氯盐腐蚀环境下混凝土结构氯离子渗透与扩散研究综述

蒋萌

（中铁二十四局集团有限公司，上海200071）

氯盐腐蚀环境下混凝土结构氯离子渗透与扩散研究综述

蒋萌

（中铁二十四局集团有限公司，上海200071）

氯离子渗透与扩散规律研究是氯盐腐蚀环境下混凝土结构耐久性研究的关键工作，论文主要介绍了氯盐腐蚀环境下混凝土结构氯离子渗透与扩散国内外研究状况。研究表明，建立混凝土结构中氯离子渗透与扩散理论模型必须考虑环境温湿度、混凝土材料劣化效应、混凝土表面氯离子浓度、氯离子扩散系数的时间依赖性、混凝土碳化、混凝土应力状态、混凝土材料对氯离子结合作用等因素，结合具体工程情况判断哪些因素起主导作用，并提出进一步的研究方向。

混凝土耐久性；氯离子；渗透与扩散；Fi ck第二定律

1 引言

氯盐腐蚀环境下的混凝土结构，由于环境侵蚀条件、混凝土缺陷和渗透性能、结构的腐蚀情况等因素，其力学性能和整体性能产生退化，如图1、图2所示。国内外大量调查与研究表明，氯盐腐蚀环境下影响混凝土结构耐久性的首要因素是氯盐和钢筋腐蚀，而氯离子渗透与扩散是影响钢筋腐蚀的主要原因。20世纪80年代以来，我国学者相继对舟山港、湛江港、惠州港、天津港等海港工程进行耐久性调查与研究，均发现较为严重的耐久性病害问题；浙江大学结构工程研究所通过对我国沿海桥梁、码头和工业建筑的调查，发现我国沿海混凝土工程存在着较为普遍的“南锈北冻”问题[1]。

沿海地区是我国经济的核心区域，在沿海地区我国投入了大规模的人力物力进行基础设施建设，大量的调查与研究表明，许多海港工程达不到其设计使用寿命，盐害腐蚀每年给我国造成巨大的经济损失，约为1800～3600亿元[2]。加强氯盐腐蚀环境下混凝土结构耐久性研究是一个很重要的课题，氯离子渗透与扩散规律研究是耐久性研究的关键工作。本文主要介绍了氯盐腐蚀环境下混凝土结构氯离子渗透与扩散国内外研究状况，并提出了进一步研究的方向。

图2 钢筋锈蚀

2 氯离子渗透与扩散国外研究现状

20世纪初，俄国学者诺姆斯基等人对欧洲一些国家的港口工程进行了调查，调查研究表明钢筋锈蚀问题是影响氯盐腐蚀环境下混凝土结构的耐久性的主要因素，Page等[3]研究氯盐腐蚀环境下混凝土结构中钢筋锈蚀的机理，研究表明氯离子侵蚀导致混凝土结构中钢筋的锈蚀。1972年，Collepardi等[4]提出用Fick第二定律计算混凝土结构中氯离子侵蚀，氯离子在混凝土中以扩散为主要方式且不考虑对流的影响并假设：氯离子扩散时不与混凝土结合，无化学反应或物理黏结；混凝土是半无限均匀介质，是可渗透性的且是均质的；氯离子扩散系数不随时间变化。Fick第二定律已成为预测氯离子在混凝土中扩散的经典方法之一，然而混凝土中氯离子的扩散是非稳态和非线性的，混凝土是多孔性非均质材料，氯离子扩散系数与混凝土材料特性、环境温度、结构服役时间等因素有关，并不是一个定值，因此，Fick第二定律是个理想化模型。

进入混凝土内部的氯离子与混凝土材料结合，一部分被物理吸附，一部分被化学结合生成新的水化物，降低了氯离子扩散速度并减少了到达钢筋表面积累氯离子的数量，Papadakis等[5]研究表明，混凝土中氯离子有结合氯离子和游离氯离子这两种存在形态，混凝土中结合氯离子是不能移动且不会引起钢筋锈蚀，氯离子渗透与扩散必须考虑混凝土对氯离子的结合作用，Nilsson等[6]考虑混凝土对氯离子的结合能力，建立了氯盐腐蚀环境下混凝土中结合氯离子与游离氯离子之间的关系。Perez等[7]提出了Linear模型、Langmuir模型和Freundlich模型这3种结合氯离子模型。Perez等研究表明采用Linear模型来分析混凝土结合氯离子能力，当氯离子浓度较高时，过高估计了被结合的氯离子的含量，而在氯离子浓度较低时却低估了被结合的氯离子的含量；当孔隙溶液中氯离子的浓度小于1.773kg/m3时，采用Langmuir模型可以较好地反映出结合氯离子和自由氯离子之间的关系；当氯离子浓度较高时，采用Freundlich模型分析混凝土结合氯离子能力比较合适。大量试验研究表明被结合的氯离子和自由氯离子之间的关系一般是非线性的，为了简化模型，一般采用Linear模型来研究混凝土结合氯离子能力。

