鋼筋初始銹蝕時刻的氯離子臨界濃度研究綜述

郭瑞琦，郭增偉，施躍毅

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074)

0 引 言

混凝土結(jié)構(gòu)集合了混凝土、鋼筋材料受力特性的優(yōu)點(diǎn)，又兼具適用性、經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢，因而在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用。不論是遍布城市的跨線立交，還是諸如港珠澳大橋、青島海灣大橋等代表國家形象的超級工程，都可以看到混凝土結(jié)構(gòu)的身影。然而，隨著各個國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的推進(jìn)，大量混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題逐漸暴露出來。世界各國每年因?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)耐久性問題而產(chǎn)生的加固、維護(hù)、拆除重建費(fèi)用非常巨大，部分混凝土結(jié)構(gòu)還因?yàn)槟途眯詥栴}發(fā)生了安全事故。

針對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，認(rèn)為氯離子侵蝕是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)耐久性問題的罪魁禍?zhǔn)?。環(huán)境中的氯離子通過混入和滲入的方式進(jìn)入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部并實(shí)現(xiàn)在混凝土內(nèi)部的聚集，當(dāng)混凝土內(nèi)部鋼筋表面的氯離子達(dá)到某一濃度，鋼筋表面的鈍化膜開始發(fā)生破壞，鋼筋發(fā)生銹蝕，通常將銹蝕開始發(fā)生時的鋼筋表面氯離子濃度稱為氯離子臨界濃度。學(xué)界常用氧化膜理論或吸附理論來解釋氯離子對于鋼筋表面鈍化膜的破壞作用。氧化膜理論認(rèn)為氯離子的離子半徑小，穿透能力強(qiáng)，易穿透氧化膜內(nèi)極小的孔隙到達(dá)金屬表面并與金屬相互作用形成可溶性化合物，從而破壞氧化膜的結(jié)構(gòu)，造成鋼筋腐蝕；吸附理論則認(rèn)為氯離子有很強(qiáng)的可以被金屬吸附的能力，它們優(yōu)先被金屬吸附并與金屬反應(yīng)形成可溶性氯化物，導(dǎo)致了鋼筋的腐蝕[1]。

不論采用何種理論描述氯離子對于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋的銹蝕作用，鋼筋初始銹蝕時刻的氯離子臨界濃度的研究都具有重要的意義。本文從氯離子臨界濃度的表述形式、測量方法出發(fā)，以考慮不同影響因素條件下的氯離子臨界濃度研究結(jié)論為載體，介紹了當(dāng)前氯離子臨界濃度的研究現(xiàn)狀，提出現(xiàn)有研究的不足以及未來發(fā)展的方向。

1 氯離子臨界濃度的表達(dá)形式及測試方法

1.1 表達(dá)形式

研究人員普遍采用總氯離子含量、游離氯離子含量以及[Cl-]/[OH-]三種形式對鋼筋銹蝕氯離子臨界濃度進(jìn)行表達(dá)[2-3]。

氯離子在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部主要以兩種形式存在：一種是存在于混凝土孔隙液內(nèi)部能夠自由移動的游離氯離子；另一種是被水泥水化物固化或者被水泥凝膠體表面正電荷吸附的結(jié)合氯離子。研究普遍認(rèn)為只有混凝土孔隙液內(nèi)部的自由氯離子才能引起鋼筋表面鈍化膜的破壞。因此，用游離氯離子含量表示鋼筋銹蝕氯離子臨界濃度較為精確[4-6]。

混凝土內(nèi)部的游離氯離子與結(jié)合氯離子在一定條件下是可以相互轉(zhuǎn)化的，氯離子被水泥水化物固化形成的費(fèi)氏鹽只有在強(qiáng)堿環(huán)境下才能保持穩(wěn)定，當(dāng)混凝土堿性降低時費(fèi)氏鹽會發(fā)生分解使得這一部分結(jié)合氯離子重新轉(zhuǎn)化為游離氯離子[7]。被水泥凝膠體表面處正電荷吸附的結(jié)合氯離子更不穩(wěn)定，在外界擾動下這種物理吸附作用極易發(fā)生破壞，吸附作用的破壞同樣實(shí)現(xiàn)了部分結(jié)合氯離子向游離氯離子的轉(zhuǎn)化[1]?？偮入x子含量考慮了這一部分可能產(chǎn)生鋼筋銹蝕的風(fēng)險(xiǎn)，給定結(jié)果更為保守，因而國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范往往采用總氯離子含量作為鋼筋銹蝕氯離子臨界濃度的表達(dá)形式。

