氯離子侵蝕混凝土機理分析

摘要：氟離子侵蝕是引起的混凝土耐久性失效的一個重要因素，本文結合國內外研究成果，綜合分析了氯離子侵蝕混凝土的機理，對氯離子侵蝕引起的混凝土耐久性失效的防治提供了理論基礎。

關鍵詞：氟離子 侵蝕 機理

0 引言

鋼筋混凝土結構受外界環境中的氯離子侵蝕，出現了開裂、鋼筋銹脹等大量病害，影響了結構的安全使用。由此引發的維修、加固費用極為高昂，這在工業發達、大量基礎設施修建已基本完成的西方國家尤為明顯，引起了世界各國科技工作者和政府部門的高度重視。1992年一文披露，僅在美國，因撤除冰鹽引起鋼筋腐蝕破壞而限載通車的公路橋就占1/4(即5275余座的13萬座)，其中不能通車的占1％。英國為解決海洋環境下的鋼筋混凝土構筑物的腐蝕與防護問題，每年花費將近207Y英鎊，英國英格蘭島的中環線快車道上有11座混凝土高架橋(全長21Km)，建于1972年總建造費為2800萬英鎊，建成兩年后就發現鋼筋銹蝕造成的混凝土順筋裂縫現象，在1974-1989年的15年間，修補費高達450071英鎊，為初始造價的1.6倍，估計以后15年間的維修費還需要耗費12億英鎊，接近造價的6倍。因此，阻止和減緩因氯離子侵蝕引起的混凝土耐久性失效已迫在眉睫。

2 氯離子侵蝕混凝土機理

通常情況下，氯離子進入混凝土有兩個來源：一種是“摻入”，即在施工過程中通過細骨料、拌和用水和摻加的外加劑而摻入混凝土的氯離子；另一種方式是“侵入，即外界使用環境中的氯離子通過滲透、擴散、毛細作用侵入混凝土。

外界氯離子侵入混凝土是一個復雜的物理化學過程，包括四種不同的侵入機制，它們分別是：

滲透作用，即鹽水向混凝土內部干燥的部分移動，

毛細作用，即在水壓力作用下，鹽水向水壓力較低的方向移動；

自由氯離子的擴散作用，由于濃度差的作用，氯離子由濃度高的地方向濃度低的地方移動。

電化學遷移，即氯離子向電位較高的地方移動。

這四種機制所需要的一個共同條件是：混凝土的孔隙中必須有一定濕度，即必須有一定的水份存在。

暴露干海水環境的海工結構，由于暴露條件不同，氯化物侵入機制也不同。水下部分或潮差區的飽水部分的混凝土長期接觸海水，由飽水混凝土里外氯離子濃度差引起的離子擴散是氯離子侵入混凝土的主要方式，其擴散速度取決于混凝土質量與混凝土內外氯離子濃度差的大小。在某種程度上也取決于有水頭壓力作用下氯化物溶液的滲透，當然這種滲透只有在水頭壓力較大時才顯著。在海水中，即使氯化物能滲透到鋼筋表面，但因缺氧鋼筋也難以銹蝕。

所有混凝土構件，凡是表層有被風干，氯離子的侵入主要依賴于直接接觸海水的混凝土毛細管吸收作用，風干程度愈高，毛細管吸收作用就愈大?；炷撩毠芪蘸Ｋ哪芰θQ于混凝土孔隙結構及其中游離水的含量。在下列三種情況特別嚴重：

(1)干飽和。在干熱環境中，混凝土溫度可高達50℃。完全喪失可蒸發水分，這時混凝土一旦接觸海水和含鹽量高的地下水，就立即被氯化物所飽和，其含鹽量可以迅速達到混凝土質量的0.1％-0.3％

(2)風干時間比潤濕時間長的混凝土構件(比如濺浪區的混凝土構件)，在海水干濕交替10年內，可使混凝土中氯離子量達到混凝土質量的0.3％-0.4％

(3)蒸發／燈草芯作用。在干熱環境中，半浸于海水中的混凝土構件，由于從混凝土中蒸發掉的只是純水，遺留于混凝土孔隙中的是鹽水，而后海水又被混凝土像燈草芯那樣地吸上去，充滿毛細孔，致使海面水位以上的混凝土表層孔隙中氯化物發生濃縮。

干透的混凝土表層接觸海水時，靠毛細管作用吸收海水，一直吸到飽和為止。如果外界環境轉為干燥，則混凝土中水流方向會逆轉，純水從毛細孔對大氣開放的那些端頭向外蒸發，這時混凝土如同“過濾器”一樣，混凝土表層孔隙液中鹽分濃度增高，并在混凝土表層與內部之間形成氯離子濃差，驅使混凝土孔隙液中的鹽分靠擴散機理向混凝土內部擴散，只要混凝土具有足夠的濕度，這種擴散就可以順利進行。在飽水時，擴散率最高，可見除混凝土孔結構特征外，混凝土濕度也是氯離子向混凝土內部擴散的一個重要因素。按外界環境相對濕度，風干持續時間的不同，在混凝土表層中大部分空隙水有可能蒸發掉，而在混凝土內部，除剩余水分為鹽分所飽和外，多余鹽分則結晶析出。

由此可見，對混凝土結構，風干時水分向外遷移，而鹽分則向內遷移。在下一次再被海水潤濕時，又有更多的鹽分以溶液的形式帶進混凝土的毛細管空隙中。此時，在混凝土表層內，有一個向外降低的氯離子濃度差，在離表面一定深度處，氯離子濃度達到峰值。這樣，可能有一些鹽分會向外表面擴散。但是隨后的風干又將純水向外蒸發掉，將更多的鹽分帶進混凝土內部。在干濕交替作用下，鹽分會逐漸侵入混凝土內部。鹽分向內遷移的程度取決于風干與濕潤交替期的長短。隨著時間的推移，將有足以使鋼筋去鈍的氯化物達到鋼筋表面。

混凝土表層的干濕交替變化現象，不僅影響著氯化物的侵入，而且較深的風干使以后的濕潤可以更多、更深地帶進氯化物，也就是使氯離子更充分地侵入混凝土內部。因此在潮差區(風干期較短)，混凝土中鋼筋對銹蝕的敏感性比在浪濺區(風干期較長，只在水位高、風浪大時才可能被海水濺濕)差。偶爾被海水濕潤的混凝土中的鋼筋對銹蝕的敏感性最強。

另外，冬天雪后為防止路面結冰而向路面撤除冰鹽，這些鹽經溶解、蒸發、濃縮、結晶，或被雨水溶解又形成鹽溶液，此時的路面與海下結構具有類似的工作環境，在干濕交替作用下，氯化物侵入混凝土的土要機理也是表層混凝土孔隙的毛細管吸收作用和深層混凝土中的離子擴散作用。