氯盐腐蚀环境下混凝土结构表面和内部由于荷载、温湿度、结构本身缺陷等因素，存在着许多裂缝，这些裂缝的宽度和深度一般较小，对结构的承载能力影响不大，Mohammed等[8]研究表明，氯离子由于这些裂缝的存在可以比较容易侵入混凝土结构的内部，裂缝的存在影响混凝土结构的耐久性，加快了氯离子的渗透与扩散。Li[9]通过对大量试验数据的分析研究表明，Fick第二定律并不适用于裂缝宽度大于0.1mm的钢筋混凝土构件。Boddy[10]对氯离子扩散的温度敏感性进行了研究，Boddy等人的研究表明，环境温度对氯离子扩散的影响很大，随着温度的增加，氯离子侵蚀速度迅速加快，钢筋区域的氯离子浓度增加，氯离子扩散系数在适宜的温度下会得到的提高。氯离子侵入混凝土结构的速率参数可以用氯离子扩散系数来表征，Mangat等[11]用幂函数来表征氯离子扩散系数随时间变化的规律，建立考虑时间依赖性的氯离子扩散模型，研究表明，氯离子渗透性与混凝土结构的暴露条件以及其质量有关。Boddy等[12]考虑混凝土结构表面氯离子浓度随时间的变化、混凝土中毛细管作用、外部环境对结构的应力作用、氯离子扩散系数的时间性等因素，建立了修正的氯离子扩散模型。

3 氯离子渗透与扩散的国内研究现状

我国对氯盐腐蚀环境下混凝土结构氯离子渗透与扩散研究起步较晚，20世纪80年代南京水利科学研究所林宝玉等[3]根据中交航务工程局等相关单位关于我国海港工程调查、检测等[13]资料，开始研究我国沿海地区混凝土结构病害主要原因，在此基础上通过相关试验研究提出了适合我国沿海地区混凝土结构耐久性要求的技术指标，陈伯起等[14]通过湛江、上海和天津钢筋混凝土观测站现场暴露试验10年观测资料的分析研究，提出海港码头的钢筋锈蚀破坏主要发生在从平均高潮位开始、向上延伸1.5m的区间内。中交四航局科研所的张宝兰等对华南海港钢筋混凝土进行10年的暴露试验，试验研究表明结构在大气区氯离子积聚量较小，氯离子积聚量在水位变动区最多，随深度的变化，氯离子在各个区域内积聚量并非线性递减。东南大学的余红发等[15]基于Fick第二扩散定律，考虑混凝土结构缺陷、氯离子扩散系数的时间依赖性和混凝土结合氯离子能力建立了氯离子扩散模型。氯盐腐蚀环境下混凝土结构的大气区和水位变动区，结构不仅受氯离子侵蚀，而且还存在混凝土碳化。同济大学的郑永来等[16]通过混凝土结构氯离子快速渗透试验和快速碳化试验，研究了碳化程度对氯离子扩散系数的影响。研究表明：碳化提高了混凝土的密实度，阻止氯离子的扩散，混凝土中氯离子扩散系数降低；氯离子扩散系数未碳化试件的最大，未碳化混凝土试件的氯离子扩散系数约为完全碳化试件的2.3倍，完全碳化试件与部分碳化试件的氯离子扩散系数相对较小，但二者差别不大。浙江大学的许晨等[17]通过对比试验，研究了混凝土结构中碳化与氯离子侵蚀的相互影响并分析研究了二者之间的耦合作用。研究表明，碳化会释放混凝土中的结合氯离子，自由氯离子增多从而加速了氯离子扩散，混凝土空隙由于碳化产物的填充会阻止氯离子的扩散，混凝土碳化对氯离子侵蚀的影响存在促进和阻碍这两种效应，必须根据实际情况确定哪一方面的效应起主导作用。

