关于干湿循环条件下氯离子对钢筋混凝土材料的影响分析

李泽君

（安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院　安徽蚌埠　230002　安徽省建筑工程质量监督检测站　安徽合肥　230088）

引言

目前国内外已经先后有一批研究学者通过试验分析等方式证明，大量氯离子利用钢筋混凝土材料中的孔隙结构进入其内部，会引发钢筋出现锈蚀、钢筋体积膨胀等问题。因此为了能够有效保障钢筋混凝土材料的质量，需要对进入其内部的氯离子进行有效控制。基于此，本文将通过依托干湿循环作用，初步探究氯离子对钢筋混凝土材料的实际影响，希望能够为相关研究人员以及防范氯离子锈蚀钢筋混凝土材料提供必要参考。

1　试验分析

1.1　制作试件

为了有效说明干湿循环条件下氯离子对钢筋混凝土材料所产生的实际影响，本文将选择使用试验分析的方式。将试验使用的钢筋混凝土材料规格尺寸设定为180mm×180mm×400mm，将两根直径为16mm的钢筋安装在钢筋混凝土试件的下方位置处，钢筋两端头部位置与导线进行牢固焊接。在完成脱模处理后，需要按照国家相关标准要求对钢筋混凝土试件进行28d的洒水养护，并使用环氧树脂密封试件表面，其侧面以及底面则作为侵蚀面。在进行钢筋混凝土试件的制作过程中，选择使用等级强度为C30的混凝土，按照水泥、水、砂和石1：0.55：2.8：1.65的比例进行水泥的配比。而出于控制试验成本以及方便获取试验材料等目的，本试验依照就地取材的原则直接使用本地产P·O42.5级水泥与当地水域中的砂，通过对其进行筛选处理，最终选用粒径最大值不超过3mm，细度模数为2.4的河砂，试验中使用的碎石粒径最大值为10mm。图1展示的就是钢筋混凝土试件制作示意图。

图1　试件制作（单位：mm）

1.2　试验制度

为了能够真实地表现出干湿循环条件，本文选择直接使用人工气候环境模拟箱对干湿循环进行真实模拟。以12h作为一个循环，在湿时使用浓度为5%的氯化钠溶液，按照从上往下的方向进行为时4h的均匀喷淋，此时需要将温度控制在25℃左右，温度误差值不超过±5℃。在干时进行为时8h的电加热，此时温度需要保障在60℃左右，温度误差值同样不允许超过±5℃。

图2　人工气候环境模拟箱

1.3　取样测试

每经过十天的干湿循环后需要进行一次取样。在实际取样时需要沿着氯离子的侵蚀方向，对距离钢筋混凝土试件各深度位置处的氯离子含量进行精准测量。随后通过使用专业的岩石切割机对试件进行切片处理，本试验中所使用的取样方式为分层取样，取样层共计六层，分别为0～5mm、5～10mm、10～20mm、20～30mm、30～40mm 以及 40～50mm。在对各层在切片取样中产生的粉末进行分别收集整理之后，将其作为代表样品，而后对其进行充分研磨，使其可以全部从0.6mm筛网中通过。最后在温度为105℃左右，温度误差值不超过±5℃的烘箱当中对样品进行为时两个小时的烘干处理，再将其取出后立即放置在干燥器中进行冷却处理，使其温度与室温基本一致即可。

2　试验结果与分析

2.1　干湿循环条件下氯离子含量分布

通过分析整理干湿循环 20d、30d、40d、50d、60d以及 70d时钢筋混凝土试件当中各深度位置处的氯离子浓度分布情况，可知，随着干湿循环天数的不断增加，试件中每一层氯离子含量也会随之出现明显的增加情况。而在与混凝土表层相距1cm的位置处，氯离子浓度最高，即氯离子浓度出现最高峰值。随后氯离子含量将会开始逐渐减少。而出现这一情况可能与钢筋混凝土试件在干湿循环条件下，主要依靠同外界溶液直接接触的方式，使得氯离子可以逐渐渗透其中有关。在干时外部水分大量蒸发，导致钢筋混凝土试件表层孔隙液中的盐分浓度也越来越高，受到浓度差的影响，盐分将逐渐向内扩散。此时氯离子会在试件反复出于干湿循环条件下逐渐向其内部扩散。位于试件表层的氯离子渗透将受到对流以及扩散耦合作用，在不断出于干湿循环状态下，混凝土中的毛细血管将会逐渐吸收氯离子。当其含量达到最大值后，试件内部的氯离子将会因受到浓度差的影响而逐渐向内扩散。

