氯鹽環境因素及對混凝土侵蝕的影響研究

蔣瓊

摘 要：如何根據氯離子環境因素及有限的現場檢測資料，預測混凝土結構中氯離子侵蝕深度的時變性和氯離子擴散規律，對氯鹽環境下的混凝土結構的耐久性評估和使用壽命的預測具有十分重要的意義。

關鍵詞：氯離子；混凝土；控制

氯離子侵蝕引起混凝土結構的耐久性失效問題日趨嚴重，許多混凝土建筑物由于耐久性問題，面臨著維修或加固，而維修或拆除重建的決策需要進行混凝土結構的耐久性評估。氯離子進入混凝土有兩個來源：一種是施工過程中進入混凝士的氯離子，這是因為細骨料、拌和用水和摻加的外加劑中可能會含有一定量的氯離子，這部分氯離子含量有嚴格限定；另一種是外界使用環境中通過滲透、擴散、毛細作用進入混凝土的氯離子，例如氯離子可以直接由海水擴散到浪濺區、潮位變動區、水下區的混凝土中，而漂浮在空氣中的氯離子可以隨海風進入大氣區或近海地區的混凝土中。國外的工程經驗表明，海水、海風和海霧中的氯離子和不合理地使用海砂，是影響混凝土結構耐久性的主要原因之一。

1 氯離子傳輸過程的方式

氯離子的傳輸過程相當復雜，它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輸，目前己經了解的氯離子侵入混凝土的方式主要有以下幾種：

1）毛細管吸收作用：即混凝土表層含氯離子的鹽水向混凝土內部干燥的部分移動。混凝土表層風干程度越高，毛細管吸收作用就越大。混凝土毛細管吸收海水的能力取決于混凝土孔結構和混凝土孔隙中游離水的含量。

2）滲透作用：即在水壓力作用下，鹽水向壓力較低的方向移動。在水下區域，即使氯化物滲透到鋼筋表面，因缺氧鋼筋也難以銹蝕。海水中氯化物以外的其他成分可與水泥石發生離子置換反應，在表層空隙中沉積出氫氧化鎂和碳酸鈣，使混凝土表面層的滲透性降低。而室內混凝土的氯化物滲透性試驗不具備這種條件，往往試驗結果比實際結構高得多。

3）擴散作用：即由混凝土內外氯離子濃度差而引起的氯離子從高濃度區向低濃度區的移動。

由此可見，風干時水分向外遷移，鹽分則向內遷移，在下一次再被海水潤濕時，又有更多的鹽分以溶液的形式進入混凝土的毛細管孔隙中。此時，在混凝土表層內有一個向外降低的濃度差，而在離表面一定深度處氯化物濃度有一個峰值。這樣，可能有一些鹽分會向外表面擴散，但是接著的風干又將純水向外蒸發掉，而將鹽分遺留在混凝土內，并將更多的鹽分帶進混凝土內。干濕交替下，鹽分會逐漸侵入混凝土內部。

2 近海及海洋環境下混凝土表面氯離子濃度分布

海洋和近海環境中的海水與大氣中均含有可引起鋼筋嚴重銹蝕的氯離子。長年浸沒于海水中的混凝土，由于引起鋼筋脫鈍所需的氯離子臨界濃度在飽水條件下得以提高，又因水中缺氧使銹蝕發展速度變得極其緩慢甚至停止，所以相對來說問題并不太大。水位變動區特別是浪濺區的情況則完全不同，其處于干濕交替狀態，混凝土表面的氯離子可通過吸收（當混凝土表面干燥時）、擴散、滲透等多種傳輸途徑侵入混凝土內部，而且這種環境下使鋼筋脫鈍所需的氯離子臨界濃度也最低，同時又具備銹蝕銹蝕發展的充分條件。浪濺區的供氧充分，銹蝕最為嚴重。

海上橋梁的上部構件離浪濺區很近時，受到濃重的鹽霧作用在構件表面的氯離子濃度可以累積很高，而且同樣處于干濕交替的不利狀態，在浪濺區與大氣區構件的表面氯離子濃度之間沒有明確的界限。Fluge曾調查挪威的一座海上大橋，有多跨混凝土箱梁組成，發現這些箱梁受到大氣鹽霧作用累積在構件表面的氯離子濃度，與其離開海平面的標高有關，隨著高度的增加而降低。同一構件上不同部位的表面氯離子濃度也有很大差異，并與其朝向和截面尺寸有關，箱梁的底面及側向背風面的混凝土表面氯離子濃度最高。

