近海工程混凝土耐久性探究
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【摘要】钢筋锈蚀是海洋环境下混凝土结构破坏的主要原因之一。钢筋锈蚀主要来源于氯离子入侵混凝土。本文阐述了氯化物对混凝土的破坏机理以及一些试验方法，总结出一些提高混凝土耐久性的措施。
【关键字】混凝土；耐久性；氯化物
1 氯化物侵蚀的破坏机理
1.1 混凝土中氯离子的来源
氯离子侵入混凝土通常有两种途径: 一种是“掺入”,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,比如使用含氯离子的外加剂、施工过程中使用海砂和海水等；另一种是“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。“掺入”大都是人为造成的,可以通过提高施工管理水平与制定相关规范措施加以约束,减少掺入的氯含量；而“渗入”则是综合的技术问题,与混凝土材料特性、工程质量、氯离子环境等多种因素有关。“渗入”是氯离子进入混凝土的主要途径。
1.2 氯离子侵入方式
沿海混凝土结构处于含有氯盐的海水、盐土或空气环境中,氯离子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。氯离子的传输过程是一个复杂的过程,涉及到许多机理,目前,已经了解的氯离子侵入混凝土的方式主要有以下几种:
1.2.1 毛细管作用:即盐水向混凝土内部干燥的部分移动；
1.2.2 渗透作用:即在水压力作用下,盐水向压力较低的方向移动；
1.2.3 扩散作用:即由于浓度差的作用,氯离子从浓度高的地方向浓度低的地方移动；
1.2.4 电化学迁移:即氯离子向电位较高的方向移动。通常,氯离子的侵蚀是几种侵入方式的组合,另外,还受到氯离子与混凝土材料之间的化学结合、物理粘结、吸附等作用的影响。而对应特定的条件,其中的一种侵蚀方式是主要的。
1.3 氯离子导致钢筋锈蚀的机理
1.3.1 破坏钝化膜: 水泥水化的高碱性( pH ≥12.6) ,使其内钢筋表面产生一层致密钝化膜,氯离子进入混凝土中并到达钢筋表面(超过“临界值”)后,容易渗入钝化膜,激活钢筋表面的铁原子,局部钝化膜开始破坏。
1.3.2 形成“腐蚀电池”：氯离子破坏钝化膜使钢筋表面这些部位(点)露出了铁基体,与尚完好的钝化膜区域之间构成电位差(作为电解质,混凝土内一般有水或潮气存在) 。腐蚀往往由局部开始,逐渐在钢筋表面扩展。
1.3.3 氯离子的阳极去极化作用:加速阳极过程者称作阳极去极化作用。在钢筋锈蚀过程中,氯离子只参与可反应过程,作为促进腐蚀的中间产物,并不改变锈蚀产物的组成,氯离子在混凝土中含量也不会因腐蚀反应而减少,也就是说,凡是进入混凝土中的游离态氯离子,会周而复始地起破坏作用的。
1.3.4 氯离子的导电作用: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,从而加速电化学腐蚀过程。
1.3.5 氯离子与水泥的作用及对钢筋锈蚀的影响:水泥中的铝酸三钙,在一定条件下可与氯盐作用生成不溶性“复盐”,降低混凝土中游离氯离子的量。从这个角度讲,含铝酸三钙高的水泥品种有利于抵制氯离子的侵害。但是,“复盐”只有在强碱性环境下才能生成和保持稳定,而当混凝土的碱度降低时,“复盐”会发生分解,重新释放出氯离子来;在一定条件下也可能转化成水化硫铝酸钙(钙矾石) ,就此而言,“复盐”还有潜在危险的一面。
2 氯离子渗透扩散试验方法
2.1 氯离子渗透性快速试验方法(库伦试验法)
