混凝土结构在氯盐环境中的腐蚀问题及对策分析

田冠飞

（中国建筑科学研究院，北京 100013）

混凝土结构在氯盐环境中的腐蚀问题及对策分析

田冠飞

（中国建筑科学研究院，北京 100013）

钢筋锈蚀导致的耐久性不足是混凝土结构劣化破坏的主要因素之一，其中由于氯盐侵蚀导致混凝土中钢筋锈蚀问题普遍存在且日趋严重。非常有必要对该破坏机理分析并提出有效对策，这对于提高混凝土结构耐久性寿命至关重要。

混凝土结构；氯离子；腐蚀；耐久性

0　概述

混凝土结构仍然是 21 世纪最主要的工程结构形式之一[1]。但是，除工程事故和偶然灾害原因外，大量的钢筋混凝土结构由于各种各样的耐久性原因而提前失效，达不到预定的服役年限[2]。随着混凝土结构的更广泛应用，其使用环境日益多样化，工业污染日益加剧，受环境侵蚀的危害性也日益增加，混凝土结构的耐久性成为困扰土建基础设施工程的世界性问题[3，4]。

不同混凝土结构所处的环境条件不同，对结构耐久性起主导作用的因素也不同。例如，工业建筑中，腐蚀性化学介质直接或间接的侵蚀作用是主要因素；海岸及近海工程中，氯盐及硫酸盐的侵蚀则是决定性因素；道路桥梁结构耐久性恶化的主要动因是磨损和用除冰盐；而一般建筑结构则主要是混凝土碳化、开裂等引起结构中钢筋腐蚀而造成的；此外，还有冻融破坏、土壤侵蚀、杂散电流等物理化学侵蚀。

国内外统计表明，混凝土结构的耐久性病害导致的损失是巨大的，而且耐久性问题会越来越严重[5]。美国混凝土基建工程总价为 6 万亿美元，但今后每年用于维修和重建的费用高达 3 千亿美元[6]。1988 年美国材料顾问委员会提交的报告报道，大约 253000 座混凝土桥梁的桥面板，其中部分仅使用不到 20 年，就已经不同程度的破坏，而且每年还将增加35000 座[7，8]。英格兰中部环形快车道上 11 座混凝土高架桥，最初建造费 2800 万英镑，到 1989 年因为维修而耗资 4500万英镑，是造价的 1.6 倍，估计以后 15 年还要耗资 1.2 亿英镑，累计接近最初造价的 6 倍，结构耐久性造成的损失大大超过了人们的估计[5]。许多海湾国家沿海地区建筑遭受腐蚀破坏迅速，混凝土结构服役寿命一般都非常短[5，6，9]。

我国的混凝土结构耐久性问题同样十分严重。据 1986 年国家统计局和建设部普查统计[10]，当时有城镇房屋约 46.8 亿平米，由于建筑标准低、施工质量差，导致劣化速度快，估计半数需要分期分批进行鉴定、修缮或加固，其中有 10～12亿平米急待加固改造才能正常使用。据 1995 年统计[11]，当时在役的 60 亿平米城镇民用建筑中，有 30 亿平米需要加固，其中 10 亿平米急需修缮处理。据 2000 年全国公路普查，截止 2000 年底，公路危桥 9597 座，达 323451 延米。公路桥梁每年实际需要维修费 38 亿元。全国铁路桥梁中，据 1994 年铁路秋季检查统计，当时有 6137 座存在不同程度劣化损害，占当年铁路桥梁总数约 33600 座的 18.8%，所需修补加固的费用约 4 亿元。到 2002 年底，铁路桥梁总数约 4 万多座，其中混凝土桥梁约占 93%，有碱骨料反应现象的 3 千多万孔，占 2.5%；碳化深度在 20mm 以上的约 5 千多孔。

