浅析氯盐侵蚀对混凝土结构的影响

刘灿

【摘 要】氯盐侵蚀是引起钢筋锈蚀的主要原因，直接影响混凝土结构耐久性。本文基于氯离子侵蚀混凝土机理，讨论了氯盐腐蚀环境混凝土寿命预测模型的进展及主要钢筋腐蚀防护措施，简析了几种措施的优缺点。

【关键词】氯盐侵蚀；钢筋锈蚀；混凝土结构

【Abstract】Chloride corrosion is the main cause of corrosion of steel bars，which directly affects the durability of concrete structures.Based on the mechanism of chloride ion erosion，this paper discusses the progress of the concrete life prediction model in the chloride salt corrosion environment and the main protection measures to steel corrosion，analyzing the advantages and disadvantages of these measures.

【Key words】Chloride corrosion；Steel corrosion；Concrete structures

0 前言

近年来，世界各国因混凝土结构耐久性性能劣化或失效承受的经济损失巨大，因此混凝土耐久性问题在世界工程界受到广泛重视。综合大量工程实例发现，钢筋锈蚀对混凝土结构耐久性的影响最大，而氯盐侵蚀是引起钢筋锈蚀的核心原因[1]，故本文拟基于氯离子侵蚀机理，浅述氯盐环境下混凝土寿命预测模型的进展以及钢筋锈蚀防护措施。

混凝土中的氯盐主要来源于拌制混凝土的原材料及外部环境[2]，例如混凝土拌合时掺入了含氯化物的减水剂、使用了海水或海砂，混凝土结构物地处盐碱地区或表面使用了除冰盐等都能够使混凝土结构物内部氯盐浓度过高，且研究表明氯盐重量达到混凝土重量的0.1%至0.2%时就很可能引起钢筋锈蚀[3]，进而破坏混凝土结构。

1 氯离子侵蚀机理

氯离子主要通过扩散、渗透、毛细吸附等方式侵蚀混凝土。在不同环境下，氯离子侵蚀方式可能不同：混凝土孔隙饱和度低时以毛细吸收作用为主；混凝土孔隙饱和时以常温扩散作用为主；高压环境下以渗透作用为主。一般情况下，三种侵入方式可以同时存在，但以扩散作用为主[4]。

氯离子引起钢筋锈蚀的过程主要分为3个阶段：

1）钝化膜破坏。混凝土钢筋表面的钝化膜必须在强碱条件下（PH？叟12.6）才能稳定存在，研究表明，PH<11.5时，钝化膜趋于不稳定，而当PH<9.88时，钝化膜开始破坏。当氯离子局部吸附于某处钝化膜时，可使此处钝化膜迅速酸化，有微观实验表明，氯离子的局部酸化作用能使钢筋表面PH值降至4以下[5]。此时钝化膜破坏后露出的铁基体与钝化膜完好区域之间构成电位差，并以潮湿气体作为电解质，形成腐蚀电池；

2）腐蚀发展。腐蚀电池的铁基体发生阳极反应生成Fe2+，但氯离子与二价铁离子结合生成二氯化铁，可降低铁离子浓度从而促进阳极反应，FeCl2在混凝土中与OH-生成Fe（OH）2沉淀，最终氧化生成Fe（OH）3即铁锈。由于铁锈膨胀（约为原体积的2-6倍），将在混凝土表层产生环向拉应力，当此拉应力超过混凝土抗拉极限时混凝土开裂。

3）结构失效。由于混凝土开裂，钢筋表面更容易积聚氯离子和氧气，钢筋锈蚀大面积发展，裂缝不断增多加宽直至结构失效。

2 氯盐环境下混凝土寿命预测模型

氯离子侵蚀是引起钢筋锈蚀的最重要因素，钢筋锈蚀对混凝土结构寿命的影响最为显著[1]，简而言之，氯离子侵蚀与混凝土结构寿命的关系极为密切。

一般情况下，氯离子引起钢筋锈蚀的钝化膜破坏期又称腐蚀诱导期，其耗时最长且取决于氯离子在混凝土中的扩散规律，直接决定钢筋混凝土的使用寿命。因此到目前为止，大部分研究集中在氯离子在混凝土中的扩散规律上，所建立的理论模型也多数基于Fick定律且直接预测混凝土服役寿命（截至钝化膜破坏时的寿命）[6]。