Venu等[8]在考慮了混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部氫氧根離子對于鋼筋銹蝕抑制作用的基礎(chǔ)上，提出采用[Cl-]/[OH-]的形式來表達(dá)鋼筋銹蝕氯離子臨界濃度。這一表達(dá)方式的可行性被Hausmann[9]、Gouda[10]、Li[11]等的研究所證實(shí)，并被學(xué)界廣泛接受。

Glass[12]、Sergi[13-14]等提出采用[Cl-]/[H+]的形式來表達(dá)鋼筋銹蝕氯離子臨界濃度，以期從酸堿中和的角度揭示氫氧根離子對于鋼筋銹蝕的抑制能力，并認(rèn)為這一表示方法考慮了結(jié)合氯離子可能產(chǎn)生的鋼筋銹蝕風(fēng)險(xiǎn)，但其可行性并未得到學(xué)界的廣泛認(rèn)可。

1.2 測試方法

氯離子臨界濃度的測試分為兩個方面：一是確定鋼筋脫鈍的臨界點(diǎn)，即判斷腐蝕開始的時間；二是腐蝕發(fā)生時刻混凝土內(nèi)部氯化物的測定。

進(jìn)行腐蝕發(fā)生檢測主要采用的方法有：宏電池法[15]、半電池電位法[16]、線性極化法[17]以及電化學(xué)阻抗譜法[18]。這其中，半電池電位法的應(yīng)用最為廣泛，但其測試結(jié)果很大程度上受到水分含量、碳化程度等混凝土自身因素的影響。宏電池法在腐蝕發(fā)生時宏觀腐蝕電流會發(fā)生一個明顯的增加，但無法通過一個固定的數(shù)值來判定腐蝕的臨界點(diǎn)。線性極化法以及電化學(xué)阻抗譜法對于腐蝕過程的描述相對準(zhǔn)確，可以量化具體的腐蝕速率，但對于腐蝕起始點(diǎn)的判定較為模糊，僅能得到具有一定寬度的區(qū)間范圍。正因?yàn)槿绱?，研究人員在進(jìn)行鋼筋銹蝕氯離子臨界濃度測試時往往采用上述方法中的多個方法并對其結(jié)果進(jìn)行比對。

氯化物的測定分為游離氯離子濃度的測定以及總氯離子濃度的測定。游離氯離子濃度的測定方法主要有水溶化學(xué)滴定法(硝酸銀溶液滴定法)[19]、電位滴定法[19-20]、氯離子選擇電極法[21]、壓濾法[22]以及離子色譜法[23]；總氯離子濃度的測定方法主要有酸溶化學(xué)滴定法(稀硝酸溶液滴定法)[19]、電位滴定法[19]以及RCT快速氯離子檢測法[24-26]。這其中水溶、酸溶化學(xué)滴定法使用最為普遍，但需要很高的分析化學(xué)操作水平，測試結(jié)果很大程度上取決于操作的準(zhǔn)確性。其余方法所需的測試儀器較為復(fù)雜，測試時間長，需要大量的物力支持。

2 不同影響因素作用條件下的氯離子臨界濃度

2.1 材料特性

鋼筋銹蝕氯離子臨界濃度的概念提出后，研究人員便開始了對于氯離子臨界濃度影響因素的探究，而最初的研究焦點(diǎn)聚集在混凝土材料特性對于氯離子臨界濃度的影響上。大量研究人員認(rèn)為，混凝土材料特性控制著混凝土材料的氯離子結(jié)合能力并以此影響氯離子的臨界濃度。

