關于干濕循環條件下氯離子對鋼筋混凝土材料的影響分析

李澤君

（安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學研究院　安徽蚌埠　230002　安徽省建筑工程質量監督檢測站　安徽合肥　230088）

引言

目前國內外已經先后有一批研究學者通過試驗分析等方式證明，大量氯離子利用鋼筋混凝土材料中的孔隙結構進入其內部，會引發鋼筋出現銹蝕、鋼筋體積膨脹等問題。因此為了能夠有效保障鋼筋混凝土材料的質量，需要對進入其內部的氯離子進行有效控制。基于此，本文將通過依托干濕循環作用，初步探究氯離子對鋼筋混凝土材料的實際影響，希望能夠為相關研究人員以及防范氯離子銹蝕鋼筋混凝土材料提供必要參考。

1　試驗分析

1.1　制作試件

為了有效說明干濕循環條件下氯離子對鋼筋混凝土材料所產生的實際影響，本文將選擇使用試驗分析的方式。將試驗使用的鋼筋混凝土材料規格尺寸設定為180mm×180mm×400mm，將兩根直徑為16mm的鋼筋安裝在鋼筋混凝土試件的下方位置處，鋼筋兩端頭部位置與導線進行牢固焊接。在完成脫模處理后，需要按照國家相關標準要求對鋼筋混凝土試件進行28d的灑水養護，并使用環氧樹脂密封試件表面，其側面以及底面則作為侵蝕面。在進行鋼筋混凝土試件的制作過程中，選擇使用等級強度為C30的混凝土，按照水泥、水、砂和石1：0.55：2.8：1.65的比例進行水泥的配比。而出于控制試驗成本以及方便獲取試驗材料等目的，本試驗依照就地取材的原則直接使用本地產P·O42.5級水泥與當地水域中的砂，通過對其進行篩選處理，最終選用粒徑最大值不超過3mm，細度模數為2.4的河砂，試驗中使用的碎石粒徑最大值為10mm。圖1展示的就是鋼筋混凝土試件制作示意圖。

圖1　試件制作（單位：mm）

1.2　試驗制度

為了能夠真實地表現出干濕循環條件，本文選擇直接使用人工氣候環境模擬箱對干濕循環進行真實模擬。以12h作為一個循環，在濕時使用濃度為5%的氯化鈉溶液，按照從上往下的方向進行為時4h的均勻噴淋，此時需要將溫度控制在25℃左右，溫度誤差值不超過±5℃。在干時進行為時8h的電加熱，此時溫度需要保障在60℃左右，溫度誤差值同樣不允許超過±5℃。

圖2　人工氣候環境模擬箱

1.3　取樣測試

每經過十天的干濕循環后需要進行一次取樣。在實際取樣時需要沿著氯離子的侵蝕方向，對距離鋼筋混凝土試件各深度位置處的氯離子含量進行精準測量。隨后通過使用專業的巖石切割機對試件進行切片處理，本試驗中所使用的取樣方式為分層取樣，取樣層共計六層，分別為0～5mm、5～10mm、10～20mm、20～30mm、30～40mm 以及 40～50mm。在對各層在切片取樣中產生的粉末進行分別收集整理之后，將其作為代表樣品，而后對其進行充分研磨，使其可以全部從0.6mm篩網中通過。最后在溫度為105℃左右，溫度誤差值不超過±5℃的烘箱當中對樣品進行為時兩個小時的烘干處理，再將其取出后立即放置在干燥器中進行冷卻處理，使其溫度與室溫基本一致即可。

2　試驗結果與分析

2.1　干濕循環條件下氯離子含量分布

通過分析整理干濕循環 20d、30d、40d、50d、60d以及 70d時鋼筋混凝土試件當中各深度位置處的氯離子濃度分布情況，可知，隨著干濕循環天數的不斷增加，試件中每一層氯離子含量也會隨之出現明顯的增加情況。而在與混凝土表層相距1cm的位置處，氯離子濃度最高，即氯離子濃度出現最高峰值。隨后氯離子含量將會開始逐漸減少。而出現這一情況可能與鋼筋混凝土試件在干濕循環條件下，主要依靠同外界溶液直接接觸的方式，使得氯離子可以逐漸滲透其中有關。在干時外部水分大量蒸發，導致鋼筋混凝土試件表層孔隙液中的鹽分濃度也越來越高，受到濃度差的影響，鹽分將逐漸向內擴散。此時氯離子會在試件反復出于干濕循環條件下逐漸向其內部擴散。位于試件表層的氯離子滲透將受到對流以及擴散耦合作用，在不斷出于干濕循環狀態下，混凝土中的毛細血管將會逐漸吸收氯離子。當其含量達到最大值后，試件內部的氯離子將會因受到濃度差的影響而逐漸向內擴散。