事实上，扩散过程中氯离子将与水泥水化产物作用，氯离子扩散系数也可随温度、湿度、裂缝等发生变化，因此国内外不少学者基于Fick第二定律提出修正模型。20世纪90年代Mangat[8]和Maage[9]考虑了时间对氯离子扩散系数的影响、Amey等[10]考虑了混凝土表面的氯离子浓度是时间的函数并以此改变Fick扩散方程的边界条件、2002年Kassir等[11]根据实验得到了混凝土表面氯离子浓度与时间的指数关系、Mejbro等考虑了氯离子扩散系数与时间、环境、养护条件及胶凝材料有关对Fick原始扩散模型（如式（2）所示）进行改进[12]。

国内，赵铁军等[13]考虑氯离子扩散系数与时间、水灰比、外加剂的关系，以及近海工程结构氯离子表面浓度变化带来的影响，建立新的氯离子扩散模型；余红发等[14]综合考虑了氯离子与水泥水化产物结合、氯离子扩散系数的时间依赖性、结构微裂缝等提出了修正模型。

3 氯盐侵蚀防护措施

研究混凝土结构氯盐腐蚀机理，一方面，可以预测在役混凝土结构的剩余寿命，另一方面，有助于制定措施预防混凝土结构受氯盐侵蚀。具体防护措施有：

1）严格控制原材料（拌合用水、砂子、外加剂等）中氯离子含量。例如我国相关规程规定，钢筋混凝土用海砂的氯离子含量应低于0.06%，必要时须掺加鋼筋阻锈剂[15]，钢筋阻锈剂能降低钢筋的活化性能，甚至能减小氯离子扩散系数，能阻止或减缓钢筋腐蚀，但阻锈效果取决于产品质量。

2）在钢筋或混凝土表面使用无机或有机涂层（有机涂层以环氧类为佳）。在混凝土表面采用表面涂层，可以隔离混凝土与氯离子的接触，常用的有水泥砂浆涂料、水泥基渗透结晶型涂料、硅烷浸渍剂、聚脲材料、氟碳树脂等[16]，不同的涂料具有不同的功能特点，需合理选用，否则反而造成结构危害。

3）电化学方法直接控制钢筋电化学腐蚀过程。电化学的阴极保护方法分为牺牲阳极法和外加电流法两类：牺牲阳极法即在铁基体上镀锌或铝等活泼金属，此时锌或铝作为阳极被消耗，钢筋受到保护，这种方法不需辅助电源，实施简便，但消耗阳极材料多，使用寿命短；外加电流法，即将外加电源的负极与钢筋相接，正极与某种耐腐蚀金属相接，此时钢筋所在阴极碱性提高，更易形成鈍化膜，同时阳极吸引氯离子，钢筋周围氯离子含量降低，可见外加电流法对钢筋的保护作用显著，故应用广泛，但是其较牺牲阳极法施工更为复杂，且需定期维护。

4 结语

1）氯盐侵入混凝土，大多数情况仍以扩散作用为主，氯盐腐蚀钢筋主要分为腐蚀诱导、腐蚀发展、结构失效三个阶段，其中腐蚀诱导期内存在一个氯离子浓度临界值，刚好引起钢筋钝化膜破坏，此为钢筋混凝土结构服役寿命的终点。

2）氯离子引起钢筋锈蚀的腐蚀诱导阶段，对混凝土结构的寿命起决定性作用，引起钝化膜破坏的临界氯离子浓度越高，混凝土结构的服役寿命也就越长。

3）氯盐腐蚀的防护措施主要有控制原材料氯离子含量、在钢筋或混凝土表面使用无机或有机涂层、电化学法直接控制钢筋电化学腐蚀过程三类，事实上，现实工程环境十分复杂，往往需要结合施工特点综合选用多种防护措施，方能均衡利弊，最大程度预防钢筋锈蚀，增长钢筋混凝土结构服役寿命。

【参考文献】

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[3]龚洛书，柳春圃.混凝土的耐久性及其防护修补[M].北京：中国建筑工业出版社，1990.

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[16]程兆俊，宋丹，江静华，等.混凝土中钢筋腐蚀与防护研究进展[J].热加工工艺，2016，45（6）：14-19.

[责任编辑：田吉捷]