海工混凝土抗氯离子侵蚀措施综述

2013-02-01焦安梅刘克王小慧颜丙坤

中国建材科技 2013年3期

焦安梅刘克王小慧颜丙坤

（1 日照港建设监理有限公司，山东日照，276826；2 山东英才学院建筑工程学院，山东济南，250014；3 山东大学土建与水利学院，山东济南,250061）

1 引言

海洋是人类的巨大资源宝库，开发海洋资源及利用海洋空间都离不开海工建筑物，其中所采用的钢筋混凝土结构在使用过程中受到各种因素的破坏。

研究表明,钢筋锈蚀是混凝土结构耐久性破坏的主要原因[1]，而钢筋锈蚀又主要是氯离子侵入引起的锈蚀。因此，采取有效的措施保证海工混凝土抗氯离子渗透性显得尤为重要。本文在分析海洋环境与氯离子的侵蚀原理的基础上，综述了海工混凝土抗氯离子侵蚀所采取的主要防护措施，并简单分析各种措施的优点及存在的问题，指出今后钢筋混凝土结构抗氯离子侵蚀的研究方向。

2 海洋环境

根据对混凝土的腐蚀劣化程度的不同，海洋环境可分为水下区、潮汐区、浪溅区、大气区[2]。如图1所示。

在海洋环境中，潮汐区和浪溅区是腐蚀劣化最为严重的区域。而水下区和大气区因缺少了干湿交替作用和浪蚀磨耗，腐蚀作用相对较弱。但是，氯离子的侵蚀损坏是一个长期的过程，这两个区域的腐蚀防护仍然不能忽视。下面详细分析氯离子的腐蚀作用机理，从本质上找出防治措施。

图1 钢筋混凝土结构处于不同的海洋环境

3 氯离子的侵蚀破坏机理

沿海地区氯离子侵蚀环境下钢筋混凝土结构的耐久性研究是一项跨学科的课题，涉及到混凝土基本理论、电化学腐蚀、结构耐久性分析以及环境科学等多个方面[3]。

3.1 混凝土中氯离子的来源

氯离子进入混凝土通常有两种途径: 一种是施工过程中“掺入”混凝土的氯离子,即在混凝土形成过程中,由原材料本身带入或在施工过程中随其他掺合物加入；另一种“渗入”,即外界环境中的氯离子通过混凝土的宏观和微观缺陷,经过复杂的物理化学过程进入到混凝土中。这是氯离子进入混凝土的主要途径[4]。

氯离子侵入混凝土的主要方式有毛细管作用、渗透作用、扩散作用、电化学迁移作用四种。许多情况下，扩散是一种最主要的传输方式，特别是在海洋环境下。

3.2 氯离子腐蚀钢筋的机理

氯离子腐蚀钢筋的机理为:

（1）破坏钝化膜。一般情况下，水泥水化的高碱性使混凝土孔隙中的水呈碱性（PH≥12.5）。在高碱性环境中，钢筋表面产生一层致密的碱性钝化膜。这层钝化膜对钢筋有很强的保护作用。因此，在一般条件下，混凝土对钢筋有很好的保护作用。通常,钢筋表面的氧化铁薄膜的破坏有两种原因:一是因混凝土碳化而引起钢筋混凝土保护层的PH值降低；二是氯离子和氧离子作用而破坏惰性氧化铁薄膜，因为氯离子是极强的去钝化剂, 氯离子进入混凝土到达钢筋表面, 吸附于局部钝化膜处时,可使该处的PH值迅速降低。而钝化膜只有在高碱性环境中才是稳定的。研究与实践表明，当PH值＜11.5 时，钝化膜就开始不稳定（临界值）；当PH值＜9.88 时,钝化膜生成困难或已经产生的钝化膜逐渐破坏。钝化膜受到破坏后，失去对钢筋的保护作用，在有空气和水分的侵入条件下，钢筋就开始锈蚀[5]。

