氯離子侵蝕環境中混凝土結構劣化過程

呂斌

摘 要 鋼筋混凝土（RC）框架柱作為結構的主要承重及抗側力構件，在近海海洋大氣環境下，框架柱內部鋼筋受氯離子侵蝕后發生不同程度銹蝕的現象，在銹蝕產物膨脹壓應力的作用下導致RC結構混凝土保護層銹脹開裂，從而嚴重降低了結構構件的服役壽命。

關鍵詞 氯離子 RC結構 鋼筋銹蝕

中圖分類號：TU201 文獻標識碼：A

1氯離子在混凝土中的傳輸

混凝土通常是由膠凝材料、骨料和水按一定比例配合凝結形成的復合非均質材料，在攪拌及澆筑制備過程中不可避免的會存在氣泡及微小裂縫，導致水分侵入，為各種離子在混凝土中的傳輸提供路徑條件。氯離子在混凝土中的擴散可簡單理解為帶電粒子在孔隙及裂縫溶液中擴散傳質的一系列物理化學反應過程，主要有以下三種。

1.1擴散過程

擴散過程主要指混凝土孔隙液中的氯離子在濃度梯度的作用下由高濃度向低濃度的定向轉移過程。通常情況下可將氯離子在混凝土中的侵入擴散量理解為隨時間和空間不斷變化的非穩態函數關系，并且已有學者針對氯離子在混凝土中的擴散分布以菲克第二定律為基礎，利用拉普拉斯變換得出適用于氯鹽侵蝕環境下的氯離子空間擴散計算式，可為氯離子侵蝕環境下RC結構全壽命評估的基礎提供理論參考。

1.2對流過程

氯離子在混凝土中的對流遷移過程主要由壓力作用和毛細作用兩部分組成。在外界壓力的作用下，含有氯離子的溶液會在混凝土內外壓力差的作用下發發生定向的滲流，導致氯離子溶液不斷侵入混凝土，直至混凝土內外壓力差達到平衡狀態。此外，由于液體表面張力的作用，為保持毛細通道內外兩側滲透壓平衡，溶液會發生整體性流動。尤其是處于干濕交替環境下的混凝土結構，在不斷地干、濕循環過程中，為保持毛細管液面濃度穩定性，使得該區域混凝土結構中氯離子濃度不斷提高，導致位于干濕交替環境下的混凝土結構劣化最為嚴重，同時干濕交替環境中的混凝土結構亦是當下國內外學者研究的重點。

1.3電子遷移過程

在電場的作用下，溶液中陰、陽離子會產生定向移動，加速了氯離子侵入混凝土及氯離子與鋼筋反應速率。例如電化學加速RC結構鋼筋銹蝕試驗，通過外加電流的方式，以達到加速鋼筋銹蝕的目的，實質上是加速了氯離子向混凝土內部的擴散速率及其與鋼筋的化學反應速率。

2氯離子侵蝕導致鋼筋銹蝕

2.1氯離子侵蝕環境鋼筋銹蝕機理

在近海海洋大氣環境中，氯離子擴散侵入混凝土與內部鋼筋發生化學反應，導致鋼筋表面鈍化膜消失，在混凝土與鋼筋接觸面處出現電位差，形成腐蝕電池。此外，近海大氣環境具有充足的水和氧氣，為電化學反應提供了便利條件，隨氯離子濃度的增大，鋼筋不斷被轉化為Fe2+，導致鋼筋截面面積不斷減少，銹蝕產物堆積在鋼筋表面形成質密的銹蝕層，圖1為氯離子侵蝕環境下鋼筋銹蝕機理及腐蝕電池的陰、陽極化學反應式。

2.2鋼筋銹蝕引起混凝土保護層銹脹開裂

在氯離子侵蝕環境下，從RC結構中鋼筋首先發生脫鈍反應直至銹蝕產物擠壓造成混凝土保護層表面出現裂縫共經歷三個階段，如圖2所示：（1）銹蝕產物累積階段，即從鋼筋去鈍化反應開始直至銹蝕產物填滿整個空隙空間使混凝土開始產生拉應力的階段；（2）混凝土保護層受銹脹力作用階段，從混凝土保護層開始承受拉應力開始，直到鋼筋與混凝土交界面處出現微小裂口，但并未貫穿至混凝土保護層表面；（3）混凝土保護層開裂階段，從混凝土內部開始出現微小裂口開始直至銹脹裂縫貫穿整個混凝土保護層，在此階段隨鋼筋銹蝕程度的增大，銹蝕產物會不斷填充到已開裂的銹脹裂縫中。

3結論

氯離子在混凝土中的傳輸主要有擴散、傳輸、電子遷移三種過程，當氯離子侵蝕達到一定深度，與鋼筋接觸發生化學反應，導致鋼筋表面鈍化膜消失，在接觸面處出現電位差，形成腐蝕電池。并最終在銹蝕產物膨脹性的作用下，導致混凝土保護層銹脹開裂，嚴重影響RC柱的抗震性能。