混凝土结构的氯盐危害与防护措施

黄晓兰

目前,氯盐侵蚀混凝土建筑的现象越来越严重,特别是沿海地区和多雪地区。据1992年统计,美国因撒除冰盐引起钢筋锈蚀而限载通车的公路桥梁就占1/4,不能通车的约5 000多座。国内外处于浪溅区的海港码头和混凝土桥梁,从投入使用到开始维修,一般不超过10年(如图1,图2所示)。

1 氯离子的侵蚀途径

1.1 从混凝土材料中混入的盐

混凝土材料中可能含盐的材料有粗细骨料、水和化学外加剂。

对于水泥,如果使用海产石灰石等海产原料,或者为了得到早强水泥而添加CaCl2时,这时水泥中就会含有氯盐。一般情况下,水泥中含有的盐是可以忽略的。

对于粗骨料,如果使用的是海产骨料,这时会含有盐。但是国内极少使用这种骨料;而且从粗骨料的比表面积来判断,与细骨料相比,其含盐量是可以忽略的。

掺合料的类型很多,粉煤灰一般不含盐分,但如果煤通过海上运输,受到海水溅侵时,这时粉煤灰可能含有一定的盐分,而膨胀剂一般是不含盐分的。

1.2 从环境侵入混凝土中的盐

外部侵入的盐有海水、海水滴,海盐粒子及除冰盐。

氯离子在混凝土中的渗入能力较强,只要混凝土中有氯离子浓度梯度存在,就有氯离子渗入。一般认为,氯离子渗入混凝土中主要有三种方式,即扩散、毛细孔吸收和渗透。扩散是由于溶液中氯离子浓度梯度引起的;毛细孔吸收是指氯离子随水进入干燥的混凝土中;渗透则是在压力作用下,氯离子随水一起进入混凝土。三种渗入形式一般是同时存在的,其中毛细孔吸收渗入速度最快。

渗入的氯离子在混凝土中有三种存在形式。第一种是氯离子与水泥中C3A的水化产物硫铝酸钙反应生成低溶性的单氯铝酸钙 3CaO◦Al2O3◦CaCl2◦10H2O,即所谓的 Friedel盐(又称氯离子的化学结合物);第二种是氯离子被吸附到水泥胶凝材料的水化产物中去,即被水泥水化产物内比表面积不可逆的吸收(又称氯离子的物理吸附);第三种是氯离子以游离的形式存在于混凝土的孔溶液里,只有这部分以游离态存在的氯离子达到一定的浓度才会对钢筋造成腐蚀。

2 氯离子的破坏作用

混凝土中pH值高,能大幅度抑制钢筋的锈蚀。但是,即使在高pH值的环境下,如存在氯离子,由于氯离子作用,钝化膜受到破坏,钢筋产生腐蚀(见图3)。关于这种现象的机理有以下几种说法:1)由于氯离子向钝化膜的解胶作用,促进了铁离子的溶解。2)由于生成络合物,为连续反应创造了条件。3)对阳极反应起触媒作用。4)通过与铁的直接反应,生成中间性产物。5)降低pH值。6)增加电传导。

从上述论点来看,氯离子的作用是间接的;而且是一种触媒的作用。但是,也没有得到充分的说明。此外,混凝土中腐蚀环境条件不均一的情况下,会构成宏观电池。这种宏观电池与一般腐蚀中的局部电池(微电池)不同,阳极和阴极的面积比小,多形成孔腐蚀形态。

3 防护对策

关于混凝土中临界的或者无害的氯离子含量的各种因素关系如图4所示。防止盐害的对策应包括:1)混凝土中允许的氯离子含量;2)盐分与海洋环境氯离子的侵入;3)从混凝土表层氯离子扩散渗透到钢筋表面;4)导致钢筋腐蚀的临界值等。

3.1 允许氯化物含量

在国外,日本工业标准中规定混凝土中氯离子含量为0.30 kg/m3;美国海洋混凝土结构中氯离子含量不超过水泥质量的0.10%(RC)或0.06%(PC);英国混凝土结构标准中规定,氯离子含量应不大于0.1%水泥质量(PC)或0.4%水泥质量(RC)。

在我国规范中,对预应力混凝土及处于易腐蚀环境中的钢筋混凝土中氯离子的含量不超过0.06%的水泥质量。

3.2 提高混凝土抗氯离子侵入能力

1)严格控制水灰比和保护层厚度;2)优化混凝土组成材料;3)在混凝土中掺入氯离子吸附剂;4)严格控制裂缝宽度;5)用耐候性好的涂料对混凝土表面进行防护;6)采用环氧树脂涂层钢筋;7)电化学防腐蚀;8)严格执行设计和施工规范要求。

4 结语

氯盐的危害是影响混凝土结构耐久性的重要因素。深刻理解氯盐侵蚀对钢筋锈蚀的影响有重要意义。对于未建工程,进行耐久性设计时,可选取合理的方法,避免结构较早破坏,造成巨大经济损失;对于在役混凝土结构,应做出正确的耐久性评定和剩余寿命预测,以选择正确的处理和加固方法。

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