混凝土中氯鹽與鋼筋腐蝕的幾個相關問題

1、混凝土中氯鹽與鋼筋腐蝕的幾個相關問題洪乃豐(中冶集團建筑研究總院北京100088摘要:氯鹽環(huán)境是最廣泛的腐蝕環(huán)境,是引起混凝土中鋼筋腐蝕破壞的元兇。對經(jīng)常遇到的幾個問題進行闡述并討論。關鍵詞:氯鹽混凝土鋼筋腐蝕耐久性THE CORRE LATIVE QUESTIONS OF CH LORI DE AN D REBAR CORR OSION IN CONCRETEH ong Naifeng(Central Research Institute of Building and C onstruction of MCC G roup Beijing 100088Abstract :The chlor

2、ide environment is the m ost extensive corrosion environment 1It is prime criminal of rebar corrosion in concrete .This paper expounds and discusses the correlative questions that are often met.K eyw ords :chloride concrete rebar corrosion durability作者:洪乃豐男1938年1月出生教授級高工收稿日期:2003-02-281氯鹽環(huán)境與進入混凝土中的主

3、要途徑111我國存在廣泛的氯鹽環(huán)境11111海洋環(huán)境海洋是氯鹽的主要來源,我國有廣闊的海域,海岸線很長,島嶼眾多,而大規(guī)模的建設大都集中在沿海地區(qū)。應該指出的是,我國沿海地區(qū),已經(jīng)出現(xiàn)河砂缺乏的情況,不經(jīng)技術處理就使用海砂的現(xiàn)象日趨嚴重。在我國海工工程中,由于氯鹽引起的鋼筋銹蝕破壞十分突出,國外的經(jīng)驗教訓也表明,海水、海風、海霧中的氯鹽和不合理地使用海砂,是造成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不能耐久的主要原因之一,導致工程的過早破壞和大量修復,給社會帶來巨大損失。就海洋與濱海鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性而言,海風、海霧的影響也值得高度重視。大量實踐表明,潮差、飛濺區(qū)以上暴露于大氣中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),其內(nèi)部鋼筋的腐蝕

4、也往往是嚴重的(如跨海橋的上部結(jié)構(gòu)、橋面板等,由于帶鹽的海風、海霧頻繁地接觸混凝土表面,混凝土表面的氯鹽也會被“濃縮”。這些部位表面混凝土的氯離子(Cl -濃度,雖然不及飛濺區(qū),但也可達到相當濃度(與離海水遠近有關。而這些部位氧氣、水氣供給充足,有利于鋼筋腐蝕的發(fā)生與發(fā)展,因此也應該是防護的重點對象。一些跨海或濱海橋梁工程忽視了對這些部位的防護,結(jié)果造成結(jié)構(gòu)物的過早破壞,國內(nèi)外不乏其例。日本對于海洋環(huán)境、海風、海霧的影響,按臨海距離進行了分級:臨海0100m :嚴重腐蝕;1001000m :腐蝕;100010000m :輕腐蝕;>10000m :腐蝕可忽略。11112道路化冰(雪鹽為保證

5、交通暢行,冬季向道路、橋梁、城市立交橋等撒鹽或鹽水,以化雪和防冰。早期大量使用的是氯化鈉,后來也使用了氯化鈣、氯化鎂等。氯鹽滲透到混凝土中,引起鋼筋銹蝕破壞,不少國家為此吃了大虧。這是人為造成的氯鹽環(huán)境的腐蝕破壞。我國北方地區(qū),已經(jīng)和正在采用撒氯鹽的辦法化雪,如北京以往每年冬季可撒6001000t 氯鹽,而2003年初,撒氯化鈣類“融雪劑”7000t 。拆除、改造中的西直門立交橋(使用20年,鋼筋銹蝕破壞嚴重,已可驗證使用化冰(雪鹽的危害。氯鹽化冰(雪性能好、價格便宜,從短期經(jīng)濟利益考慮,國內(nèi)外很難一時完全取消使用氯鹽化冰(雪。在一定時期內(nèi),人們還將面臨使用氯鹽的局面,因此化冰(雪鹽的危害可能

