能的憎水表面活性物質，因此，通過使用引氣劑可以在結構內部產生氣泡，這些氣泡的特點是：大量、微小、穩定且封閉。如此，可以切斷部分毛細管由表層向結構內部的通路，因而在混凝土表層水結冰膨脹產生壓力時，起了一定的緩沖減壓作用，防止結構由于過大壓力遭到破壞。因此，在混凝土中加入引氣劑，使結構內部具有足夠的含氣量，可以提高混凝土結構的抗凍耐久性，減少鹽凍環境下的結構破壞。

[1] 劉 輝.提高高寒鹽漬土地區混凝土耐久性的措施及對策研究[J].甘肅科技,2015，31(7)：110.

[2] 王 偉.基于可靠度的鹽凍環境下結構混凝土耐久性評估與提升技術分析[D].長沙：東南大學碩士學位論文,2013.

[3] 馮良勇.鹽凍環境下混凝土提高耐久性的措施[J].北方交通,2014(4)：37.

[4] 朱蓓蓉,楊全兵,黃士元.除冰鹽對混凝土化學侵蝕機理研究[J].低溫建筑技術,2000(1):3-6.

[5] 楊全兵.混凝土鹽凍破壞機理(Ⅱ)：凍融飽水度和結冰壓[J].建筑材料學報,2012，15(6)：741-746.

Study on measures of improving concrete structure durability under salt-freezing environment

Wang Ying

(CollegeofEngineeringTechnology,ChengduUniversityofTechnology,Leshan614000,China)

According to the concrete structure damage mechanism under salt-freezing environment, starting from aspects of enlarging concrete strength, increasing structural protection layer thickness, waterproofing treatment and adding air-entraining agent, the paper puts forward measures of improving concrete structure durability under salt-freezing environment, so as to achieve expected service life of concrete structure.

concrete structure, salt-freezing environment, durability, cold region

1009-6825(2016)24-0126-02

2016-06-10

王 穎(1985- )，女，碩士，助教

TU528

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