（2）形成腐蚀电池。在不均质的混凝土中,常见的局部腐蚀对钢筋表面钝化膜的破坏发生在局部, 使这些部位露出了铁基体,与尚完好的钝化膜区域形成电位差, 铁基体作为阳极而受腐蚀, 大面积钝化膜区域作为阴极。腐蚀电池作用的结果使得钢筋表面产生蚀坑；同时, 由于大阴极对应于小阳极, 蚀坑的发展会十分迅速。

（3）去极化作用。氯离子不仅促成了钢筋表面的腐蚀电池, 而且加速了电池的作用.氯离子将阳极产物及时地搬运走, 使阳极过程顺利进行甚至加速进行。氯离子起到了搬运的作用, 却并不被消耗, 也就是说, 凡是进入混凝土中的氯离子, 会周而复始的起到破坏作用, 这也是氯离子危害的特点之一。

（4）导电作用。腐蚀电池的要素之一是要有离子通路, 混凝土中氯离子的存在, 强化了离子通路, 降低了阴阳极之间的欧姆电阻, 提高了腐蚀电池的效率, 从而加速了电化学腐蚀过程。

4 抗氯离子侵蚀的措施

通过以上对氯离子的腐蚀破坏机理及破坏过程的分析可知，通过种种途径进入结构混凝土的氯离子可能引起钢筋锈蚀,引发钢筋混凝土结构的耐久性问题,最终影响混凝土构件的力学性能和构件性能。因此应采取必要的防腐对策,以保证钢筋混凝土结构在氯离子侵蚀环境下的正常使用。

控制水灰比，增大混凝土保护层厚度,选用抗氯盐的硅酸盐水泥以及加入钢筋阻锈剂是现有海工建筑中常用的方法。这里，重点介绍以下几种新型方法：

4.1 掺加减缩剂和引气剂

混凝土在硬化过程中不可避免地要产生收缩，当混凝土的收缩应力大于混凝土的抗拉强度时，混凝土就会开裂。减缩剂就是用来减少混凝土收缩的一种外加剂。它的减缩作用主要是通过降低混凝土中毛细孔的水的表面张力来实现的。掺减缩剂的混凝土的收缩变形小，内部微细裂纹较少，抗氯离子侵蚀能力得到较大增强。

引气剂是一种表面活性剂，掺入混凝土后，可使混凝土在搅拌过程中引入大量均匀分布且独立封闭的微小气泡，从而使得混凝土毛细管变得细小、曲折、分散，渗透通道减少，大大提高混凝土的抗渗性和抗氯离子能力[6]。

4.2 使用矿物掺和料

提高混凝土本身的密实度，减少其孔隙率，是提高混凝土抗氯离子渗透性能最重要、最根本的防护原则[7]。掺加粉煤灰、高炉矿渣或硅灰等矿物掺和料，可减少混凝土内部的孔隙率和孔隙尺寸，改善骨料界面上的水泥浆体结构，提高混凝土的密实度，增强抗渗透性，有效限制氯离子的扩散。

常用的矿物掺合料有粉煤灰、矿粉、硅灰等。

在混凝土中掺加粉煤灰可产生“活性效应、形态效应、微集料效应”，总称为“粉煤灰效应”。“粉煤灰效应”的二次水化作用、减水作用和微集料作用使混凝土的密实度大大提高，改善了混凝土的孔结构，降低了混凝土的孔隙率，提高了混凝土的抗渗性能，使环境腐蚀介质不容易侵入。

掺入混凝土中的矿粉，在水泥水化生成大量Ca(OH)2后，与形成的水泥石结构再进行二次水化，密实性明显提高，透水系数大大降低。

硅灰颗粒很小，约为水泥颗粒的1%，有着很大的比表面积，能很好地填充混凝土中的孔隙，增加密实性。

4.3 施工技术方面的措施

混凝土密实度、混凝土保护层厚度的变异性对混凝土结构耐久性有重大影响, 在很大程度上取决于施工质量。完善施工管理, 提高施工队伍素质, 对施工过程进行监督检查, 加强工程质量验收制度、确保工程质量, 对提高混凝土结构耐久性有着非常重要的作用[8]。因此，施工过程中应力求做到：