6、是潛在的和長期的。11113鹽湖、鹽堿地我國有一定數(shù)量的鹽湖和大面積的鹽堿地,大體可分為沿海和內(nèi)陸兩種類型。沿海地區(qū)的鹽堿地大都以含氯鹽為主,內(nèi)陸鹽堿地有的以含氯鹽為主(如青海,有的以含硫酸鹽為主,多數(shù)情況是含混合鹽。這些地區(qū)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可能受到很強的腐93Industrial C onstruction V ol 133,N o 111,2003工業(yè)建筑2003年第33卷第11期蝕。另一個突出的特點是,我國的鹽湖、鹽堿地盛產(chǎn)石油和其他礦產(chǎn),是已經(jīng)和正在開發(fā)的資源寶地,特別是在西部大開發(fā)過程中,對鹽腐蝕問題更應高度重視并妥善解決。11114工業(yè)環(huán)境工業(yè)環(huán)境十分復雜,就腐蝕介質(zhì)而言,有酸、堿、

7、鹽等,并有液、汽、固態(tài)等不同形式。其中以氯鹽、氯氣、氯化氫等為主的腐蝕環(huán)境不在少數(shù),處在此類環(huán)境中的鋼筋混凝土建筑物,其腐蝕破壞往往迅速而嚴重。112氯鹽(Cl-進入混凝土中的主要途徑11211“混入”混凝土中如摻用含氯鹽外加劑、使用海砂、施工用水含氯鹽、在含氯鹽環(huán)境中拌制和澆筑混凝土等。11212“滲入”混凝土中環(huán)境中的氯鹽通過擴散滲入混凝土并到達鋼筋表面(混凝土的宏觀、微觀缺陷大大提高Cl-進入混凝土中的速度。除環(huán)境外,“滲入”程度與混凝土的綜合技術和質(zhì)量、混凝土多孔性本質(zhì)、密實性、工程質(zhì)量、鋼筋表面混凝土保護層厚度等多種因素有關。就海工工程和使用化冰鹽的場合,以往的國內(nèi)外經(jīng)驗表明,在52

8、0年期間出現(xiàn)鋼筋銹蝕破壞,遠遠達不到設計要求的壽命年限(如40年,這也正是在這種環(huán)境中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)“耐久性”不足的大問題。2Cl-對鋼筋銹蝕的主要作用211破壞鈍化膜水泥水化的高堿性(pH1216,使其內(nèi)鋼筋表面產(chǎn)生一層致密的鈍化膜,對鋼筋有很強的保護能力,這正是混凝土中鋼筋正常情況下不受腐蝕的主要原因。然而,此鈍化膜只有在高堿性環(huán)境中才是穩(wěn)定的,這一點十分重要,卻常被人忽視。研究與實踐表明,當pH<1115時,鈍化膜就開始不穩(wěn)定(臨界值;當pH<9188時,鈍化膜生成困難或已經(jīng)生成的鈍化膜逐漸破壞。Cl-進入混凝土中并到達鋼筋表面,當它吸附于局部鈍化膜處時,可使該處pH 值迅速

9、降低。有微觀測試試驗表明,Cl-局部酸化作用可使鋼筋表面pH降低到4以下(酸性。Cl-對鋼筋表面鈍化膜有很強的破壞作用。212形成“腐蝕電池”Cl-對鋼筋表面鈍化膜的破壞首先發(fā)生在局部(點,使這些部位(點露出了鐵基體,與尚完好的鈍化膜區(qū)域之間構(gòu)成腐蝕電池,腐蝕電池作用的結(jié)果是鋼筋銹蝕。213Cl-的陽極去極化作用Cl-不僅促成了鋼筋表明的腐蝕電池,而且加速電池作用的過程。陽極反應過程是Fe-2e= Fe2+,如果生成的Fe2+不能及時搬運走而積累于陽極表面,則陽極反應就會因而受阻;相反,如果生成的Fe2+能及時被搬運走,那么,陽極過程就會順利進行乃至加速進行。Cl-與Fe2+相遇會生成FeCl