3 混凝土氯離子相對質量濃度分析

3.1 表面混凝土樣本采集與氯離子相對質量濃度分析方法

于水樣采集位置，在與當時水面相同高程分別采集了護坡表面混凝土（包括2群和3群的丁壩表面）的6組樣本；同時，在1撐和5撐點的4層不同高度處各采集了表面混凝土24組樣本。各樣本點與河口各標志性位置（包括曹娥江大閘及杭州灣大橋等）的沿岸距離有準確里程數，各點處的混凝土護坡或丁壩己建成運行的時間分別為101、99、90、122和122個月。

表面混凝土樣本經機械壓碎后，用球磨機研磨成粉末，并通過O.63 lIlnl篩后，置于烘箱內2h，取出冷卻至室溫待用。

混凝土中氯離子含量（占混凝土質量的比值）的測試方法是：將一定量的試樣粉末，用去離子水（蒸餾水）配置成100ml的溶液，并劇烈振蕩1～2分鐘，每份溶液中加入2ml的離子穩定劑ISA（其中，粉末質量用電子天平秤得，精確到0.001曲。配置1ppm，10pm和100ppm的標準溶液作為酸度計的標定溶度。放置48h后，用美國Thermo720A酸度計測試100ml溶液中的氯離子含量（單位為ppm），即可得到混凝土粉末試樣中氯離子所占的質量，從而得到混凝土中氯離子含量（占混凝土質量的比值）。經試驗測試比較，考慮到氯離子的最長析出時間及測試穩定性等，在上述測試方法和條件下測定100ml溶液中的氯離子含量的時間，以配置測試溶液48 h后為宜，本文中混凝土中氯離子含量（占混凝土質量的比值）的測試時間為配置測試溶液48 h之后。

3.2 近水面處混凝土中的氯離子相對質量濃度及分析

根據測試結果，5個樣本點處近水面的護坡或丁壩混凝土表面氯離子相對質量濃度的實測均值（各6組樣本）列于表1，其中剔除了個別異常值但保證各樣本點的5組值參加計算。混凝土表面氯離子相對質量濃度可假設按式累積增加，即與滲入時間t的1/2次方成正比的關系（后為與混凝土性能及環境等有關的系數）。由于各點表面混凝土的實際滲入時間并不一致，表1中以滲入時間240個月（20年）統一推定其表面混凝土濃度。

4 現有混凝土構件氯離子侵蝕實測及分析

4.1 氯離子侵蝕的測試方法

1）取樣位置：試驗樣品取自錢塘江一線海塘甲水閘閘墩和乙水閘的閘墩及其底板。甲水閘閘墩上分上、中和下三個部位取15個混凝土芯樣，乙水閘閘墩兩邊各取一個芯樣。2）粉末制各：從表面開始切割，試塊（1厘米長）研磨并通過0.63翮篩后，置于烘箱內2d，時，取出冷卻至室溫。3）測試方法：稱取砂漿質量，加入lOOmI蒸餾水劇烈振蕩1～2分鐘，浸泡48小時后，加/入2mllSA（離子強度穩定劑），然后用美國奧立龍公司的720A酸度計測量其中的氯離子濃度。

4.2 氯離子濃度測試結果及分析

將測得的氯離子濃度換算成氯離子與混凝土的質量分數，得出的氯離子濃度隨深度變化結果。甲水閘閘墩除了中部氯離子濃度隨侵蝕深度有明顯的下降趨勢，其他部位的混凝土最外側2cm的氯離子濃度并不一定隨侵蝕深度有明顯的下降趨勢，2cm之后有明顯的下降趨勢，5cm之后基本趨于平緩，即最高氯離子濃度cl的位置位于距混凝土表面一定的距離（X0），乙水閘閘墩混凝土的氯離子濃度隨深度變化趨勢基本也是如此。原因可能是閘墩上部處于干濕交替的環境，而閘墩下部混凝土表面受到潮水沖刷，表面混凝土中的氯離子和外部存在交換，而閘墩中部混凝土表面情況可能正處于潮水侵淹區，使得氯離子滲透主要由擴散控制。上述情況也說明，位于浪濺區環境中的混凝土構件，氯離子在混凝土表層的侵入不是由擴散控制，而主要是毛細管吸收作用。

參考文獻

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