基于氯离子侵蚀对钢筋混凝土的研究

黄锦鸾

【摘 要】氯离子引起的钢筋锈蚀，是影响钢筋混凝土结构耐久性最主要的因素。本文论述混凝土中氯离子的来源、侵蚀机理及其对混凝土的碳化影响等，提出了预防氯离子侵蚀的主要技术措施。

【关键词】钢筋混凝土；氯离子侵蚀；混凝土碳化

1 混凝土中氯离子来源

1.1 砂子中的氯离子

众所周知，在天然砂中，特别是天然海砂中，因为海水中氯离子含量较高，使得海砂的表面吸附的氯离子也比较多，导致海砂中氯离子的含量较大，如果不加处理用在混凝土中，将会使混凝土中的氯离子含量增多。国家建设部为规范建筑用砂，曾于2004 年出台《关于严格建筑用海砂管理的意见》143 号文件，明确指出：建筑工程中采用的海砂必须是经过专门处理的淡化海砂。公共建筑或者高层建筑不宜采用海砂。钢筋混凝土抹灰面层不得采用未处理的海砂作砂浆。《海砂混凝土应用技术规范》 JGJ 206-2010对海砂质量提出要求：水溶性氯离子含量不应大于0.03%；且海砂不得用于预应力混凝土。海砂没有经过淡水淡化处理就用于混凝土原材料，易造成钢筋腐蚀变形，严重者甚至导致楼房倒塌。尽管国家三令五申，但在利益的驱使下，仍有一些企业将未淡化处理的海砂用于混凝土生产。

1.2 外加剂中的氯离子

在混凝土外加剂中，特别是早强剂、防冻剂、防水剂这类外加剂，它们都含有以氯盐为早强防冻防水的组分。使用这些外加剂时，如果只考虑混凝土的使用功能，而不严格控制掺量，就可能致使混凝土中氯离子含量超标。标准《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55- 2011 已正式实施，其中“6.2 配合比的调整与确定”规定：配合比调整后，应测定拌合物水溶性氯离子含量，试验结果应符合表1 的规定：

表1 混凝土拌合物中水溶性氯离子最大含量

表1 中氯离子含量是相对混凝土中水泥用量百分比，与控制氯离子相对混凝土中胶凝材料用量的百分比相比，偏于安全。对耐久性有設计要求的混凝土应进行相关耐久性试验验证。

由此可见，为了向资源集约型社会转变，我国已经将耐久性、可靠性作为现阶段工程建设最主要的目标之一来发展。

2 氯离子侵蚀对混凝土碳化的影响

混凝土的碳化是混凝土所受到的一种化学腐蚀。空气中CO2 气渗透到混凝土内，与其碱性物质起化学反应后生成碳酸盐和水，使混凝土碱度降低的过程称为混凝土碳化，又称作中性化。

混凝土中含有氯盐时， 约占水泥质量0.4%的氯离子与C3A 反应生成Friedel 盐低氯型水化氯铝酸钙。它在混凝土中是不稳定的， 当CO2 通过扩散作用到达混凝土内部与Friedel盐反应时生成氯盐并溶解于孔溶液中，其反应式如下：C3A+2Cl-+Ca（OH）2+10H2O →C3A·CaCl2·10H2O+2OHC3A·CaCl2·10H2O+3CO2→3CaCO3+2Al（OH）3+CaCl2+7H2O由反应式可以看出， 一定氯离子含量范围内单位水泥用量越多，砂浆孔溶液OH- 浓度越高。碳化前Friedel 盐均匀分布于砂浆内部， 当CO2扩散到混凝土表面发生碳化反应时，Friedel 盐分解后产生氯离子溶解于孔溶液中通过浓度扩散作用迁移到未碳化区，并在该区域重新形Friedel 盐，CO2扩散到该区域发生碳化作用时又发生分解作用。这样随着碳化和盐生成的循环过程，碳化锋面逐渐向混凝土内部发展。与C3A 矿物相结合的氯离子范围内，除冰盐混凝土表面聚积的含量越高，孔溶液OH- 浓度增加，从而加剧了混凝土碳化的速度。而碳化后使混凝土的碱度降低，当碳化超过混凝土的保护层时，在水与空气存在的条件下，就会使混凝土失去对钢筋的保护作用，钢筋开始锈蚀。