10、2, Cl-能使Fe2+“消失”,從而加速陽極過程。通常把使陽極過程受阻稱作陽極極化作用;而加速陽極過程者,稱作陽極去極化作用,Cl-正是發(fā)揮了陽極去極化作用的功能,其反應式為:(Cl-+Fe2+H2O+2e=Fe(OH2+2H+2Cl-(1由式(1看出,Cl-只參與了過程,同時起到“搬運”作用,重要的是它在整個過程中并沒有被“消耗”掉,即凡是進入混凝土中的游離狀態(tài)的Cl-,會周而復始地起破壞作用,這也是氯鹽危害的特點之一。214Cl-的導電作用腐蝕電池的要素之一是要有離子通路。混凝土中Cl-的存在,強化了離子通路,降低了陰、陽極之間的電阻,提高了腐蝕電池的效率,加速了電化學腐蝕過程。215C

11、l-與水泥的作用及對鋼筋銹蝕的影響水泥中的鋁酸三鈣(C3A,在一定條件下可與氯鹽作用生成不溶性“復鹽”,降低了混凝土中游離Cl-的存在,所以,C3A含量高的水泥品種有利于抵御Cl-的侵害。海洋環(huán)境中優(yōu)先選用C3A含量較高的普通硅酸鹽水泥,道理就在于此。但是,應該注意的是,“復鹽”只有在強堿性環(huán)境下才能生成和保持穩(wěn)定,當混凝土的堿度降低時,“復鹽”會發(fā)生分解,重新釋放出Cl-來。就此而言,“復鹽”還有潛在危險的一面。保持混凝土的高堿性對于防止“復鹽”的分解也是非常重要的。此外,在同時含有硫酸鹽的情況下,Cl-與C3A生成“復鹽”,有利于降低硫酸鹽與C3A作用而發(fā)生的“膨脹”破壞。就是說Cl-在一

12、定條件下可抑制硫酸鹽對混凝土的破壞作用,但必須保持混凝土的高堿度,并且氯鹽、硫酸鹽在混凝土中有較低的濃度。否則,氯鹽與硫酸鹽高濃度的累加作用,將加速鋼筋腐蝕和對混凝土的破壞。3混凝土中Cl-的“臨界值”和“限定值”311混凝土中Cl-的“臨界值”混凝土內(nèi)為高堿性環(huán)境,Cl-滲入其內(nèi)并到達鋼筋表面,只有達到一定濃度時鋼筋才會銹蝕。人們將此濃度稱作引起鋼筋銹蝕的“臨界值”。有許多關于該“臨界值”的研究與討論,至今仍有不同認識和看法。這并不奇怪,因為混凝土是一個復雜的體04工業(yè)建筑2003年第33卷第11期系,研究者所規(guī)定的試驗條件不同,其結(jié)果也有差異。目前,較為一致的觀點是,“臨界值”是隨條件而變

13、的,其中,最重要的條件之一是混凝土的堿度。H ousmen等人的試驗研究結(jié)果表明,在混凝土的液相中,當濃度比值為Cl-OH->0161時,鋼筋開始銹蝕,并以此作為“臨界值”。絕對“臨界值”可能是不存在的,但上面提出的“臨界值”仍具有深刻意義,對于工程技術人員有著現(xiàn)實指導作用。就是說,混凝土的高堿度不僅對于鋼筋鈍化是必要的,對于有氯鹽條件下的鋼筋保護也是重要的。降低水泥、混凝土中K+、Na+含量,有利于防止“堿集料反應”的發(fā)生,然而,考慮到對鋼筋的保護,在選用水泥時,決不是“堿度越低越好”。312混凝土中氯鹽的“限定值”鑒于氯鹽進入混凝土中可引起鋼筋銹蝕,并存在一個Cl-濃度的“臨界值”,