筆者在參考關博文、楊濤（2016）等人的研究結果后，發現試驗測得的氯離子含量相對較高[1]。筆者認為這與本試驗設計干濕循環次數較多有關，在每兩天進行一次干濕循環下，干時最高溫度將達到60℃，擁有較大的作用強度。當風干程度逐漸提高時，鋼筋混凝土將會出現較強的毛細管吸收作用，從而迅速增加其表層孔隙液的鹽分濃度，加快其內部擴散速度，使得氯離子得以在鋼筋混凝土材料的內部實現迅速分布。

2.2　氯離子隨試件側壁高度變化分布

本試驗通過在制備的鋼筋混凝土試件側壁2cm、9cm以及16cm位置處分別進行取樣，并沿著試件側壁高度方向對氯離子含量分布情況進行精準測定。通過將得到的干濕循環30天和干濕循環60天后的鋼筋混凝土試件側壁高度氯離子含量值進行對比分析，發現在試件側壁2cm位置處的氯離子含量最少，而在試件側壁16cm位置處的氯離子含量則最多。沿著試件側壁從上到下，其每一層的氯離子含量將會逐漸增加。根據試驗結果顯示，在干濕循環30天時，試件側壁2cm位置處的氯離子含量只有0.507%，其側壁9cm位置處的氯離子含量則增加至0.546%，而在該試件側壁16cm位置處的氯離子含量則增至0.588%。這主要是由于在實際噴淋時滴水受到重力影響，將沿著試件側壁從上向下流過，并且在向下流的過程中會出現短時間的堆積停留。而位于混凝土表面的液壓水頭將利用壓力梯度驅動氯離子向鋼筋混凝土材料內部滲流。因此整體來看，結構上方的孔隙液含量明顯小于結構下方孔隙液含量，在結構下方擁有更強的滲流作用和擴散作用，為氯離子向鋼筋混凝土材料內部的滲流創造了有利條件。根據試件整體試驗結果可知，其角部位置也就是側壁16cm左右位置處的氯離子侵蝕情況作為嚴重，因而在對鋼筋混凝土材料進行防腐處理時需要重點對這一部位加涂防腐材料等，以有效提高其抗銹蝕能力。

2.3　氯離子濃度對于試件的銹蝕影響

有研究顯示，游離在鋼筋混凝土孔隙液中的氯離子含量如果超出規定限值，將會直接破壞材料的鈍化膜使得鋼筋出現銹蝕的情況。因而眼下在鋼筋混凝土構件極限破損狀態當中，人們常常將氯離子濃度與鋼筋臨界銹蝕狀態相一致視作鋼筋混凝土構件耐久性能徹底喪失的一大重要標志。因此想要有效掌握鋼筋混凝土材料的使用性能，并對其使用壽命進行精準預估，需要切實掌握這一臨界氯離子濃度值。但考慮到在現實中難以精準判斷鋼筋剛剛開始出現銹蝕情況的時刻，因此比較容易影響臨界氯離子濃度測定的精準性。因此本文通過假設混凝土內鋼筋表面位置處均勻聚集著一定量的氯離子，此時鋼筋所產生的銹蝕也具有良好的均勻性。通過選擇出現銹蝕但整體銹蝕情況并不嚴重的試件對試件中鋼筋和混凝土相互接觸位置處的氯離子濃度進行取樣測試。在破型之后對鋼筋銹蝕率進行測試，得到如圖3所示的統計結果。

圖3　鋼筋銹蝕率同周邊氯離子含量的關系示意圖

根據試驗結果顯示，鋼筋銹蝕率與其周邊氯離子含量呈現出明顯的線性關系，其關系式為y=0.1262x+0.24，R2=0.9127。在進行數據擬合處理后，鋼筋銹蝕率和鋼筋與混凝土交界位置處的氯離子濃度之間的關系為C=0.1262ρ+0.24，在這一公式當中，ρ代表著鋼筋銹蝕率，單位為%[2]；C代表著鋼筋與混凝土交界位置處的氯離子含量在混凝土質量中的占比，單位同樣為%。通過計算可知，在鋼筋銹蝕率取值為0時，混凝土質量中臨界氯離子含量占比為0.24%，即占水泥質量的1.44%。

3　結論

本文通過對干濕循環條件下，氯離子對鋼筋混凝土材料的影響進行分析，得出：①在干濕循環條件下，氯離子會在混凝土表層達到一定深度時出現峰值。此前主要依靠混凝土毛細管吸收作用實現表層氯離子的滲透，在此后則因受到濃度差的影響使得氯離子逐漸向材料內部擴散。②沿著鋼筋混凝土試件側壁高度，從上往下氯離子含量將逐漸增加，在角部位置處其含量最高。③在假設鋼筋表面氯離子有良好均勻性且鋼筋修飾率不高的情況下，鋼筋銹蝕率和鋼筋與混凝土交界位置處的氯離子含量呈現出明顯的線性關系。