混凝土結構的氯鹽危害與防護措施

黃曉蘭

目前,氯鹽侵蝕混凝土建筑的現象越來越嚴重,特別是沿海地區和多雪地區。據1992年統計,美國因撒除冰鹽引起鋼筋銹蝕而限載通車的公路橋梁就占1/4,不能通車的約5 000多座。國內外處于浪濺區的海港碼頭和混凝土橋梁,從投入使用到開始維修,一般不超過10年(如圖1,圖2所示)。

1 氯離子的侵蝕途徑

1.1 從混凝土材料中混入的鹽

混凝土材料中可能含鹽的材料有粗細骨料、水和化學外加劑。

對于水泥,如果使用海產石灰石等海產原料,或者為了得到早強水泥而添加CaCl2時,這時水泥中就會含有氯鹽。一般情況下,水泥中含有的鹽是可以忽略的。

對于粗骨料,如果使用的是海產骨料,這時會含有鹽。但是國內極少使用這種骨料;而且從粗骨料的比表面積來判斷,與細骨料相比,其含鹽量是可以忽略的。

摻合料的類型很多,粉煤灰一般不含鹽分,但如果煤通過海上運輸,受到海水濺侵時,這時粉煤灰可能含有一定的鹽分,而膨脹劑一般是不含鹽分的。

1.2 從環境侵入混凝土中的鹽

外部侵入的鹽有海水、海水滴,海鹽粒子及除冰鹽。

氯離子在混凝土中的滲入能力較強,只要混凝土中有氯離子濃度梯度存在,就有氯離子滲入。一般認為,氯離子滲入混凝土中主要有三種方式,即擴散、毛細孔吸收和滲透。擴散是由于溶液中氯離子濃度梯度引起的;毛細孔吸收是指氯離子隨水進入干燥的混凝土中;滲透則是在壓力作用下,氯離子隨水一起進入混凝土。三種滲入形式一般是同時存在的,其中毛細孔吸收滲入速度最快。

滲入的氯離子在混凝土中有三種存在形式。第一種是氯離子與水泥中C3A的水化產物硫鋁酸鈣反應生成低溶性的單氯鋁酸鈣 3CaO?Al2O3?CaCl2?10H2O,即所謂的 Friedel鹽(又稱氯離子的化學結合物);第二種是氯離子被吸附到水泥膠凝材料的水化產物中去,即被水泥水化產物內比表面積不可逆的吸收(又稱氯離子的物理吸附);第三種是氯離子以游離的形式存在于混凝土的孔溶液里,只有這部分以游離態存在的氯離子達到一定的濃度才會對鋼筋造成腐蝕。

2 氯離子的破壞作用

混凝土中pH值高,能大幅度抑制鋼筋的銹蝕。但是,即使在高pH值的環境下,如存在氯離子,由于氯離子作用,鈍化膜受到破壞,鋼筋產生腐蝕(見圖3)。關于這種現象的機理有以下幾種說法:1)由于氯離子向鈍化膜的解膠作用,促進了鐵離子的溶解。2)由于生成絡合物,為連續反應創造了條件。3)對陽極反應起觸媒作用。4)通過與鐵的直接反應,生成中間性產物。5)降低pH值。6)增加電傳導。

從上述論點來看,氯離子的作用是間接的;而且是一種觸媒的作用。但是,也沒有得到充分的說明。此外,混凝土中腐蝕環境條件不均一的情況下,會構成宏觀電池。這種宏觀電池與一般腐蝕中的局部電池(微電池)不同,陽極和陰極的面積比小,多形成孔腐蝕形態。

3 防護對策

關于混凝土中臨界的或者無害的氯離子含量的各種因素關系如圖4所示。防止鹽害的對策應包括:1)混凝土中允許的氯離子含量;2)鹽分與海洋環境氯離子的侵入;3)從混凝土表層氯離子擴散滲透到鋼筋表面;4)導致鋼筋腐蝕的臨界值等。

3.1 允許氯化物含量

在國外,日本工業標準中規定混凝土中氯離子含量為0.30 kg/m3;美國海洋混凝土結構中氯離子含量不超過水泥質量的0.10%(RC)或0.06%(PC);英國混凝土結構標準中規定,氯離子含量應不大于0.1%水泥質量(PC)或0.4%水泥質量(RC)。

在我國規范中,對預應力混凝土及處于易腐蝕環境中的鋼筋混凝土中氯離子的含量不超過0.06%的水泥質量。

3.2 提高混凝土抗氯離子侵入能力

1)嚴格控制水灰比和保護層厚度;2)優化混凝土組成材料;3)在混凝土中摻入氯離子吸附劑;4)嚴格控制裂縫寬度;5)用耐候性好的涂料對混凝土表面進行防護;6)采用環氧樹脂涂層鋼筋;7)電化學防腐蝕;8)嚴格執行設計和施工規范要求。

4 結語

氯鹽的危害是影響混凝土結構耐久性的重要因素。深刻理解氯鹽侵蝕對鋼筋銹蝕的影響有重要意義。對于未建工程,進行耐久性設計時,可選取合理的方法,避免結構較早破壞,造成巨大經濟損失;對于在役混凝土結構,應做出正確的耐久性評定和剩余壽命預測,以選擇正確的處理和加固方法。

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