浙江大学的姚昌建等[18]根据电化学理论以及海洋环境下长期服役混凝土结构内部毛细孔结构的演化，理论推导了氯离子介质在溶液中的扩散方程。研究表明，氯离子扩散系数在混凝土结构内部随着深度的增加而不断增大。浙江大学的张奕等[19]对海洋环境下混凝土结构在干湿交替区氯离子随高程变化的分布规律进行了研究，干湿交替区混凝土结构中氯离子分布的规律主要与该区域环境因素的变化规律相关，混凝土结构中氯离子在干湿交替区域的输运是离子浓度扩散与对流耦合在孔隙非饱和状态下的渗透，氯离子侵蚀程度随着高程的增加先增大后减小，其中在某一高程处的氯离子侵蚀会达到极值，结构耐久性设计与维护的关键部位应取该区域。混凝土结构在干湿交替作用下结构表层内水分传输的机理是不同的，清华大学的李春秋等[20]在此基础上建立了混凝土内氯离子在结构表层干湿交替作用下的传输模型。李春秋等研究表明混凝土结构在干湿交替作用下结构中水分传输的影响深度要大于氯离子传输的影响深度，混凝土对氯离子有较强的吸附性，混凝土结构受氯离子入侵程度浸没于氯盐溶液中的结构要小于干湿交替作用下的结构。范宏等[21]通过实验室和海洋环境下混凝土结构中氯离子含量分布的对比试验，研究表明，混凝土结构表层氯离子分布与所处环境相关，氯离子扩散系数随着结构暴露时间的推移而减小，混凝土质量对氯离子在混凝土中扩散的影响需通过长时间暴露试验才能反映出来。中国科学院的金祖权等[22]研究表明，混凝土对氯离子的结合能力在裂缝处要大于其周边区域，总氯离子扩散系数随裂缝宽度增加而提高，但自由氯离子扩散系数在裂缝处随着其宽度的增加而下降最终趋于稳定，对于海洋环境下混凝土结构的水下区，海水中某些成分会与混凝土中某些成分发生化学反应，生成碳酸钙、氢氧化镁等沉淀物质进而可以延缓氯离子对结构的侵蚀，因为这些沉淀物质可以堵塞结构在水下区的裂缝。

4 结语

本文主要介绍了在氯盐腐蚀环境下混凝土结构氯离子渗透与扩散的国内外研究状况。通过研究表明，建立混凝土结构中氯离子渗透与扩散理论模型需考虑环境温湿度、混凝土材料劣化效应、混凝土表面氯离子浓度、氯离子扩散系数的时间依赖性、混凝土碳化、混凝土应力状态、混凝土材料对氯离子结合作用等因素，必须结合具体工程情况判断哪些因素起主导作用进而建立相应理论分析模型。氯盐腐蚀环境下混凝土结构有些部位可能处于二维或三维氯离子渗透状态，而这些部位正是混凝土结构耐久性研究的关键部位。笔者认为氯离子渗透与扩散研究今后应着重研究考虑多重因素的二维和三维氯离子渗透与扩散模型。

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A Review of Study on the Permeation and Diffusion of Chloride Ion in Concrete Structure underChlorineSaltCorrosionEnvironment

JIANGMeng
(ChinaRailway24thBureau GroupCo.Ltd.,Shanghai 200071,China)

Thestudyon the law of permeation and diffusion of chlorideion is the key work of durabilitystudy ofconcreteunder chlorinesalt corrosion environment,the study on the permeation and diffusion of chloride ion in concrete under chlorine salt corrosion environment domesticandaboard isintroduced.Thestudy indicated thatestablish theoreticalmodelofpermeationanddiffusionofchlorideion in concrete need consider environmental temperature,material degradation effect,chloride concentration in concrete surface,time of diffusion coefficient,concrete carbonization,stress state,material degradation effect of concrete and so on,and combine w ith practical engineer and determ inewhich factorsplaya leading role.Finally,thedirectionof furtherstudy ispointedout.

durabilityofconcrete;chlorideion;permeationanddiffusion;Fick'ssecond law

TU528

A

1007-9467（2015）08-0034-04

10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.003

2016-03-07

蒋萌（1983～），男，江苏盐城人，工程师，从事结构耐久性研究，（电子信箱）jiangm eng998@126.com。