目前水灰比w/c對于鋼筋銹蝕氯離子臨界濃度的影響并未存在明確的定性規(guī)律。Pettersson等[27]的研究結(jié)果顯示對于普通混凝土(OPC)，當(dāng)水灰比w/c的取值位于0.3～0.75區(qū)間時，游離氯離子臨界濃度位于0.28%～1.80%(占凝膠材料重量百分比)區(qū)間。Oh等[16]針對普通混凝土(OPC)的試驗(yàn)結(jié)果顯示，鋼筋銹蝕氯離子臨界濃度(C(Cl-)/C(OH-)表示)隨水灰比w/c的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢，水灰比w/c取0.35、0.45和0.55時所對應(yīng)的臨界濃度分別為0.19、0.26和0.16。Wang等[28]得到的結(jié)論卻恰好相反，其試驗(yàn)結(jié)果顯示水灰比w/c取0.45、055和0.65時所對應(yīng)的臨界濃度分別為1.095、0.990和1.018，臨界濃度呈現(xiàn)先減后增的趨勢。

大量研究普遍證實(shí)了對于普通混凝土而言，隨著粉煤灰摻量(占混凝土質(zhì)量百分比)的增加，鋼筋銹蝕氯離子臨界濃度明顯呈現(xiàn)降低趨勢。Thomas[29]的研究結(jié)果證實(shí)，粉煤灰摻量為0%、15%、30%和50%所對應(yīng)的臨界濃度分別為0.7%、0.65%、0.5%和0.2%(占凝膠材料重量百分比)；Oh等[16]在水灰比w/c=0.45的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果顯示粉煤灰摻量為0%、15%和30%所對應(yīng)的臨界濃度分別為0.93%、0.90%和0.68%(占凝膠材料重量百分比)；張猛[30]所獲得的試驗(yàn)結(jié)果也支持了上述結(jié)論，在水灰比w/c=0.38的條件下粉煤灰摻量15%、20%和30%所對應(yīng)的臨界濃度分別為0.199 2%、0.175 8%和0.167 5%(占水泥材料重量百分比)。

對于摻入硅粉的普通混凝土，Manera等[31]認(rèn)為硅粉的摻入，降低了鋼筋銹蝕氯離子臨界濃度。在控制水灰比w/c=0.6的條件下，大量試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)得到未摻加硅粉混凝土游離氯離子臨界濃度位于1.1%～2.0%(占凝膠材料重量百分比)區(qū)間，摻加10%硅粉混凝土游離氯離子臨界濃度位于0.6%～1.2%(占凝膠材料重量百分比)區(qū)間。張猛[30]試驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)，在水灰比w/c=0.38的條件下硅粉摻量15%、20%和30%所對應(yīng)的臨界濃度分別為0.225 1%、0.191 8%和0.170 7%(占水泥材料重量百分比)。

黎鵬平等[32]研究了水泥材料中SO3、Al2O3的摩爾質(zhì)量比對氯離子臨界濃度的影響，氯離子臨界濃度隨水泥中SO3、Al2O3摩爾質(zhì)量比值的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，SO3、Al2O3的摩爾質(zhì)量比為0.82、0.87、0.93和0.99時所對應(yīng)的游離氯離子臨界濃度分別為0.48%、0.54%、0.50%和0.47%。其認(rèn)為水泥材料中SO3、Al2O3的含量通過影響混凝土結(jié)構(gòu)的孔隙狀態(tài)進(jìn)而影響鋼筋腐蝕氯離子臨界濃度，結(jié)構(gòu)砂漿孔隙率隨著S/Al比的增大而增大，而結(jié)構(gòu)孔隙的平均孔徑、毛細(xì)孔和大孔數(shù)量隨S/Al比的增大，呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。

陶琦[33]探究了引氣劑的加入對氯離子臨界濃度的影響，采用線性極化法測試得到C30空白混凝土的游離氯離子臨界濃度為0.485%，加入MICRO-AIR 202型混凝土引氣劑后游離氯離子臨界濃度為0.461%，認(rèn)為引氣劑的加入降低了氯離子臨界濃度。

