氯鹽對鋼筋混凝土侵蝕機理研究進展

李航+田如鎮

【摘 要】隨著鋼筋混凝土結構在我國基礎設施建設中的廣泛應用，鋼筋混凝土結構的侵蝕破壞也日益得到國內外廣泛重視。每年鋼筋混凝土結構因為化學腐蝕造成使用壽命縮短的情況十分普遍，而氯鹽侵蝕是其中較為主要的原因。在海洋或鹽漬土地區等氯離子質量分數較高的服役環境中，鋼筋混凝土構件可能在氯離子的侵蝕作用下發生嚴重破壞。本綜述結合當前國內外研究成果，總結氯離子侵入鋼筋混凝土結構的途徑，闡述氯鹽的破壞機理，為今后工程實踐提供必要的依據。

【關鍵詞】鋼筋混凝土；氯離子；侵入途徑；侵蝕機理

前言

一般來說，鋼筋外層包裹著混凝土，相當于擁有一層保護結構，使鋼筋處在強堿性環境中。而此環境中的鋼筋表面形成一層致密的氧化物薄膜，對鋼筋起著保護作用。氯離子侵蝕引起的鋼筋銹蝕是破壞鋼筋混凝土結構的一個主要原因[1]。經研究表明，鋼筋銹蝕的可能性和危害程度會隨著混凝土中氯離子含量的增加而增加，當氯離子的濃度超過臨界濃度時，只要形成腐蝕電池的其他條件具備，即有水和氧氣的存在，就可以發生嚴重的鋼筋銹蝕[2]。在含氯鹽量較高的環境中，由于混凝土并非十分密實，而是多孔的結構，腐蝕性氯鹽離子很容易通過孔結構進入混凝土內部，使得混凝土中的鋼筋遭到破壞，進而造成混凝土結構自內而外的破壞。

一、氯離子的侵入途徑

外界環境中的氯離子侵入混凝土內部，有多種途徑，其中主要分為毛細吸入、滲入、擴散以及電化學遷移四種[3]。而氯離子也隨著周圍環境的改變，變化著侵入的主要途徑。

（一）毛細吸入

當混凝土孔隙飽和度低時，氯離子以毛細吸入為主，侵入混凝土內部。

在混凝土的制備過程中，使用的水泥、細骨料、孰料、拌和用水以及外加劑中不可避免有氯離子存在；在混凝土澆筑過程中，外界環境中也難免會有氯離子進入混凝土內部[4]。當然，這部分氯離子有其含量標準（<水泥質量的1%）控制，施工過程中應嚴格按照相關操作規程和標準進行生產活動。而在海洋或者鹽漬土地區，氯鹽含量高，毛細吸入不可避免，鋼筋混凝土的破壞進程加速，侵蝕破壞十分明顯，構件壽命顯著降低，因此必須采取有效措施減緩氯離子的侵入。

（二）滲透作用

在高壓環境下，氯離子以滲透作用為主。

混凝土在外部環境中的氯離子，在外界壓力的作用下，隨水一起通過滲透作用和毛細管作用逐漸侵入到混凝土內部。在混凝土內部水壓力的影響下，氯離子進一步向混凝土內部遷移。這種侵入自外向內進行，從混凝土表面侵入其內部，一直到達鋼筋表面。

（三）擴散作用

混凝土孔隙飽和時，氯離子以常溫擴散作用為主，侵入混凝土內部。

由于混凝土內外氯離子濃度、混凝土內部不同位置氯離子濃度都有所不同，形成了濃度差，也就是所謂的濃度梯度。使得氯離子在混凝土外部向其內部發生移動，在混凝土內部也由高濃度向低濃度移動，總體上促進了氯離子對混凝土的侵蝕作用進行。

（四）電化學遷移

由于氯離子間存在電位差，使得氯離子由低電位的方向，向高電位的方向發生遷移。在鋼筋鈍化膜發生破壞后，形成腐蝕性的電池，使鋼筋表面存在電勢差，使得氯離子向鐵基質方向移動，加劇了侵蝕進程。

二、氯鹽對鋼筋混凝土侵蝕機理

氯鹽侵蝕是鋼筋混凝土結構壽命減小的原因之一。而氯鹽對鋼筋混凝土的侵蝕機理，也可以從幾個方面出發考慮。

（一）破壞鈍化膜開始侵蝕

氯離子對鈍化膜的破壞，首先體現在對其周圍環境的pH值的顯著影響上。

一般情況下，在未碳化的混凝土中，其孔隙液的pH值可以達到13左右，形成強堿性環境，而在此環境中會生成一層厚度約5nm的氧化鐵致密鈍化膜，對鋼筋起到很好的保護作用[3]。但是，這種鈍化膜是不穩定的，它依賴于強堿性環境來維持穩定。一旦強堿性環境發生改變，鈍化膜就會發生破壞。

