氯离子侵蚀混凝土机理分析
来源:用户上传
作者: 李文华 于林军
摘要：氟离子侵蚀是引起的混凝土耐久性失效的一个重要因素，本文结合国内外研究成果，综合分析了氯离子侵蚀混凝土的机理，对氯离子侵蚀引起的混凝土耐久性失效的防治提供了理论基础。
关键词：氟离子 侵蚀 机理
0 引言
钢筋混凝土结构受外界环境中的氯离子侵蚀，出现了开裂、钢筋锈胀等大量病害，影响了结构的安全使用。由此引发的维修、加固费用极为高昂，这在工业发达、大量基础设施修建已基本完成的西方国家尤为明显，引起了世界各国科技工作者和政府部门的高度重视。1992年一文披露，仅在美国，因撤除冰盐引起钢筋腐蚀破坏而限载通车的公路桥就占1/4(即5275余座的13万座)，其中不能通车的占1％。英国为解决海洋环境下的钢筋混凝土构筑物的腐蚀与防护问题，每年花费将近207Y英镑，英国英格兰岛的中环线快车道上有11座混凝土高架桥(全长21Km)，建于1972年总建造费为2800万英镑，建成两年后就发现钢筋锈蚀造成的混凝土顺筋裂缝现象，在1974-1989年的15年间，修补费高达450071英镑，为初始造价的1.6倍，估计以后15年间的维修费还需要耗费12亿英镑，接近造价的6倍。因此，阻止和减缓因氯离子侵蚀引起的混凝土耐久性失效已迫在眉睫。
2 氯离子侵蚀混凝土机理
通常情况下，氯离子进入混凝土有两个来源：一种是“掺入”，即在施工过程中通过细骨料、拌和用水和掺加的外加剂而掺入混凝土的氯离子；另一种方式是“侵入，即外界使用环境中的氯离子通过渗透、扩散、毛细作用侵入混凝土。
外界氯离子侵入混凝土是一个复杂的物理化学过程，包括四种不同的侵入机制，它们分别是：
渗透作用，即盐水向混凝土内部干燥的部分移动，
毛细作用，即在水压力作用下，盐水向水压力较低的方向移动；
自由氯离子的扩散作用，由于浓度差的作用，氯离子由浓度高的地方向浓度低的地方移动。
电化学迁移，即氯离子向电位较高的地方移动。
这四种机制所需要的一个共同条件是：混凝土的孔隙中必须有一定湿度，即必须有一定的水份存在。
暴露干海水环境的海工结构，由于暴露条件不同，氯化物侵入机制也不同。水下部分或潮差区的饱水部分的混凝土长期接触海水，由饱水混凝土里外氯离子浓度差引起的离子扩散是氯离子侵入混凝土的主要方式，其扩散速度取决于混凝土质量与混凝土内外氯离子浓度差的大小。在某种程度上也取决于有水头压力作用下氯化物溶液的渗透，当然这种渗透只有在水头压力较大时才显著。在海水中，即使氯化物能渗透到钢筋表面，但因缺氧钢筋也难以锈蚀。
所有混凝土构件，凡是表层有被风干，氯离子的侵入主要依赖于直接接触海水的混凝土毛细管吸收作用，风干程度愈高，毛细管吸收作用就愈大。混凝土毛细管吸收海水的能力取决于混凝土孔隙结构及其中游离水的含量。在下列三种情况特别严重：
(1)干饱和。在干热环境中，混凝土温度可高达50℃。完全丧失可蒸发水分，这时混凝土一旦接触海水和含盐量高的地下水，就立即被氯化物所饱和，其含盐量可以迅速达到混凝土质量的0.1％-0.3％
(2)风干时间比润湿时间长的混凝土构件(比如溅浪区的混凝土构件)，在海水干湿交替10年内，可使混凝土中氯离子量达到混凝土质量的0.3％-0.4％
(3)蒸发／灯草芯作用。在干热环境中，半浸于海水中的混凝土构件，由于从混凝土中蒸发掉的只是纯水，遗留于混凝土孔隙中的是盐水，而后海水又被混凝土像灯草芯那样地吸上去，充满毛细孔，致使海面水位以上的混凝土表层孔隙中氯化物发生浓缩。
干透的混凝土表层接触海水时，靠毛细管作用吸收海水,一直吸到饱和为止。如果外界环境转为干燥，则混凝土中水流方向会逆转，纯水从毛细孔对大气开放的那些端头向外蒸发，这时混凝土如同“过滤器”一样，混凝土表层孔隙液中盐分浓度增高，并在混凝土表层与内部之间形成氯离子浓差，驱使混凝土孔隙液中的盐分靠扩散机理向混凝土内部扩散，只要混凝土具有足够的湿度，这种扩散就可以顺利进行。在饱水时，扩散率最高，可见除混凝土孔结构特征外，混凝土湿度也是氯离子向混凝土内部扩散的一个重要因素。按外界环境相对湿度，风干持续时间的不同，在混凝土表层中大部分空隙水有可能蒸发掉，而在混凝土内部，除剩余水分为盐分所饱和外，多余盐分则结晶析出。
由此可见，对混凝土结构，风干时水分向外迁移，而盐分则向内迁移。在下一次再被海水润湿时，又有更多的盐分以溶液的形式带进混凝土的毛细管空隙中。此时，在混凝土表层内，有一个向外降低的氯离子浓度差，在离表面一定深度处，氯离子浓度达到峰值。这样，可能有一些盐分会向外表面扩散。但是随后的风干又将纯水向外蒸发掉，将更多的盐分带进混凝土内部。在干湿交替作用下，盐分会逐渐侵入混凝土内部。盐分向内迁移的程度取决于风干与湿润交替期的长短。随着时间的推移，将有足以使钢筋去钝的氯化物达到钢筋表面。
混凝土表层的干湿交替变化现象，不仅影响着氯化物的侵入，而且较深的风干使以后的湿润可以更多、更深地带进氯化物，也就是使氯离子更充分地侵入混凝土内部。因此在潮差区(风干期较短)，混凝土中钢筋对锈蚀的敏感性比在浪溅区(风干期较长，只在水位高、风浪大时才可能被海水溅湿)差。偶尔被海水湿润的混凝土中的钢筋对锈蚀的敏感性最强。
另外，冬天雪后为防止路面结冰而向路面撤除冰盐，这些盐经溶解、蒸发、浓缩、结晶，或被雨水溶解又形成盐溶液，此时的路面与海下结构具有类似的工作环境，在干湿交替作用下，氯化物侵入混凝土的土要机理也是表层混凝土孔隙的毛细管吸收作用和深层混凝土中的离子扩散作用。
转载注明来源:https://www.xzbu.com/2/view-425223.htm