1　混凝土结构的钢筋腐蚀问题

钢筋腐蚀引起混凝土结构的过早破坏，已成为全世界普遍关注并日益突出的一大灾害。据报导[12]，由于各种腐蚀（包括基础设施工程、生产设备、交通运输工具等）每年带来的直接、间接损失在美国约占 GDP 的 4.9%（1976 年）和 4.2%（1996 年），英国 30 年来的腐蚀损失平均占 GDP的 3.5%，澳大利亚占 GDP 的 4.2%，而波兰更占 GDP 的6%～10%，为西方国家的两倍。在这一腐蚀损失中，土建基础设施工程的劣化损坏占有较大比例，有可能到 40%，其中主要是钢筋混凝土结构的腐蚀。如美国标准局 1975 年的调查表明，美国全年各种腐蚀的损失为 700 亿美元，1985 年达1680 亿美元，其中混凝土中钢筋腐蚀损失占 40%。由于广泛使用除冰盐，造成过早破坏，1989 年美国交通部门的一份报告估计，由撒除冰盐和海水侵蚀引起的州间高速公路桥梁的钢筋腐蚀破坏事件，经济损失累计高达 1500 亿美元。钢筋混凝土结构是建筑结构的主体，钢筋腐蚀是导致混凝土结构破坏的主要原因，按美国的统计，在所有结构破坏中，钢筋腐蚀破坏可占到 55%。例如美国上世纪 30 年代建造的 Alsea海湾上的多拱大桥，因混凝土水灰比太大，钢筋广泛严重腐蚀，引起结构破坏，采取多次局部修补，最后不得不拆除更换。旧金山海湾第一座跨海湾的 San MateoHayward 大桥、Hood 航道桥东半部以及瑞典的 Oland 桥也出现了类似情况。德国柏林议会大厦预应力混凝土屋顶倒塌是析氢的应力腐蚀破裂所致。又如 1986 年日本运输省检查 103 座混凝土海港码头，发现所有超过 20 年历史的，都有相当大的顺筋锈裂，需要修补。日本目前每年用于房屋结构维修费用达到 400 亿日元，大约有 21.4% 的混凝土结构损坏是因钢筋腐蚀引起的。引以为傲的新干线使用不到 10 年，就出现大面积混凝土开裂、剥蚀现象。

我国近年对水工结构、港工结构、铁路桥梁、公路桥梁、建筑结构的大量基础设施工程调查也显示了混凝土结构由于钢筋腐蚀造成的耐久性问题的严重性[13]。南京水科院吴绍章等于 1965～1968 年对华南、华东 27 座海港码头进行调查，结果显示因钢筋腐蚀而破坏或预计使用 40 年后必须大修的码头占 74%。1985 年安徽省对 14 座水工混凝土建筑物进行的腐蚀破坏调查显示，几乎全都不同程度地发生混凝土碳化和钢筋腐蚀破坏。1985 年，对全国 40 余处中小型钢筋混凝土水闸结构耐久性调查也表明由于混凝土碳化引起钢筋腐蚀使闸墩、胸墙、大梁破坏的工程占 47.5%。江苏水科所许冠绍等对华东 84 座沿海混凝土挡潮闸进行了调查，钢筋严重腐蚀需要维修或大修的为 71 座。其中有些挡潮闸胸墙、启闭桥大梁已经锈断。人民大会堂 1959 年建成，20 世纪 80 年代曾部分小修，1994、1995 年大修，以梁柱为主钢筋腐蚀严重，原因是建造初期曾加氯盐作为防冻剂。我国建筑与基础设施腐蚀有其自身特点，工业建筑、海工工程腐蚀严重且量大面广；公路桥、城市立交桥等，新建的占多数，暂时的腐蚀损失较国外少，但潜在的威胁大。有关专家呼吁，要像关注环境保护、减灾和医学一样关注腐蚀问题，在大规模经济建设的高潮时期，特别关注基础设施的腐蚀与防护[14]。由此可见，钢筋腐蚀导致的混凝土结构耐久性损伤问题不容忽视。图 1 为一些钢筋腐蚀导致混凝土结构耐久性损伤破坏的工程实例。

图1　钢筋腐蚀导致混凝土结构耐久性破坏的工程实例

2　氯盐环境中混凝土结构的钢筋腐蚀

引起混凝土结构中钢筋腐蚀的原因主要有两个[15]：一个是由于氯离子的侵蚀引发的钢筋局部去钝化反应；另外一个是水泥浆本体与空气中的二氧化碳反应生成的孔隙溶液中的酸化导致的钢筋整体性去钝化。氯盐环境中 RC 结构遭受钢筋腐蚀导致的失效破坏是最为普遍和广泛的。

3　氯盐环境中混凝土结构的钢筋腐蚀

引起混凝土结构中钢筋腐蚀的原因主要有两个[15]：一个是由于氯离子的侵蚀引发的钢筋局部去钝化反应；另外一个是水泥浆本体与空气中的二氧化碳反应生成的孔隙溶液中的酸化导致的钢筋整体性去钝化。氯盐环境中 RC 结构遭受钢筋腐蚀导致的失效破坏是最为普遍和广泛的。

3.1氯离子的存在环境

氯盐是广泛存在的，也是对混凝土中的钢筋腐蚀的元凶[16]。主要有以下几个来源：

（1）海洋环境。海水含盐量一般在 3% 左右，主要是氯盐，以 Cl-计，海水中的含量约为 19000mg/L，是天然的强电解质。为方便起见，通常将海洋腐蚀环境按垂向划分为 5 个区带：海洋大气区、浪花飞溅区、潮差区、海水全浸区以及海底泥土区。水平向划分：有关国家对于海洋环境、海风、海雾的影响，按临海距离进行了分级：0～100m 为严重腐蚀；100～1000m 为腐蚀；1000～10000m 为轻腐蚀；＞10000m，腐蚀可忽略。