14、為使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在使用期內(nèi)避免遭受鋼筋腐蝕破壞,嚴格控制Cl-進入混凝土中的量,是十分必要的。在試驗研究和工程實踐的基礎上,世界上許多國家在其規(guī)程、規(guī)范、政府指令性文件中,都作了相應的限量規(guī)定?！跋薅ㄖ怠笔侵笇炷林蠧l-含量的總量控制值。不管以何種途徑進入到混凝土中,都不允許Cl-含量超出該限定值,特別是新建工程,不允許超過此“限定值”,并以此作為新建工程質(zhì)量控制的重要技術指標之一。表1列出了美國混凝土學會(ACI的相關規(guī)定。表1混凝土中允許Cl-含量的限定值(水泥質(zhì)量百分比類型ACI201ACI318ACI222預應力混凝土010*干燥環(huán)境或有外防護層無規(guī)定11000120由表1可以看

15、出,美國混凝土學會所屬的幾個委員會的規(guī)定不完全相同,其中以ACI201委員會的規(guī)定比較嚴格,并被世界許多國家參照采用。歐洲、澳大利亞、日本等地區(qū)和國家,在各自的規(guī)范中,都有與美國混凝土學會相同或近似的限量規(guī)定。日本為了更便于應用,規(guī)定了每1m3混凝土中Cl-含量的限定值。日本土木學會編制的規(guī)范中規(guī)定,對于耐久性要求較高的鋼筋混凝土,Cl-總量不超過013kgm3;一般鋼筋混凝土,Cl-總量不超過016kgm3。若每1m3混凝土按300kg水泥計算,以上規(guī)定為水泥質(zhì)量的011%012%,與表1中美國的規(guī)定基本一致。然而,日本是一個島國,并且河砂奇缺,如今,絕大多數(shù)采用海砂。面對廣泛的氯鹽環(huán)境,日

16、本一方面有Cl-總量的限制規(guī)定,另一方面規(guī)定了“超標”時必須采取的技術措施。如日本建設省指令性文件確保鋼筋混凝土耐久性措施中規(guī)定,每1m3混凝土Cl-總量一般不要超過013kg,當達到013016kg或超過016kg時,必須采取技術措施,如摻加能阻止氯鹽腐蝕作用的鋼筋阻銹劑等。許多年前,我國曾沿用蘇聯(lián)的相關規(guī)范,甚至允許鋼筋混凝土中摻2%的氯化鈣,造成不少工程事故。后來我國有關規(guī)范中,仍有允許摻1%的氯鹽的規(guī)定(雖然限制12種情況下除外,這與上述“限定值”的規(guī)定是很不協(xié)調(diào)的。近期國內(nèi)制訂、修訂的規(guī)程、規(guī)范有了很大改進。對于混凝土中Cl-限量規(guī)定值雖然各有不同,但逐步靠近如下指標:對于預應力混凝

17、土:Cl-總量不超過0106%(水泥質(zhì)量百分比;對于普通混凝土:Cl-總量不超過0110%(水泥質(zhì)量百分比。在此方面,我國也在逐步與國際標準接軌,這是好的趨勢。4Cl-在混凝土中的擴散(滲透的相關因素411Cl-在混凝土中的擴散(滲透與混凝土厚度、水灰比的關系圖1為50年海洋環(huán)境(年平均溫度18中混凝土方樁的混凝土厚度與Cl-滲透量之間的關系 。1-水灰比為0145;2-水灰比為0140;3-水灰比為0135;4-電量為600C;5-電量為300C圖1混凝土厚度與Cl-滲透量之間的關系由圖1可以看出:1Cl-在混凝土中的濃度(含量是隨混凝土的深度(厚度而減小的;2在同樣環(huán)境條件下,混凝土的水灰

18、比越低, Cl-在混凝土中的濃度(含量越低,并隨混凝土的深度(厚度的增大而衰減越快,說明降低水灰比對于降低Cl-在混凝土中的滲透速度是很有效的;3Cl-在混凝土中的濃度(含量隨混凝土厚度的增大而降低。說明增大混凝土保護層厚度,對于減緩Cl-的滲透量也是很有效的;4即使是高密實混凝土(用電量法測定,其電量14混凝土中氯鹽與鋼筋腐蝕的幾個相關問題洪乃豐在300600C 之間,50年、66mm 混凝土保護層,鋼筋表面Cl -的濃度也達到了足以使混凝土順筋開裂的“臨界值”(1kg m 3;采用水灰比為0145的混凝土,50年、66mm 處鋼筋表面Cl -的濃度可達到15kg m 3。如果混凝土保護層厚