Tang等[34]在瑞典西海岸海洋環(huán)境下采用40余種不同膠凝材料配比的混凝土板進(jìn)行了為期13年的現(xiàn)場暴露試驗(yàn)，其結(jié)果表明鋼筋銹蝕氯離子臨界濃度與水灰比、礦物摻合料相關(guān)性不大，其總氯離子臨界濃度均接近1%。Reou等[35]采用“先摻法”預(yù)先在混凝土試塊中摻入0.5%、1.0%、2.0%和3.0%(占凝膠材料重量百分比)的氯化物，證明了只要確定了水灰比、礦物摻合料和暴露條件，氯離子臨界濃度不隨環(huán)境氯化物含量的變化發(fā)生改變，并給出水灰比w/c=0.45的條件，鋼筋銹蝕游離氯離子臨界濃度為0.79%。

2.2 混凝土孔隙液

混凝土孔隙溶液的酸堿特性及離子組成均能對氯離子臨界濃度產(chǎn)生較大的影響。實(shí)際條件下，混凝土孔隙液的成分組成十分復(fù)雜，研究人員通常采用模擬混凝土孔隙液作為介質(zhì)在試驗(yàn)室環(huán)境中探究鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕機(jī)理。

早期的研究集中在混凝土孔隙液pH值對鋼筋銹蝕氯離子臨界濃度影響方面。早在1970年Gouda等[10]就擬合得到了氯離子臨界濃度與混凝土孔隙液pH值的關(guān)系表達(dá)式。

pH=nlogCCl-+K

(1)

式中：pH為混凝土孔隙溶液氫離子濃度指數(shù)；CCl-為氯離子臨界濃度；n、K為計(jì)算常數(shù)。

Gouda等[10]認(rèn)為(1)式的使用條件為混凝土孔隙液pH值大于11.5，當(dāng)混凝土孔隙液pH值小于11.5時，孔隙液中的OH-無法產(chǎn)生對于Cl-的抑制作用，可認(rèn)為氯離子臨界濃度為0。劉玉等[36]認(rèn)為當(dāng)混凝土模擬孔隙液的pH值為12.0時，氯離子臨界濃度為0.04～0.05 mol/L；張倩倩等[37]通過電化學(xué)阻抗譜分析得到氯離子臨界濃度隨模擬孔隙液pH值的升高而升高，當(dāng)混凝土模擬孔隙液的pH值為11.03、12.13和12.55時對應(yīng)的氯離子臨界濃度分別為0.01 mol/L、0.04 mol/L和0.05 mol/L。

趙煒璇等[39]通過試驗(yàn)得出混凝土孔隙液中的氧氣含量對氯離子臨界濃度的影響可以忽略，維持模擬孔隙液的pH值13.4不變，當(dāng)孔隙液中氧氣質(zhì)量濃度由8.7 mg/L向10.5 mg/L逐漸增大時，氯離子臨界濃度維持在0.1(C(Cl-)/C(OH-)表示)不發(fā)生變化，而當(dāng)模擬孔隙液的pH值調(diào)整為11.7時，氯離子臨界濃度接近于0。

蔣林華等[40]在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件下探究了混凝土孔隙液中陽離子類型對于氯離子臨界濃度的影響，認(rèn)為Na+、K+的存在增大了氯離子臨界濃度，Ca2+、Mg2+的存在降低了氯離子臨界濃度，并給出在飽和Ca(OH)2孔隙液條件下NaCl、KCl、MgCl2、CaCl2體系對應(yīng)的氯離子臨界濃度分別為0.03 mol/L、0.03 mol/L、0.02 mol/L、0.02 mol/L。