（2）道路除冰盐。公路、高速公路是经济命脉，为保证交通畅行，冬季向道路、桥梁、城市立交桥等撒盐或盐水，引起钢筋腐蚀破坏。这是人为造成的氯盐环境的腐蚀破坏。例如北京每年冬天撒 1000～2000t 氯盐。拆除、改造的西直门立交桥（使用不到 20 年），钢筋腐蚀破坏严重，已经可以验证使用除冰盐的危害。

（3）盐湖、盐碱地。我国有一定数量的盐湖和大面积的盐碱地，大体可分为沿海和内陆两种类型。沿海地区的盐碱地多以含氯盐为主，内陆盐碱地，有的以含氯盐为主（如青海），有的以含硫酸盐为主，多数情况是含混合盐。这些地域钢筋混凝土结构可受很强的腐蚀。另一个突出的特点，我国的盐湖、盐碱地盛产石油和其它矿产，是资源开发利用宝地，特别是西部大开发过程中，对盐腐蚀问题应高度重视和妥善解决。

（4）工业环境等。工业环境十分复杂，就腐蚀介质而言，有酸、碱、盐等，并有液、汽、固态等不同形式。其中以氯盐、氯气、氯化氢等为主的腐蚀环境不在少数，处在此类环境中的钢筋混凝土结构，其腐蚀破坏往往是迅速而又严重的。

3.2氯离子侵蚀导致混凝土结构钢筋腐蚀问题的严重性

由于氯离子存在的广泛性和破坏的严重性，它是导致混凝土中钢筋腐蚀的最主要因素。沿海及近海地区的混凝土结构，由于海洋环境对混凝土的腐蚀，导致钢筋腐蚀而使结构发生早期损坏，丧失了结构的耐久性，已成为实际工程中的重要问题。近 20～30 年来，由于使用除冰盐，扩大海工工程，扩大原材料范围，在严酷条件下使用混凝土等，更增添了破坏因素。处于盐碱地的基础设施近年也出现了很多氯盐侵蚀导致混凝土结构中钢筋腐蚀问题。同样的问题也发生在一些氯盐环境的工业建筑、车库等。

交通部有关单位针对我国沿海港口工程混凝土结构破坏状况组织过多次调查[17]。由交通部四航局科研所主持、南科院等单位参加的华南地区 18 座码头调查的结果指出，80%以上都发生了严重或较严重钢筋腐蚀破坏，出现腐蚀破坏的时间有的仅 5～10 年。随后有关单位对华东地区、北方地区沿海码头调查也得出类似结果。如连云港杂货一、二码头于1976 年建成，1980 年就发现有裂缝和腐蚀，1985 年其上部结构已普遍出现顺筋裂缝；1980 年建成的宁波北仓港 10 万吨级矿石码头，使用不到 10 年其上部结构就发现严重的腐蚀损坏；天津港客运码头 1979 年建成，使用不到 10 年，就发现前承台面板有 50% 左右出现腐蚀损坏。导致构件开裂破坏情况十分严重。其原因除了施工质量存在一定问题外，另一主要原因是当时对氯离子侵入引发钢筋腐蚀的严重性认识不足。我国台湾重修澎湖大桥和不断发生的“海砂屋”事件，也是氯盐腐蚀造成的。国内最早发现除冰盐破坏在上世纪 90年代初在哈大公路上，继而在北京市立交桥、黑龙江省哈绥公路。1989 年投资 3000 万元建成的青海某盐厂，由于处于盐碱地又生产盐，厂房严重腐蚀，6 年后停产。

所以，来自海洋环境、除冰盐环境、盐碱地和一些工业环境的氯盐污染引起的钢筋腐蚀，是严重威胁混凝土结构耐久性最主要和最普遍的病害，造成了巨大的直接和间接的损失。必须引起高度重视。

3.3混凝土中钢筋腐蚀破坏过程

混凝土中钢筋腐蚀会造成 RC 梁耐久性的降低：一方面，由于腐蚀产生的铁锈是原来钢筋体积的 2 倍以上，它会引发拉伸应力的体积膨胀，并最终导致混凝土保护层的开裂和剥落。混凝土保护层的损失可造成结构承载能力的显著下降，除此以外，更容易使有害因子的侵入，引发钢筋以更快的速度腐蚀；另一方面，钢筋腐蚀减小了钢筋的横截面积，从而减小了结构的承载能力，同时降低粘结强度。其中局部坑蚀比整体性的均匀腐蚀更为严重，这是因为它在某个点上逐渐地减小横截面积，致使在那一点上不能再承受荷载从而造成结构的灾难性坍塌。