（1）应加强对施工用水、砂、石及各类外加剂等材料中的氯离子含量严格控制, 这是防治掺入型氯离子进入混凝土的主要措施。

（2）要充分振捣，最好采用高频振动设备，降低混凝土的孔隙率，从而提高其抗渗性。

（3）加强养护，混凝土在硬化早期，极易塑性开裂，尤其是在大面积施工或施工环境条件不利（如气候干燥、暴晒、风速大等）或养护不充分时。因此加强混凝土的养护对保证海工结构的耐久性意义非凡。

（4）使用控制渗透模板，控制渗透模板作用就象过滤器,只允许空气和混凝土表面的泌水通过,降低模板附近混凝土的水胶比，对表层混凝土有极大的改善作用,是一种经济实用的方法。

（5）采用预制安装的施工方法[9]，由于海工混凝土现浇施工方法使混凝土在初期就暴露在海洋环境中，不可避免地对耐久性产生不利影响，因此，为提高海工混凝土的耐久性，钢筋混凝土构件宜采用预制安装的施工方法。

4.4 钢筋表面涂层

钢筋表面涂层直接对钢筋表面进行处理，可以从源头防止钢筋的腐蚀。目前常采用环氧涂层。

环氧涂层钢筋与其它材料的涂层钢筋相比,具有防腐性能稳定、生产工艺简单、耐磨损、对环境污染少、生产成本较低等特点；与普通钢筋相比,环氧涂层钢筋具有防腐性能良好、混凝土保护层可明显减薄等优点。

混凝土表面涂层可以有效地阻断或减少氯离子向混凝土的渗透扩散。混凝土表面涂层可分为封闭型涂层和渗透型涂层两种，封闭型涂层具有良好的附着力、密实性和抗渗性；渗透型涂层是利用混凝土的特点，在混凝土表面涂渗透型涂料，这些渗入的涂料在混凝土表面深入内部的一定范围内，形成特殊的防护层，它能有效地阻止外界环境中腐蚀介质进入混凝土中，从而保护钢筋免受腐蚀。表面涂层技术成熟、效果显著，是一种经济有效的防腐措施[10][11]。

4.5 采用聚丙烯纤维混凝土

由收缩等引起的开裂和内部细裂缝是使混凝土抗氯离子性显著下降、耐久性得不到保证的关键因素。在混凝土中掺纤维，可以发挥纤维对混凝土的阻裂作用、增强作用和增韧作用[6]。其中聚丙烯纤维是目前用于混凝土增强使用最多的合成纤维[12][13]。

在混凝土中掺入聚丙烯纤维,可以增加塑性混凝土的抗张力,减少混凝土内部的微裂缝产生，同时可以发挥混凝土的整体功能。聚丙烯纤维在混凝土内部形成多维立体乱向支撑体系，有效地控制混凝土的早期塑性收缩，大大减少内部微裂缝；有效阻碍骨料的离析而减少泌水现象，阻碍沉降裂缝的形成。另外，由于其在混凝土内部构成多维的乱向支撑体系，从而产生一种有效的次加强筋效果，阻止裂缝发展。这些特点使聚丙烯纤维能有效抵抗混凝土凝结硬化初期由于离析、泌水、收缩等因素形成的原生裂隙的发生和发展，减小原生裂隙的数量和程度，同时通过提高材料介质的连续性，使硬化后混凝土抗裂抗渗性能得到显著改善。

5 结语

本文结合海洋环境的特点，从氯离子腐蚀原理出发，在已有理论研究的基础上，对海工混凝土抗氯离子侵蚀措施进行了综述分析。氯离子侵蚀环境下钢筋混凝土结构的耐久性研究是一项非常复杂的课题，要切实解决混凝土结构的氯离子腐蚀问题，应在了解氯离子腐蚀机理的基础上，综合应用各种防护手段，并不断加强新技术和新材料的开发使用和对施工工艺的监控。