盐冻环境下混凝土结构耐久性提高措施研究

王 颖

(成都理工大学工程技术学院，四川 乐山 614000)



盐冻环境下混凝土结构耐久性提高措施研究

王 颖

(成都理工大学工程技术学院，四川 乐山 614000)

根据盐冻环境下的混凝土结构破坏机理，从增大混凝土强度、增加结构的保护层厚度、防水处理、加入引气剂等方面，提出了盐冻环境下提高混凝土结构耐久性的措施，使混凝土结构达到预期的使用寿命。

混凝土结构，盐冻环境，耐久性，寒冷地区

0 引言

日前，混凝土结构的耐久性已经成为影响结构使用年限的主要因素之一，由于结构耐久性问题引起结构破坏的例子比比皆是，构件未达到使用年限而破坏，将会给企业和社会带来巨大的经济损失。结构全寿命周期内的各个环节都存在混凝土的劣化问题，引起混凝土劣化的主要因素有：冻融作用，水渗透，氯离子侵入，钢筋锈蚀，碳化作用，硫酸盐侵入，碱—骨料反应等[1]。

混凝土的盐冻破坏主要发生在寒冷地区含盐环境，在这些地区中，由于混凝土受冻融破坏和盐类侵蚀的双重作用，使得结构破坏更加迅速，造成的损失更加严重。本文针对盐冻环境对影响混凝土结构耐久性的因素进行研究，进而提出提高结构耐盐冻环境的措施，可以为寒冷地区含盐环境下混凝土结构的施工、使用、维护等环节提供科学依据。

1 盐冻环境下的混凝土结构破坏机理

1.1 冻融破坏机理

有关混凝土结构的冻融破坏机理目前还没有一个统一定论，但是比较公认的有静水压理论、渗透理论、临界饱水程度理论和吸附水理论这四个理论观点。其中，静水压理论和渗透理论占主导地位。

静水压理论认为，低温环境下混凝土结构冻结按照以下过程进行：1)冻结初期，混凝土结构四周表面上的表层水先行冻结，将结构包围起来；2)冻结继续，冻结的表层水体积膨胀，将未结冰的水分压入结构内部；3)温度不断降低，未结冰水被结冰水挤压得越来越厉害，毛细孔内产生的压力越来越大，结构产生的拉应力也越来越大；4)毛细孔内的水压达到一定程度，结构内部产生的拉应力超过结构的抗拉强度极限，毛细孔破裂，结构受到破坏[2]。

渗透压理论认为：低温条件下，混凝土结构中的大孔及毛细孔中的溶液首先有部分冻结成冰，导致溶液的浓度变大，使得毛细孔和凝胶孔内的溶液之间存在浓度差，这种浓度差会造成由凝胶孔向毛细孔的扩散作用，形成渗透压，对混凝土结构造成破坏[2]。

1.2 盐类对钢筋侵蚀的机理

1)盐类在混凝土结构中的扩散过程。盐类一般是通过混凝土内部的孔隙和微裂缝体系从周围环境向混凝土内部传递的，盐类的传输过程是一个复杂的过程，涉及到许多机理，目前已经了解的盐类侵入混凝土的方式主要有[3]：a.毛细管吸收;b.渗透;c.扩散;d.电位化学迁移;e.湿度梯度；f.抽吸作用。

通常盐类的侵蚀是几种侵入方式的组合，而对应特定的条件，其中的一种侵入方式是主要的。

2)盐类对钢筋混凝土结构的侵蚀机理。由于氯离子的半径相对较小，电负性强，因而其吸附性和扩散穿透力强。目前，国内外学术界对氯离子引起钢筋锈蚀的机理仍有争议，主要的理论有以下三种：a.氧化膜理论：该理论认为金属表面的氧化膜起着钝化的作用，进而提供锈蚀保护。氯离子比其他离子更容易通过膜上的孔隙或缺陷穿过氧化膜，或者是氯离子使得膜胶体状分散，因而更容易产生侵蚀。b.吸附理论：该理论认为氯离子与溶解的氧气或氢氧根离子竞争，并被吸附到金属表面。氯离子的吸附力有助于金属离子的水化而加速金属离子的溶解。c.过度络合理论[4]：该理论认为氯离子对结构侵蚀分为三个过程：

氯离子和氢氧根离子与铁离子反应，生成FeCl2·4H2O，其反应式为:Fe2++2Cl-+4H2O→FeCl2·4H2O，FeCl2·4H2O由阳极向阴极迁移的过程中，分解为Fe(OH)2，同时释放出氢离子和氯离子，其反应式为: FeCl2·4H2O→Fe(OH)2+2Cl-+2H++2H2O;氢离子和氯离子重新回到阳极区，阳极区附近的孔隙液局部酸化，带出更多的铁离子。由上可知，在氯离子侵蚀反应过程中，氯离子只是中间产物，起到了催化的作用。目前，一般工程上主要使用氧化膜理论来进行解释。