氯离子引起的混凝土结构破坏过程一般分为两个阶段，如图 2 所示：（1）初始阶段，氯离子透过混凝土保护层，不断在钢筋表面积聚，当其浓度超过临界值后，钢筋开始腐蚀；（2）钢筋腐蚀发展阶段，钢筋开始腐蚀后，腐蚀产物膨胀积聚，会使保护层开裂，一旦出现裂缝，腐蚀速度加快，导致钢筋截面不断减小及强度降低，同时伴有混凝土保护层剥落的现象。

图2　氯离子侵蚀环境下混凝土结构的损伤破坏过程

混凝土内钢筋腐蚀破坏过程模型的研究涉及到腐蚀速度、钢筋腐蚀量模型、裂缝对腐蚀速度的影响，以及其它因素对腐蚀速度的影响。

3.4氯离子侵蚀导致混凝土中钢筋腐蚀的机理研究

氯离子进入混凝土有两个来源：一种是在搅拌、浇注时掺入的，如加入氯化钙、氯化钠等氯化物速凝剂、早强剂及抗冻剂；用海水进行混凝土搅拌混料或用未经清洗或未经充分清洗的海捞砂作骨料时进入的海盐。另一种是在凝结硬化后由外界通过扩散渗入的，如处于海洋环境的混凝土结构；北方冬季在公路桥面上喷撒除冰盐等。

混凝土中的钢筋腐蚀属于电化学腐蚀，氯化物侵入使钢筋表面局部去钝化成为阳极区，在那里发生阳极反应，即钢筋腐蚀（钢离子化，溶于混凝土孔隙液），同时放出自由电子；而仍然钝化的钢筋其余表面，则成为阴极区，与上述阳极区构成腐蚀电池。阴极区接受来自阳极区的自由电子，进行阴极反应，使上述阳极反应（钢筋腐蚀)）得以继续进行。

图3　钢筋腐蚀电化学原理示意图

如图 3 所示，氯盐侵蚀诱发混凝土中钢筋的腐蚀是一个复杂的电化学过程。氯离子侵入混凝土腐蚀钢筋的机理[18]可以简单描述为：（1）破坏钝化膜——（2）形成“活化-钝化”腐蚀电池——（3）去极化作用——（4）导电作用。化学方程式表示为：

阳极反应：

阴极反应：

阳极二次：富氧条件：

可见氯离子是极强的阳极活化剂，在电化学反应中不构成腐蚀产物，也不消耗，可作为促进腐蚀的中间产物，对混凝土中钢筋腐蚀起到反复催化作用[6]。

4　对策分析

（1）继续深入理论研究。充分研究氯离子对混凝土结构的腐蚀破坏机理，建立准确、有效、合理的氯离子在混凝土中的迁移及腐蚀破坏模型，结合随机概率方法和计算机模拟技术预测混凝土结构的正常使用年限。

（2）提高并规范混凝土耐久性设计规范水平和指标，设计人员在进行氯盐环境中新建混凝土结构进行设计时，充分考虑并兼顾到材料、结构、环境、使用条件等因素。

（3）提高氯盐环境中混凝土结构的保护层设计厚度。在混凝土结构设计阶段，依据环境特点和混凝土性能，充分考虑混凝土保护层的厚度，以保证混凝土的有效使用寿命。对于混凝土配合比设计，除了强度、弹性模量、碳化指标等基本性能之外，主要考虑混凝土的密实度，密实度的检测和评价可采用电通量法或氯离子扩散系数法。

（4）加强混凝土的生产和施工管理水平。混凝土的生产和施工是确保混凝土结构质量和性能的重要保障。在混凝土浇注前应采用先进的手段，比如水胶比测定仪、氯离子含量测定仪等，检测控制混凝土拌合物的水胶比、氯离子含量等重要指标，防患于未然，事先控制的成本较之事后不达标拆除加固的代价几乎是可以忽略的。

（5）对于处于氯盐侵蚀环境中的混凝土构筑物，采取有效的防护措施。如外涂防护技术、阴极保护技术等。对于已经遭受氯离子侵蚀的重要混凝土结构部位，甚至可以采用电除盐的方法。

（6）在混凝土的正常使用过程中，应根据结构设计参数、验收实测指标、使用条件和环境条件等因素，制定有计划的检测评定方案，并采用合理有效的维护措施。

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［通讯地址］北京市北三环东路 30 号（100013）

The overview and analysis of corrosion for concrete structure under chloride ingression

Tian Guanfei
(China Academy of Building Research, Beijing 100013)

Durability deficiency of RC structures caused by steel corrosions is one of the most important factors for its degradation, among which induced by chlorides penetration is common and becoming more and more serious. Therefore, it’s crucial for level-up RC structure’s durability to analyze the failure mechanism and putting forward the countermeasure.

concrete structure; chloride; corrosion; durability

田冠飞，男，工学博士，研究方向为混凝土的耐久性测试技术与可靠性分析计算。