2.3 阻銹劑及鋼筋特性

學(xué)界普遍認(rèn)為采用阻銹劑是氯鹽環(huán)境下提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的有效措施。Ann等[41]認(rèn)為，在普通混凝土結(jié)構(gòu)中加入Ca(NO3)2能夠提高鋼筋銹蝕氯離子臨界濃度，在水灰比w/c=0.45的條件下，未摻加Ca(NO3)2阻銹劑的混凝土結(jié)構(gòu)游離氯離子臨界濃度位于0.18%～0.33%區(qū)間，摻加Ca(NO3)2阻銹劑的混凝土結(jié)構(gòu)游離氯離子臨界濃度提升至0.22%～1.95%區(qū)間。Ormellese等[42]卻認(rèn)為亞硝酸鹽阻銹劑作用的本質(zhì)并不是“抑制作用”，并不是提高了氯離子臨界濃度，而是使混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)降低了2至4倍，是一種“物理屏障”作用，其同時指出OCIA-1(氨基醇)、OCIA-3(氨酯)等抑制劑能夠真正提高鋼筋銹蝕氯離子臨界濃度，試驗(yàn)室條件下可令臨界濃度提升至1.0%～2.4%，相較于未添加抑制劑的混凝土提升近一倍。張猛[30]采用電化學(xué)阻抗譜法研究了不同抑制劑對于鋼筋銹蝕氯離子臨界濃度的提升效果，認(rèn)為在現(xiàn)場暴露實(shí)驗(yàn)中，不同抑制劑條件下臨界濃度的順序關(guān)系為：NaNO2>NT(NaNO2、甲基苯駢三氮唑復(fù)合)>TTA(甲基苯駢三氮唑)>MBT(巰基苯駢噻唑)。但在混凝土模擬孔隙液中，不同抑制劑條件下臨界濃度的順序關(guān)系體現(xiàn)為：NaNO2>TTA>NT>MBT。

陳龍等[43]通過半電池電位法研究了不同類型鋼筋在相同混凝土孔隙溶液作用條件下對應(yīng)的鋼筋氯離子臨界濃度，得到在飽和Ca(OH)2孔隙液(pH=12.6)環(huán)境中，普通鋼筋、304L、306L所對應(yīng)的的氯離子臨界濃度分別為0.06 mol/L、1.2 mol/L、4.0 mol/L。

Zheng等[44]將鍍鋅鋼筋置于飽和Ca(OH)2混凝土模擬孔隙液中，通過電化學(xué)阻抗譜法測得鍍鋅鋼筋氯離子臨界濃度為0.2 mol/L，其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通鋼筋，主要原因是鍍鋅層的存在，在鋼筋發(fā)生點(diǎn)蝕后其電化學(xué)產(chǎn)物主要為Zn5(OH)8Cl·H2O，能夠有效覆蓋腐蝕點(diǎn)，抑制了氯離子的進(jìn)一步擴(kuò)散。

2.4 荷載作用

結(jié)構(gòu)材料初始狀態(tài)下的微觀缺陷在疲勞荷載的作用下會不斷發(fā)展，產(chǎn)生疲勞損傷并且逐步累積，這種疲勞效應(yīng)同樣會影響鋼筋銹蝕的氯離子臨界濃度。王永亮等[45]采用“三分點(diǎn)”法對混凝土深梁進(jìn)行疲勞加載，并通過半電池電位法、線性極化法、電化學(xué)阻抗譜法三種方法判定氯離子臨界濃度，得到疲勞循環(huán)作用次數(shù)為0次、3萬次、5萬次、10萬次時所對應(yīng)的鋼筋銹蝕氯離子臨界濃度分別為0.03 mol/L、0.02 mol/L、0.02 mol/L、0.01 mol/L。蔣林華等[46]采用自主設(shè)計(jì)的鋼筋壓縮疲勞試驗(yàn)器對Q235鋼筋進(jìn)行壓縮疲勞加載，通過電化學(xué)阻抗譜法判定氯離子臨界濃度，得到壓縮疲勞循環(huán)作用次數(shù)為0次、5萬次、10萬次、15萬次時所對應(yīng)的鋼筋銹蝕氯離子臨界濃度分別為0.03 mol/L、0.06 mol/L、0.04 mol/L、0.04 mol/L，臨界濃度隨壓縮疲勞次數(shù)的增加呈先增后減的趨勢。其認(rèn)為從微觀角度來看，隨著疲勞次數(shù)的增加，鋼筋晶粒趨于細(xì)化，且晶界和相界明顯增多，使晶界之間快速形成保護(hù)膜從而提高了鋼筋抗離子侵蝕的能力。錢霞等[47]采用疲勞試驗(yàn)機(jī)對Q235鋼筋進(jìn)行了拉伸疲勞加載試驗(yàn)，認(rèn)為普通鋼筋在無應(yīng)力狀態(tài)下的氯離子臨界濃度為0.05 mol/L，這一數(shù)值隨著疲勞應(yīng)力水平的增大以及應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加而顯著降低。