1.3 盐类侵蚀和冻融循环共同作用机理

在含盐的寒冷地区，盐类与冻融循环同时存在，二者共同作用的机理分为两部分：

1)低温冻融会在结构内部形成细小的微裂缝，这些微裂缝构成了氯离子由外界进入结构内部的通道，随着冻融循环次数的增加，微裂缝的数目增多，氯离子进入结构内部更加迅速。当冻融循环造成结构表层脱落时，结构的强度会降低，钢筋暴露在环境中的几率越大，氯离子对钢筋的侵蚀越严重，这个破坏过程的化学反应式如下：

2NaCl+Ca(OH)2=2NaOH+CaCl2[5]

其中，Ca(OH)2参与的化学反应，会使得混凝土的孔隙率加大，氯离子更加容易地通过混凝土表面进入内部结构。

2)碱—骨料反应：与此同时，冻融反应产生的NaOH还会与混凝土中的活性集料在盐的协同作用下发生碱—骨料反应。 碱—骨料反应产生的膨胀性盐强度较低，与粗细集料固结较弱。这种反应会加剧混凝土表面剥蚀，降低结构的耐久性。

2 盐冻环境下提高混凝土结构耐久性的措施

由以上论点可以看出，盐冻环境下混凝土结构耐久性的提高可以同时从冻融和盐类侵蚀两个方面来考虑，主要是增大混凝土强度，增大结构的钢筋保护层厚度，做好防水处理，加入引气剂等。

2.1 增大混凝土强度

研究表明，相较于低强度混凝土，在盐冻环境下，高强度混凝土的受害程度将大大降低。主要是因为低强度混凝土之间的孔隙率大，氯离子容易侵入，而高强度混凝土之间的孔隙率较低，氯离子不易侵入，受到的盐冻破坏就小。因此使用高强度的混凝土，结构在盐冻环境下的钢筋锈蚀率将会减少，结构的耐久性会增加。

2.2 增加结构的保护层厚度

由氧化膜理论可知，钢筋锈蚀的条件是钢筋表面的氯离子浓度达到一定的条件，即大于使钢筋锈蚀的临界浓度。因此，在工程施工及使用过程中，只要结构内钢筋表面的氯离子浓度未达到钢筋锈蚀的临界浓度，则无论混凝土结构表面的氯离子浓度有多高，氯离子都不会破坏钢筋表面的钝化膜，从而进入内部侵蚀钢筋。因此增大混凝土结构的保护层厚度可以使氯离子更缓慢地到达钢筋表面，从而保持氯离子浓度在临界浓度以下，不能形成对钢筋的侵蚀，以此提高混凝土结构的耐久性。

2.3 做好防水处理

氯离子从混凝土的表层进入到钢筋表层，需要有水作为运输介质，而低温下的冻融破坏也跟结构的含水率有密切的联系。由此可知，在混凝土表面涂刷防水材料或憎水材料，会降低低温冻融的几率以及降低氯离子的侵蚀能力，从而增强结构的耐久性。

2.4 加入引气剂

由于引气剂是可以明显降低混凝土拌合水表面张力和表面能的憎水表面活性物质，因此，通过使用引气剂可以在结构内部产生气泡，这些气泡的特点是：大量、微小、稳定且封闭。如此，可以切断部分毛细管由表层向结构内部的通路，因而在混凝土表层水结冰膨胀产生压力时，起了一定的缓冲减压作用，防止结构由于过大压力遭到破坏。因此，在混凝土中加入引气剂，使结构内部具有足够的含气量，可以提高混凝土结构的抗冻耐久性，减少盐冻环境下的结构破坏。

[1] 刘 辉.提高高寒盐渍土地区混凝土耐久性的措施及对策研究[J].甘肃科技,2015，31(7)：110.

[2] 王 伟.基于可靠度的盐冻环境下结构混凝土耐久性评估与提升技术分析[D].长沙：东南大学硕士学位论文,2013.

[3] 冯良勇.盐冻环境下混凝土提高耐久性的措施[J].北方交通,2014(4)：37.

[4] 朱蓓蓉,杨全兵,黄士元.除冰盐对混凝土化学侵蚀机理研究[J].低温建筑技术,2000(1):3-6.

[5] 杨全兵.混凝土盐冻破坏机理(Ⅱ)：冻融饱水度和结冰压[J].建筑材料学报,2012，15(6)：741-746.

Study on measures of improving concrete structure durability under salt-freezing environment

Wang Ying

(CollegeofEngineeringTechnology,ChengduUniversityofTechnology,Leshan614000,China)

According to the concrete structure damage mechanism under salt-freezing environment, starting from aspects of enlarging concrete strength, increasing structural protection layer thickness, waterproofing treatment and adding air-entraining agent, the paper puts forward measures of improving concrete structure durability under salt-freezing environment, so as to achieve expected service life of concrete structure.

concrete structure, salt-freezing environment, durability, cold region

1009-6825(2016)24-0126-02

2016-06-10

王 颖(1985- )，女，硕士，助教

TU528

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