氯离子对混凝土性能的影响

钢筋锈蚀是影响混凝土结构耐久性和安全性的重要因素。其中,对近海、沿海地区导致钢筋混凝土结构性能劣化的最普遍、最严重的原因是氯离子侵蚀作用引起的钢筋锈蚀,决定了结构的使用寿命。

随着氯离子对钢筋混凝土结构破坏的影响越来越受到重视,为此我国即将实施的水泥新标准对水泥中氯离子的含量进行了规定：水泥中氯离子含量不大于0．06%。

一、水泥中氯离子含量规定

各国对氯离子含量的规定如下

1、欧洲所有品种小于0.１%。但对于用于预应力场合时,应严格控制。

2、日本普通硅酸盐(相当于我国的P.Ⅰ、Ｐ.Ⅱ型水泥)小于0.0３５％。早强、超早强、中热、低热、抗硫酸盐小于0.0２%,其他品种未作规定。

3、中国新标准，要求所有品种水泥中氯离子含量不大于0．06%。

二、混凝土中氯离子的来源

引起钢筋锈蚀的氯离子存在具有广泛性。其主要来源有：

1、混凝土的原材料。如含氯化物的减水剂、滥用海砂、直接用海水搅拌混凝土或掺入的粉煤灰使用海水排湿工艺等。

2、从建筑物所处环境中渗透进入。如海洋环境中的氯离子以海水、海风、海雾等形式渗入，影响沿海地区混凝土结构的使用性能和寿命；冬季向道路、桥梁及城市立交桥等撒盐或盐水化雪防冰,以便交通畅行；还有盐湖和盐碱地、工业环境等。当混凝土中氯离子含量达 1.１9kg/m3时，侵蚀已经很严重了。据此，一些国家规定不准在钢筋砼桥面板上喷洒盐水化冰。

三、氯离子对混凝土的侵蚀作用

１、氯离子侵入混凝土的方式

氯离子侵入混凝土的方式主要有

1)扩散作用：氯离子从浓度高的地方向浓度低的地方移动；

2)毛细管作用：含有氯离子的溶液向混凝土内部移动;

3)渗透作用:在水压力作用下，盐水向压力较低的方向移动;

4)电化学迁移：电解质溶液在阴阳极吸附作用下的离子的定向移动。

ＣI-在混凝土中的侵入过程通常是几种作用共同存在的。但和速度最快的毛细管吸相比，渗透和电化学迁移产生的迁移可以忽略。对特定的条件,其中的一种侵蚀方式是主要的。另外混凝土中氯离子浓度还受到温度、保护层厚度以及CI－和混凝土材料之间产生化学结合和物理吸附的影响。虽然CI-在混凝土材料中的侵入迁移过程非常复杂，但是在许多情况下，尤其是在海洋环境，扩散被认为是最主要的侵入方式。

2、氯离子作用下混凝土结构的破坏分析

1）氯离子引起钢筋侵蚀的机理

在自然环境中,金属铁并不稳定,容易与周围环境发生化合反应，即具有侵蚀的趋势。而混凝土结构是一种多孔体，通常其孔隙中含有大量水泥水解时产生的Ca(OH)2溶液和少量可溶的钙、钾、钠等碱性金属,使得混凝土具有很强的碱性,ＰH一般为１２~１3。钢筋在这种环境下，表面生成一层致密的、分子和离子难以穿透的、厚为２~１0×1０-９m的“钝化膜”(主要成分为Fｅ2O3和Fｅ3O４）阻止钢筋发生锈蚀。然而，混凝土结构在使用的过程中，当受材料、环境等因素的影响导致碱性降低。相关研究与实践表明,当ＰH＜11．5时,钝化膜开始不稳定(临界值)；当ＰH<9时,钝化膜逐渐破坏,使钢筋处于活化状态、失去保护作用。氯离子侵蚀作用引起钢筋锈蚀,是一个极为复杂的电化学过程。CI-是极强的阳极活化剂，且

具有比其它阴离子如OH-、O２-等优先被吸附的趋势。当ＣI－扩散到钢筋表面并吸附于局部钝化膜时，会通过局部酸化作用破坏钢筋周转的高碱性环境，使钢筋表面和PH值降低至3.５左右,从而溶解钝化膜。即使混凝土的碱度很高，只要CＩ－达到临界浓度值(通常用CI-与OH-的浓度比值来表示)也能破坏钢筋的钝化膜。然后,在充足的O2和H2O的条件下引起钢筋局部锈蚀。其电化学腐蚀机理是:当ＣI－破坏局部钝化膜，露出的铁基体作为阳极、沿完好的大面积钝化膜区域作为阴极，形成“活化-钝化”腐蚀电池,反应的最终产物为铁锈。阳极反应过程是: Fｅ-2e=Fe2+

(2一l)

如果生成的Fe2＋不能及时搬运走而积累于阳极表面，则阳极反应就会受阻；如果生成的Fe2+能及时被搬运走,阳极反应就会顺利进行乃至加速进行。Cl-与Ｆe2+相遇会生成FeCl2使Fｅ2＋被搬运走，从而加速阳极反应。Cl－发挥了阳极去极化作用的功能,其反应式为: (Cl-+Ｈ２O=H＋+Cl-+OH-) Cl－/OＨ－达到临界溶度,优先吸附

２CI－+Fe2++２H２O+2Fｅ=Ｆｅ(ＯH）2 ＋２H++2CI- (２一2)

4Fe(OＨ)2+O2+2H2O=4Ｆｅ(ＯH)3 (2一３)

由上式可以看出,Ｃｌ-本身不构成腐蚀产物,起到催化剂的作用,它在整个过程中并没有消耗掉，而是周而复始地起到破坏作用。另一方面，由于混凝土中氯离子的存在，强化了离子通路,降低了阴、阳极之间的电阻，提高了腐蚀电池的效率，加速了电化学腐蚀过程。2)CI-引起混凝土结构中钢筋锈蚀的过程

由于CI-作用引起钢筋锈蚀的过程一般可分为4个阶段

(１）潜伏阶段即氯离子穿透混凝土保护层后聚集在钢筋表面并达到临界浓度所需的时间，其时间长短取决于混凝土中原始氯离子的含量及ＣI-、CO2在混凝土中的扩散速度。

(2)发展阶段即开始锈蚀后,在钢筋与混凝土之间形成一层铁锈层,随着锈蚀物聚集、膨胀导致混凝土保护层开裂破坏所需的时间。主要受温度、湿度、CO２的扩散速度和混凝土电阴的影响。

(3)加速阶段即形成的锈蚀层体积比被腐蚀掉的金属体积大3~4倍,使混凝土保护层出现沿钢筋方向的纵向裂缝。而后，钢筋锈蚀速度就会大大加快,变形也会加大，有时甚至会出现保护层鼓起及脱落等现象。从而降低了结构的刚度与可靠度,影响结构的正常使用。该阶段除受温湿度、O2的扩散速度和混凝土电阴的影响外,还受荷载作用的影响。由于钢筋锈蚀在混凝土中产生相当大的拉应力，使混凝土承受双向或三向应力,再加上钢筋应力腐蚀，从而大大降低结构的延性和疲劳性能，改变其破坏形态。

(4)破坏阶段即混凝土中的钢筋继续锈蚀后，钢筋的有效截面积减少、钢筋与混凝土粘结性退化。使混凝土结构破坏的因素是ＣI－和O2含量。前者决定锈蚀的起始时间,后者决定锈蚀速度。

3、防止氯离子钢筋侵蚀的应对方法