2.5 外界環(huán)境

宋曉冰等[48]通過半電池電位法得到模擬溶液中鋼筋銹蝕臨界濃度與銹蝕電位的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上通過銹蝕電位確定置于不同環(huán)境中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕臨界濃度，試驗(yàn)得到干燥環(huán)境(室內(nèi)環(huán)境)、潮濕環(huán)境(干濕環(huán)境)以及極濕潤環(huán)境(浸泡環(huán)境)條件下所對應(yīng)的普通混凝土游離氯離子臨界濃度分別為0.01 mol/L、0.07 mol/L以及0.30 mol/L。

Hussain等[49]研究了溫度對于氯離子臨界濃度的影響，以C3A占比14.00%的混凝土材料為例，當(dāng)試驗(yàn)溫度由20 ℃升至70 ℃時，鋼筋銹蝕總氯離子臨界濃度由1.00%下降至0.19%，不同配合比的混凝土試件都表現(xiàn)出這一趨勢，氯離子臨界濃度隨環(huán)境溫度的上升顯著下降。

衛(wèi)軍等[50]給出干濕循環(huán)條件下普通混凝土鋼筋銹蝕氯離子臨界濃度為0.24%(占凝膠材料重量百分比)；李巖等[51]通過不同配合比、礦物摻合料條件下的9組試驗(yàn)證明,混凝土試件在完全浸泡狀態(tài)下,其鋼筋銹蝕氯離子臨界濃度要大于處于干濕循環(huán)條件下的試件，處于干濕循環(huán)條件下的混凝土試件的臨界濃度值約為完全浸泡狀態(tài)下的85%；孫從濤等[52]利用電化學(xué)阻抗譜法測定不同干濕循環(huán)條件下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕臨界濃度，并且認(rèn)為干濕循環(huán)比直接影響混凝土結(jié)構(gòu)的飽和度，氯離子臨界濃度因?yàn)楦蓾裱h(huán)作用下混凝土飽和度的不同而存在差異，試驗(yàn)測得當(dāng)混凝土飽和度分別為75%、65%、60%以及50%時，其對應(yīng)的臨界濃度為0.292%、0.318%、0.346%以及0.365%，并且認(rèn)為干濕環(huán)境條件下氯離子臨界濃度與混凝土飽和度之間存在著明顯的線性關(guān)系，可用式(2)表達(dá)。

CCl-=2.478-0.017S

(2)

式中：CCl-為氯離子臨界濃度；S為混凝土飽和度。

值得注意的是，上述結(jié)論僅對干濕循環(huán)環(huán)境條件下的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有意義。對于完全浸泡環(huán)境而言，認(rèn)為混凝土結(jié)構(gòu)的飽和度為100%，但此時大氣中的氧氣進(jìn)入混凝土內(nèi)部鋼筋表面的通路被阻斷，溶液中的含氧量極其有限，鋼筋表面的銹蝕電化學(xué)反應(yīng)難以發(fā)生，因而氯離子臨界濃度顯著提高。

3 臨界濃度取值研究

國內(nèi)外學(xué)者對混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕氯離子臨界濃度進(jìn)行了大量的研究，但其研究結(jié)論具有很大的離散型。采用總氯離子含量表述鋼筋銹蝕氯離子臨界濃度時，臨界濃度范圍介于0.04%～8.34%區(qū)間；采用游離氯離子含量表述鋼筋銹蝕氯離子臨界濃度時，臨界濃度范圍介于0.03%～4.0%區(qū)間；采用[Cl-]/[OH-]表述鋼筋銹蝕氯離子臨界濃度時，臨界濃度范圍介于0.09%～45%區(qū)間，部分結(jié)論見表1[7,9-10,16,27,53-65]。

表1 不同表達(dá)形式下的鋼筋銹蝕氯離子臨界濃度Table 1 Critical chloride concentration of reinforcing steel corrosion under different expressions

