氯鹽環境對混凝土耐久性危害

彭藍鴿

(揚州大學 江蘇 揚州 225100)

一、鋼筋混凝土重要性

混凝土應用至今已有一百多年的時間，由于其原材料豐富、價格低廉、生產工藝簡單、整體性好等特點，不僅在土建、水利及道路工程上廣泛使用，而且在造船業、機械工業、海洋開發等領域也大量使用。盡管有許多新型材料和結構形式的不斷出現，但據預測今后相當長的一段時間鋼筋混凝土依舊是不可取代的建筑材料[1]。隨著近現代文明的發展，基礎建設和城市建筑的大量建設，以及我國對外貿易和海洋經濟的發展需求變大，建造了各種各樣的海洋構筑物，比如從最簡單的海港碼頭，到現如今的跨海跨江大橋、海底隧道、海上石油鉆井平臺等等，海岸線長達1.8萬公里，島嶼海岸線長1.4萬公里，工程結構所處的環境越來越復雜，但鋼筋混凝土一直都是使用量最大和最基本的工程材料。

二、混凝土氯離子來源以及鋼筋腐蝕機理

(一)氯離子來源

氯鹽的來源主要是混凝土原材料引入和外界環境引入兩種。具體分為由環境中滲入和混入(摻入)混凝土中的。環境中滲入的指的是來源海洋環境、化冰鹽、鹽漬土、鹽湖地區和工業鹽。如海洋工程、水利工程、道路與橋隧工程和工業與民用建筑工程混凝土服役環境中。混入(摻入)混凝土中的：如含氯鹽外加劑、含氯鹽砂(如海砂)、含氯鹽(超標)施工用水等。

(二)鋼筋腐蝕機理

新澆筑的混凝土構件內部為高堿性(pH>12.5)環境，在這種環境下鋼筋表面將生成一層致密的氧化物保護膜即鈍化膜[2]，起到隔絕氧氣和水的屏障作用，從而保護鋼筋不受銹蝕。作為結構中最重要的鋼筋，有一個不能忽視的特點就是在海洋環境下由于氯離子極強的穿透力和去鈍化作用，去鈍化時鋼筋成為陽極，為氧氣的還原反應提供電子；鈍化膜完好的鋼筋形成陰極，為氧氣的還原提供反應場所。當氯離子含量達到某一臨界值時，鈍化膜遭到破壞，鋼筋將會被持續銹蝕。鋼筋腐蝕電化學反應如下：

陽極： Fe→Fe2++2e

(1)

陰極： O2+4e+2H2O→4OH-

(2)

在氯鹽環境下，氯離子從中起到催化劑的作用，不僅促成了鋼筋表面腐蝕電池的形成，而且會加速鋼筋銹蝕的電化學過程。相關化學反應如下：

Fe2++2Cl-=FeCl2

(3)

FeCl2+2OH-=Fe(OH)2+2Cl-

(4)

銹蝕鋼筋不僅會降低自身的力學性能，而且使得鋼筋周圍的混凝土受到膨脹壓力，造成混凝土保護層沿鋼筋開裂。銹脹裂縫出現之后鋼筋銹蝕速度加快，從而對結構的使用功能產生較大的影響，甚至危及結構的安全。因此提高混凝土結構耐久性，保證結構的使用壽命，解決好鋼筋混凝土結構提早失效問題是工程界的重大課題。

三、國內外混凝土耐久性不足導致的危害

過去的幾十年我國的計劃經濟體制和國民經濟基礎相對薄弱，另一方面，作為發展中國家的中國，正需要崇尚適用、經濟簡約的現代建筑原則，長期沿襲“按強度設計”的傳統設計方法，且人們對混凝土耐久性認識不足、重視不夠。由于忽略了鋼筋銹蝕問題而導致結構耐久性失效。特別是沿海及近海地區混凝土結構發生早期損壞的主要因素，國內外這些案例數不勝數[3]。

據統計我國的海工混凝土結構耐久性較差，腐蝕破壞相當嚴重。如1981年交通部第四航務局等對華南地區使用7-25年的18座海港碼頭進行調查，結果表明，在海濺區，梁、板底部鋼筋普遍嚴重銹蝕，引起破壞的有16座，出現銹蝕破壞的時間有的僅5～10年，其中有幾座已經不能正常使用[4]。我國每年由腐蝕引起的直接經濟損失為5000億元，其中鋼筋銹蝕造成的損失高達1000億元[5]。2001年至2004年，浙江大學結構工程研究所先后對浙江省舟山市和臺州市共11座高樁碼頭[6]、浙江省內37座公路橋梁[7]進行調研，發現多數碼頭、橋梁都存在不同程度的耐久性問題，以鋼筋銹蝕導致的混凝土銹脹開裂、剝落現象最為突出。

不僅我國，鋼筋銹蝕引起建筑物破壞已成為世界性問題。據美國標準局(NBS)調查，1975年美國全年各種因腐蝕造成的損失為700多億美元，其中混凝土中鋼筋銹蝕造成的損失約占40%。德國2004年全年用于高速公路維修的費用約為3億歐元，其中40%用于修復因氯鹽侵蝕及鋼筋銹蝕導致的混凝土橋梁損傷[8]。英國為解決海洋環境下鋼筋混凝土構筑物的腐蝕與防護問題，每年就花費將近20萬英鎊[9]。日本目前每年僅用于房屋結構維修的費用高達400億日元，大約有21.4%的鋼筋混凝土結構損壞是因鋼筋銹蝕引起的，其著名的新干線使用不到10年，就出現了大面積開裂、剝落[10]。各個國家地區都在遭受不同的腐蝕情況。

四、結語

世界各國都為混凝土耐久性不足投入了大量的人力、物力和財力，這已經是一個經濟問題和影響可持續發展的大問題。氯鹽引起的鋼筋腐蝕對混凝土耐久性影響的問題必須給與足夠的重視。所以需要開展廣泛氯鹽環境下耐久性研究，提高設計質量，更好的確認維護、維修加固時點，合理確定結構的使用壽命并進行結構全壽命的分析，是一項具有重大現實意義和社會經濟效益的研究方向。