3 预防氯离子侵蚀的技术措施

工程实践证明， 减小混凝土水灰比， 增加混凝土密实性，掺加微细矿物成分以及增加保护层厚度等都能延长混凝土结构的使用寿命。

3.1 控制原材料带入氯离子的含量

由于混凝土内部是高碱环境， 掺入只有达到一定浓度，钢筋才会腐蚀。因此， 应尽量减少混凝土中的Cl- 的含量。

3.2 控制混凝土的湿度

混凝土结构暴露于氯盐环境中， 并且受到干湿条件的影响， 防止锈蚀的能力则取决于覆盖层的厚度和混凝土的渗透性。在湿饱和条件下， 氧气在液体中扩散速率很慢，钢筋也很少受到锈蚀作用。而在半干状态的混凝土中气态的氧气扩散迅速， 因而钢筋易于受到腐蚀。通过精心设计和高质量施工来最大限度地利用水泥混凝土提供的保护作用， 提高混凝土的渗透性等性能来减轻氯离子的侵害。

3.3 采用表面处理方法

为了防止锈蚀， 钢筋材料可以采用表面涂层处理， 如采用更容易锈蚀的金属锌和镉做涂层。

3.4 掺入阻锈剂

钢筋阻锈剂可以消除海砂中氯盐对钢筋的腐蚀作用。阻锈剂的掺入可以保护或延缓钢筋的锈蚀。阻锈剂不是阻止环境中的Cl- 进入混凝土中，而是当不可避免的进入混凝土后利用其阻锈作用，使Cl- 丧失或减少其腐蚀能力，使钢筋腐蚀的电化学过程受到抑制，有效地阻碍或防止金属与环境发生反应，从而延缓了腐蚀的进程，使混凝土延长了使用寿命。亚硝酸钠用于防止混凝土中钢筋的点腐蚀，也曾被认为是良好的阻锈剂，但NaNO2 对混凝土的凝结时间、早期强度和后期强度都有不同程度的负面影响，而且它是阳极型阻锈剂，用量不足反而会促进钢筋局部腐蚀，加上亚硝酸钠有毒，因而不能得到广泛的应用。亚硝酸钙是目前世界上使用最广的缓蚀剂。

3.5 电化学保护

电化学保护是根据电化学腐蚀原理，依靠外部电流的流入改变金属的电位，从而降低金属腐蚀速度的一种材料保护技术。钢筋混凝土结构的电化学保护包括阴极保护和电化学处理。阴极保护能直接抑制钢筋自身的电化学腐蚀过程，尤其适用于易受碳化和氯化物污染的混凝土中钢筋的保护，是目前保护混凝土中钢筋最有效且经济的方法之一。阴极保护法可分为牺牲阳极保护法和外加电流阴极保护法。前者是采用比钢电更负的铝合金等作为阳极与钢筋电连接，靠自身的腐蚀提供自由电子实现对钢筋的保护；后者则是以直流电源的负极与被保护的钢筋连接，正极与难溶性的辅助阳极相接，提供保护电流使钢筋发生阴极极化而受到保护。牺牲阳极保护法阳极材料的估计寿命较短，一般不用于新混凝土结构，且阳极提供的电流限，只能保护阳极附近较小范围的钢筋，因而该方法不大适用于暴露于大气中的钢筋混凝土结构。外加电流阴极保护法的应用较广泛，发展较迅速，近10年已应用于新的钢筋混凝土结构。目前，阴极保护法的研究主要致力于开发新的优质阳极材料。电化学处理与外加电流阴极保护法相似，也是以钢筋为阴极，通以低压直流电流达到保护钢筋的目的。其区别在于电化学处理是在短期内施加大的阴极电流密度，使钢筋表面发生电极反应产生OH-，提高钢筋附近混凝土孔隙液的pH 值，同时，靠离子迁移排走钢筋周围的Cl-，使其浓度低于临界值。因此，电化学处理可用于碳化混凝土和氯化物污染引起钢筋腐蚀的场合。该技术可以无损地恢复钢筋钝态，其经济和社会效益显著。