續(xù)表

各國建設(shè)部門，為了保證混凝土結(jié)構(gòu)在使用過程中具有足夠的耐久性，在充分考慮國情、環(huán)境、材料的基礎(chǔ)上，給出的鋼筋銹蝕氯離子臨界濃度的取值往往是相對保守的。日本土木學(xué)會的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中，統(tǒng)一采用推薦值1.2 kg/m3作為氯離子臨界濃度值，不考慮材料和配合比[66]；英國鋼筋結(jié)構(gòu)混凝土標(biāo)準(zhǔn)指出，預(yù)應(yīng)力構(gòu)件混凝土中最大氯離子含量為0.10%(占凝膠材料重量百分比)，普通鋼筋混凝土中最大氯離子含量為0.40%[67]；我國《既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評定標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51355—2019)中指出，當(dāng)鋼筋表面的氯離子濃度達(dá)到1.4 kg/m3，認(rèn)為鋼筋表面氧化膜破壞，鋼筋開始發(fā)生銹蝕[68]。

4 結(jié)語與展望

盡管研究人員針對混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕氯離子臨界濃度進(jìn)行了大量的研究，但各個因素對于氯離子臨界濃度的影響仍未發(fā)現(xiàn)定性的規(guī)律，不同學(xué)者通過試驗(yàn)分析給出的氯離子臨界濃度具有很大的離散性，難以運(yùn)用于工程實(shí)踐中去。正因?yàn)槿绱?，筆者認(rèn)為針對鋼筋銹蝕氯離子臨界濃度，以下方面仍需進(jìn)一步研究：

(1)明確鋼筋銹蝕氯離子臨界濃度的合理表達(dá)形式，氯離子臨界濃度往往因?yàn)楸磉_(dá)方式的不同而呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。以張倩倩等[37]的研究為例，以溶液中氯離子的摩爾濃度表示氯離子臨界濃度時，其值隨pH值的減小而減??；而以C(Cl-)/C(OH-)表示氯離子臨界濃度時，其值隨著pH值的減小而增大，目前對于哪一種氯離子臨界濃度表達(dá)方式更能準(zhǔn)確描述銹蝕機(jī)理尚無明確定論，并且總氯離子含量、游離氯離子含量與C(Cl-)/C(OH-)比值間并不存在數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)化關(guān)系，基于各個表達(dá)形式的研究結(jié)論難以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一。

(2)現(xiàn)階段得到的鋼筋銹蝕氯離子臨界濃度值以及各因素影響規(guī)律都是基于試驗(yàn)室試驗(yàn)或現(xiàn)場暴露試驗(yàn)得到的具體數(shù)值規(guī)律，并沒有更進(jìn)一步的基于材料領(lǐng)域、結(jié)構(gòu)領(lǐng)域機(jī)理層面的研究，各個因素對于臨界濃度的影響機(jī)理還存在很大的爭議。

(3)現(xiàn)階段研究只考慮單因素條件對于氯離子臨界濃度的影響，并未考慮實(shí)際工程狀態(tài)下多種影響因素共同作用對于氯離子臨界濃度的影響，也沒有以影響因素為自變量，以氯離子臨界濃度為因變量的相關(guān)算式成型。

(4)各種針對初銹時間的測試方法其初銹位置判定臨界點(diǎn)仍處在一個范圍較大的區(qū)間內(nèi)，并沒有得到明確的初銹電位值或電阻值。

(5)建立試驗(yàn)室條件下以及實(shí)際環(huán)境條件下鋼筋銹蝕氯離子臨界濃度的數(shù)據(jù)庫。隨著人工智能領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，利用人工智能方法研究離子傳遞規(guī)律成為現(xiàn)實(shí)，但人工智能方法需要大量精確數(shù)值樣本的支持，僅憑單一研究人員獨(dú)立進(jìn)行試驗(yàn)研究積累樣本顯然是不現(xiàn)實(shí)的。

(6)在理論研究的基礎(chǔ)上，如何通過調(diào)整摻合料、阻銹劑以及鋼筋材料等因素實(shí)現(xiàn)鋼筋銹蝕氯離子臨界濃度的提高，進(jìn)一步增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的耐久性，提高結(jié)構(gòu)的使用壽命，降低運(yùn)維成本。