该试验方法是在直流电压作用下,氯离子能通过混凝土试件向正极方向移动,以测量流过混凝土的电荷量,作为评定混凝土的抗氯离子渗透性能。该方法的特点是试验简便、快速,对不同胶凝材料组成、养护情况相同的混凝土具有良好的对应关系,用于平行比较,可简便、快速地判断混凝土的抗氯离子渗透性。缺点是对低电阻率混凝土会引起发热过大(对于电阻率高的高性能混凝土无此问题) ,测出的电量并不能代表是氯离子的迁移量。混凝土的电导率、试件缺陷都会明显影响测试结果,尤其该方法只能用于平行比较抗氯离子渗透性能,不能真实反映氯离子的扩散情况,难以利用其指标推算混凝土的使用年限。
2.2 混凝土氯离子扩散系数快速测定方法(RCM法)
该试验方法也称唐氏法,为假设氯离子渗透进入混凝土的流量是浓度差引起的扩散和电场引起的离子迁移的总和。在阳极板和阴极板之间施加直流电,以试验初始测得的电流值确定持续通电时间,通电完毕后劈开试件,按显色法测定氯离子的渗入深度,该试验方法是在低电压下完成的,从而克服了库伦试验法试验中试件易发热的缺陷。缺点是借助于电场的作用下氯离子在混凝土内的迁移,同样存在混凝土的电导率、试件缺陷对测试结果的影响,不能真实反映氯离子的扩散情况,能否利用其指标推算混凝土的使用年限尚有待于进一步的研究。
3 氯离子环境下有关防腐措施
3.1 综合对策的考虑
氯盐对钢筋的腐蚀属于电化学过程,受综合性、多因素影响。因此,应该采取综合性措施。从整体而言,除设计本身外,要综合考虑到施工、使用、管理、维护等；从防腐蚀设计而言,应遵照“以防为主”的战略方针,重点在“预先设防”；就具体的技术思路而言,应考虑基本措施(强化混凝土自身对钢筋的保护能力)加上附加措施的综合方略；从综合经济效益而言,在保证寿命期的前提下,花钱最少。努力实施“全寿命经济分析”(花钱总额包括初建费+维护修复费) 。适当增加初期投入,能大大减少修复费用,总体花费少,而不是初期投资越低越好。
3.2 基本措施
3.2.1 最大限度提高混凝土的密实性。优质混凝土、密实性混凝土、高性能混凝土等,都能提高阻挡氯离子渗入混凝土中的能力,减缓氯离子的扩散速度。从而延长了氯离子到达钢筋表面并达到“临界值”的时间,这就延长了结构物的使用寿命。
3.2.2 增加混凝土保护层厚度。有关研究结果表明,氯离子在混凝土中的浓度(含量)是随混凝土的深度(厚度)的增加而减小,说明增加混凝土保护层厚度,对于减缓氯离子的渗透量是有效的。
3.2.3 最大限度地防止混凝土裂缝的产生。混凝土的裂缝(宏观、微观)是影响钢筋锈蚀和混凝土耐久性的最重要因素之一。裂缝的存在大大促进氯离子进入混凝土中的速度,从而更快导致钢筋腐蚀破坏的发生。因此,一些国家的规程、规范中对于裂缝的限制性规定是十分重要和有必要的。
3.3 附加措施
国内外大量实践和试验证明,在严酷的氯盐环境中, 10～20年内就要出现钢筋锈蚀破坏和修复,即使是高密实混凝土, 66 mm厚的混凝土保护层。50年内钢筋表面氯离子的浓度也超过了足以使混凝土顺筋开裂的“临界值”,即难以达到50 年的使用寿命。虽然增加混凝土保护层厚度是有效的措施之一,但过厚的保护层在硬化过程中其收缩应力和温度应力得不到钢筋的控制,很容易产生裂缝。因此,增加混凝土保护层厚度的方法也有一定的限度。混凝土的密实性和裂缝控制,需要整体水平和人员素质的提高,工程实现高密实、无裂缝的混凝土制作是困难的。
4 结语
氯离子引起的钢筋腐蚀是造成海洋环境下混凝土结构性能劣化的主要原因。在总结国内外经验教训的基础上,高度重视钢筋腐蚀危害及对耐久性的影响,是十分必要和意义深远的。
尽可能降低混凝土中氯盐含量。对现有结构物加强检查、评估、监控、管理维护和及时修复等工作。在设计时,充分考虑环境因素,对结构材料的选用、结构施工工艺和施工质量控制以及今后使用过程中的正常维修与检测提出要求。
最大限度地提高混凝土的密实性、适当增加混凝土的保护层厚度、减少裂缝,是防止钢筋过早腐蚀,提高混凝土耐久性的基本措施,但在较严酷的腐蚀环境下,还必须采取附加措施。
参考文献：
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