19、度更小或者水灰比更大,鋼筋表面Cl -的濃度還會更高。有人預測,采用高密實混凝土,如果能在50年內(nèi)使鋼筋表面的Cl-的濃度不超過“臨界值”(1kg m 3,混凝土保護層厚度至少需要120mm 。以上分析表明,海洋環(huán)境下要保證鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)50年的使用壽命,并不容易。增大混凝土保護層厚度是有效的措施之一,但有些結(jié)構(gòu)(如橋梁不可能采用太厚的保護層;降低水灰比也是有效措施之一,但也有一定限度。單依靠這些“常規(guī)”措施,在嚴酷的腐蝕環(huán)境下難以滿足50年耐久的要求。412Cl -在混凝土中的擴散(滲透與齡期的關系圖2是關于Cl -滲透量與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)齡期之間的關系?；炷帘Ｗo層厚度是65mm ,處在飛濺

20、區(qū),年平均溫度為19,混凝土表面Cl -含量為15kg m 3。由圖2可以看出: 1-水灰比為0140;2-水灰比為0140,加硅灰圖2鋼筋表面Cl -滲透量與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)年限之間的關系1到達鋼筋表面Cl -濃度隨齡期而增大,并且很快可以達到、超過“臨界值”(1kg m 3。這是由嚴酷的腐蝕環(huán)境所決定的。對于水灰比為0140的情況,50年可達7kg m 3,100年可達9kg m 3;對于在水灰比為0140的基礎上加8%硅灰的情況,50年可達415kg m 3,100年可達515kg m 3。2鋼筋表面Cl -在濃度達到“臨界值”(1kg m 3的時間,對于水灰比為0140的情況約為8年,對

21、于在水灰比為0140的基礎上加8%硅灰的情況約為18年(我國實際中的海工、港工工程,處在飛濺區(qū)的部位,不少是在幾年、十幾年內(nèi)出現(xiàn)順鋼筋開裂的情況;加硅灰對于阻止氯鹽進入混凝土中,具有顯著的效果,但在此嚴酷腐蝕環(huán)境中,仍難達到耐久的目的(如50年。以上是在年平均溫度為19的情況,溫度不同,情況也不一樣。這些數(shù)據(jù)僅有參考意義,不同情況、不同試驗者,可能得出各自不同的結(jié)果。5關于判斷鋼筋腐蝕破壞(修復的Cl -濃度“臨界值”的討論針對“老”工程,目的是確定何時需要修復,有人提出修復“臨界值”的概念。一些人認為,應該是“鋼筋開始銹蝕的時間”,還有人認為應該是鋼筋腐蝕導致“混凝土出現(xiàn)順鋼筋開裂的時間”。

22、實際中,由于環(huán)境的差異、混凝土性能和質(zhì)量的不同、保護層厚度的區(qū)別、鋼筋直徑不同等等眾多因素,不可能存在同一個“臨界值”。大量試驗和工程實踐表明,混凝土中Cl -濃度超過一定值,鋼筋確實就會開始銹蝕。為了保證新建工程的質(zhì)量,一般要控制混凝土中Cl -濃度不超過水泥質(zhì)量的011%012%或按混凝土在013016kg m 3范圍內(nèi)。理論、實踐都證明,在013016kg m 3范圍內(nèi)有引起鋼筋銹蝕的可能,超過時可能性更大。混凝土中Cl -濃度與混凝土中到達鋼筋表面的Cl -濃度并不是一個概念。前者是指“平均值”,用于描述事先混入混凝土中的Cl -的濃度比較合適(新工程控制;后者是指環(huán)境中Cl -滲入混凝土中的情況,到達鋼筋表面需要時間,在混凝土中是按梯度分布的(圖1。但引起鋼筋銹蝕的“臨界值”也應該在013016kg m 3范圍內(nèi),超過時鋼筋腐蝕的可能性更大。因此,一些研究人員和工程技術人員相信混凝土中到達鋼筋表面的Cl -濃度在016019kg m 3范圍內(nèi),屬于腐蝕開始和發(fā)展期,當達到1kg m3