當鋼筋鈍化膜周圍環境pH值降低，并低于9.9時，鈍化膜逐漸開始遭到破壞。所以，當氯離子接近鈍化膜表面時，使鋼筋表面pH值迅速下降，隨著空氣和水分的侵入，鈍化膜逐漸破壞，并失去保護作用，鋼筋便開始發生銹蝕。

（二）形成電勢差加快侵蝕

隨著氯離子的侵入，其對鋼筋表面鈍化膜的破壞是從局部的點開始，使這些局部破壞點處的鐵基體開始與氯離子發生接觸，這些鐵基體會與沒有發生侵蝕的鈍化膜之間形成電勢差。電勢差也就導致腐蝕性電池的形成。電池的陽極是暴露的鐵基質，陰極是鈍化膜未被破壞部分。由于存在電勢差，在電場的作用下，帶負電的氯離子開始向鐵基質方向移動，導致其被侵蝕加劇。

由于腐蝕性電池的作用，使得鋼筋表面形成點蝕或者坑蝕，由于小陽極和大陰極相對應，使得坑蝕的發展速度更快，這是鋼筋表面坑蝕形成的主要原因。

（三）去極化作用促進侵蝕

由于電勢差移動到陽極的氯離子，在陽極與鐵基質發生反應，因去極化作用生成氯化亞鐵。易溶于水的氯化亞鐵在由鋼筋表面向混凝土內擴散的過程中，氯化亞鐵遇到OH—時，就會發生反應，生成氫氧化亞鐵沉淀。而氫氧化鐵是不穩定的，容易被空氣中的氧氣氧化，形成鐵的氧化物。

經過此一系列的反應過程，氯離子并沒有損失，只是起到了搬運的作用。也就是說，進入混凝土中的氯離子，會循環性地起到破壞作用，這也是氯離子侵蝕的特征之一。而鐵基質卻進一步被氧化，形成鐵的氧化物，銹蝕面積進一步擴大。

（四）電阻減小加劇侵蝕

腐蝕電池形成的主要條件是要有離子通路的存在[6]。由于混凝土中氯離子的存在，導致離子通路增加，電池的陰極和陽極之間的電阻會減小，使得腐蝕性的離子在混凝土中流動速度增快，進而導致電池的腐蝕效率增強，加速了混凝土中電化學腐蝕過程的發生；同時由于氯鹽中的陽離子存在，使得陰陽兩極的電阻進一步減小。

三、結束語

氯離子從外界侵入混凝土內部，通過毛細孔吸入、滲入、擴散作用和電化學轉移逐漸侵入鋼筋表面，并通過相關反應，由內而外造成鋼筋混凝土結構的破壞。所以，要保證鋼筋混凝土結構的使用壽命，就必須從相關機理出發采取措施。鋼筋可采用鍍鋅鋼勁或表面涂抹防銹涂層、混凝土材料應嚴格控制，提高自身密實度和耐久性、混凝土外部可包裹不透水層以防止氯離子的侵入。針對氯離子的侵蝕機理，采取相應 的防治措施，可以非常可觀地延長鋼筋混凝土結構的使用壽命，保證我國基礎設施建設的穩步進行。

參考文獻：

[1]張士萍，劉加平，等.裂縫對混凝土中介質傳輸的影響[J].混凝土，2009，（12）；1-4.

[2] 施可夫.氯離子侵蝕對鋼筋混凝土的影響及預防措施[J].福建建材.2012（6）；10-12.

[3] 江錦棕.氯離子對混凝土侵蝕機理及抗氯離子滲透檢測方法探討[J].江西建材.2016（13）；271-272.

[4] 蔣林華.混凝土抗氯離子滲透擴散性研究[J].中國腐蝕與防護學報.2002，22（6）；343-348.

[5] Angst U，Elsener B，Larsen C K，et al. Critical chloride contentin reinforced concrete-A review[J]. Cement and Concrete Re-search，2009，39（ 12） ： 1122-1138.

[6] 李 帥，呂振經，等.氯離子對混凝土的侵蝕及混凝土滲透性試驗方法[A].中國新技術新產品，2011（4）；6-7.endprint