笔者在参考关博文、杨涛（2016）等人的研究结果后，发现试验测得的氯离子含量相对较高[1]。笔者认为这与本试验设计干湿循环次数较多有关，在每两天进行一次干湿循环下，干时最高温度将达到60℃，拥有较大的作用强度。当风干程度逐渐提高时，钢筋混凝土将会出现较强的毛细管吸收作用，从而迅速增加其表层孔隙液的盐分浓度，加快其内部扩散速度，使得氯离子得以在钢筋混凝土材料的内部实现迅速分布。

2.2　氯离子随试件侧壁高度变化分布

本试验通过在制备的钢筋混凝土试件侧壁2cm、9cm以及16cm位置处分别进行取样，并沿着试件侧壁高度方向对氯离子含量分布情况进行精准测定。通过将得到的干湿循环30天和干湿循环60天后的钢筋混凝土试件侧壁高度氯离子含量值进行对比分析，发现在试件侧壁2cm位置处的氯离子含量最少，而在试件侧壁16cm位置处的氯离子含量则最多。沿着试件侧壁从上到下，其每一层的氯离子含量将会逐渐增加。根据试验结果显示，在干湿循环30天时，试件侧壁2cm位置处的氯离子含量只有0.507%，其侧壁9cm位置处的氯离子含量则增加至0.546%，而在该试件侧壁16cm位置处的氯离子含量则增至0.588%。这主要是由于在实际喷淋时滴水受到重力影响，将沿着试件侧壁从上向下流过，并且在向下流的过程中会出现短时间的堆积停留。而位于混凝土表面的液压水头将利用压力梯度驱动氯离子向钢筋混凝土材料内部渗流。因此整体来看，结构上方的孔隙液含量明显小于结构下方孔隙液含量，在结构下方拥有更强的渗流作用和扩散作用，为氯离子向钢筋混凝土材料内部的渗流创造了有利条件。根据试件整体试验结果可知，其角部位置也就是侧壁16cm左右位置处的氯离子侵蚀情况作为严重，因而在对钢筋混凝土材料进行防腐处理时需要重点对这一部位加涂防腐材料等，以有效提高其抗锈蚀能力。

2.3　氯离子浓度对于试件的锈蚀影响

有研究显示，游离在钢筋混凝土孔隙液中的氯离子含量如果超出规定限值，将会直接破坏材料的钝化膜使得钢筋出现锈蚀的情况。因而眼下在钢筋混凝土构件极限破损状态当中，人们常常将氯离子浓度与钢筋临界锈蚀状态相一致视作钢筋混凝土构件耐久性能彻底丧失的一大重要标志。因此想要有效掌握钢筋混凝土材料的使用性能，并对其使用寿命进行精准预估，需要切实掌握这一临界氯离子浓度值。但考虑到在现实中难以精准判断钢筋刚刚开始出现锈蚀情况的时刻，因此比较容易影响临界氯离子浓度测定的精准性。因此本文通过假设混凝土内钢筋表面位置处均匀聚集着一定量的氯离子，此时钢筋所产生的锈蚀也具有良好的均匀性。通过选择出现锈蚀但整体锈蚀情况并不严重的试件对试件中钢筋和混凝土相互接触位置处的氯离子浓度进行取样测试。在破型之后对钢筋锈蚀率进行测试，得到如图3所示的统计结果。

图3　钢筋锈蚀率同周边氯离子含量的关系示意图

根据试验结果显示，钢筋锈蚀率与其周边氯离子含量呈现出明显的线性关系，其关系式为y=0.1262x+0.24，R2=0.9127。在进行数据拟合处理后，钢筋锈蚀率和钢筋与混凝土交界位置处的氯离子浓度之间的关系为C=0.1262ρ+0.24，在这一公式当中，ρ代表着钢筋锈蚀率，单位为%[2]；C代表着钢筋与混凝土交界位置处的氯离子含量在混凝土质量中的占比，单位同样为%。通过计算可知，在钢筋锈蚀率取值为0时，混凝土质量中临界氯离子含量占比为0.24%，即占水泥质量的1.44%。

3　结论

本文通过对干湿循环条件下，氯离子对钢筋混凝土材料的影响进行分析，得出：①在干湿循环条件下，氯离子会在混凝土表层达到一定深度时出现峰值。此前主要依靠混凝土毛细管吸收作用实现表层氯离子的渗透，在此后则因受到浓度差的影响使得氯离子逐渐向材料内部扩散。②沿着钢筋混凝土试件侧壁高度，从上往下氯离子含量将逐渐增加，在角部位置处其含量最高。③在假设钢筋表面氯离子有良好均匀性且钢筋修饰率不高的情况下，钢筋锈蚀率和钢筋与混凝土交界位置处的氯离子含量呈现出明显的线性关系。