混凝土中氯离子侵蚀及预防措施研究综述

混凝土中氯离子侵蚀及预防措施研究综述

陈霞

1. 重庆交通大学 土木工程学院，重庆  400074

摘要：氯离子是引起混凝土结构中钢筋发生锈蚀的一项重要因素，氯离子广泛存在于海洋、盐湖、盐碱地、工业环境、特种行业等各种环境中，因此氯离子引起混凝土侵蚀所造成的混凝土耐久性不足是一个不容回避的问题。本综述通过概述混凝土结构中氯离子的来源，结合混凝土结构多孔的特性，分析氯离子在混凝土中扩散的影响因素及其对混凝土结构的侵蚀机理。最后在氯离子侵蚀的研究基础上，指出可从改进混凝土性能、改进钢筋性能、防腐涂层、阴极保护四个方面预防氯离子侵蚀。

关  键  词：混凝土；氯离子侵蚀；机理；预防措施

1   氯离子侵蚀

1．1   氯离子来源

通常，普通硅酸盐水泥中所含的氯离子很少，但减水剂、早强剂、防水剂、防冻剂等外加剂多含有氯元素，在拌制时易混入混凝土中，此外沿海地区的海沙、海水富含氯元素，若在拌制前为进行脱氯处理，也会使得混凝土中的氯元素过量。

地表水、地下水、再生水、生产企业循环水、冲洗设备用水、拌制混凝土等都会在混凝土中引入大量氯元素，导致氯离子含量超标。沿海地区的混凝土建筑大多直接接触氯离子，导致混凝土结构容易受到氯离子的侵蚀。

1.2   氯离子侵蚀机理

1.2.1 钢筋钝化膜破坏

钢筋的表面有一层致密的钝化膜，对钢筋形成保护作用，而氯离子对钢筋的侵蚀就从氧化物钝化膜破坏开始，水泥水化过程会产生大量的Ca(OH)2，使得混凝土结构处于高碱环境中，相关研究[1-3]表明，钝化膜中少量的Si-O共价键对混凝土结构中的氯离子侵蚀有一定的缓解作用，但钝化膜只有在高碱环境下才能稳定存在，若pH一直降低到4.0以下，钝化膜就完全丧失其保护作用。

1.2.2   电化学腐蚀

钢筋表面钝化膜发生局部破坏后，钢筋的铁基体就会裸露出来，与未破坏的钝化膜形成电位差。形成阴极为铁基体，阳极为钝化膜的腐蚀电池，在腐蚀电池的作用下，钢筋的表面就会逐渐产生点蚀甚至坑蚀，随着腐蚀电池的作用，侵蚀区逐渐加大。

1.2.3   催化剂

腐蚀电池中，阳极铁失去电子产生亚铁离子，它与氯离子、氢氧根离子结合产生FeCl2·4H2O（绿锈），随之分解产生Fe（OH）2（褐锈）沉淀，同时氯离子得以释放，此过程使得亚铁离子被持续消耗，阳极反应促进。可以看出，在上述反应中，氯离子只是提高了绿锈的分解速率，加快了阳极反应，但其本身并未被消耗，因此氯离子只起催化剂的作用。

1.2.4   降低两极电阻

腐蚀电池反应过程中，如果环境中的电荷量越大，电阻就越小，导电性能越好。单个氯离子仅带有一个电荷，不足以对阴、阳极电阻产生影响，但当氯离子所带电荷到达临界电荷时，就会明显降低使阴、阳极电阻，提高反应速率，加快钢筋腐蚀程度。

2   氯离子扩散

虽然海水中含有的氯离子浓度最高，但同时还含有硫酸根离子、钠离子和镁离子等，其中硫酸根离子进入混凝土内部会生成钙钒石等膨胀性产物以及发生“钙溶蚀”现象，会直接影响氯离子在混凝土中的传播过程。关于混凝土在氯离子-硫酸根离子共同作用下的侵蚀过程，目前的研究[4,5]基本上达成一致，混凝土中硫酸根离子的扩散系数比氯离子低2个数量级，由于氯离子扩散的更快，因此先与单硫型硫铝酸钙（AFm）反应生成Friedel’s盐，硫酸根离子则与Ca(OH)2反应生成石膏，继而生成钙矾石逐渐填充孔隙；侵蚀过程中碱性环境会降低，PH值的降低将导致Friedel’s盐发生失稳分解。

裂缝的存在会加剧氯离子在裂缝位置及其周围混凝土内的传输进程，且裂缝对氯离子传输的影响范围随着裂缝宽度的增大而增大。随着养护龄期的增加，混凝土试件的氯离子传输能力在裂缝周围略有降低，在离裂缝距离超过一定距离后，氯离子传输能力降低明显。

3   预防措施及效果

3.1   改进混凝土性能

混凝土发生侵蚀主要是由于自身结构疏松，空隙较多，为氯离子进入提供了有利的通道。因此可在混凝土成型时掺入一定量的混合材，提高混凝土密实度，填充其空隙结构，减少氯离子进入的可能性，进而提高混凝土抗氯离子侵蚀能力。

改进混凝土性能主要从两方面分析：（1）掺合材细度细，分散性好，可以有效填充水泥颗粒孔隙，加之掺合材的减水作用可以降低混凝土水胶比，保证凝胶体的密实度。（2）通过提高结构密实度可实现对水泥混凝土提供保护作用。

3.2   改进钢筋性能

钢筋阻锈剂可以消除海砂中氯盐对钢筋的腐蚀作用。阻锈剂的掺入可以保护或延缓钢筋的锈蚀。阻锈剂不是阻止环境中的Cl-进入混凝土中，而是当不可避免的进入混凝土后利用其阻锈作用，使Cl-丧失或减少其腐蚀能力，使钢筋腐蚀的电化学过程受到抑制，有效地阻碍或防止金属与环境发生反应，从而延缓了腐蚀的进程，使混凝土延长了使用寿命.此外，还可以使用不锈钢筋、耐蚀钢筋提高混凝土抗氯离子侵蚀能力。

3.3   防腐涂层

有机硅/氟改性聚氨酯树脂涂料具有以下优良特性：（1）具有较好的固化成膜性，不管是在低温冷冻、高温烘烤还是在室温自干条件下，其固化成型的漆膜都具有较好的性能。（2）漆膜在不同介质表面都具有良好的附着力，如钢铁、合金、混凝土等金属和水泥制品都具有较好的附着力。（3）漆膜的表面硬度高，耐磨性能好，通常表面硬度可达到0.7以上。（4）漆膜具有优良的耐油性、耐溶剂性和耐化学药品性。（5）漆膜的抗大气老化性好，可抵抗长期日光、湿热的作用并保持不粉化、不沾污、不龟裂。

3.4   阴极保护

电化学保护是根据电化学腐蚀原理，依靠外部电流的流入改变金属的电位，从而降低金属腐蚀速度的一种材料保护技术。钢筋混凝土结构的电化学保护包括阴极保护和电化学处理。阴极保护能直接抑制钢筋自身的电化学腐蚀过程，尤其适用于易受碳化和氯化物污染的混凝土中钢筋的保护，是目前保护混凝土中钢筋最有效且经济的方法之一。阴极保护法可分为牺牲阳极保护法和外加电流阴极保护法。

4   结论与展望

1）氯离子对混凝土结构的侵蚀机理可以概括为：随着环境PH的降低，钢筋表面钝化膜遭到破坏，未破坏的钝化膜与裸露的铁基体构成腐蚀电池，随着氯离子浓度的增加，环境中的电荷量增大，阴、阳极电阻显著降低，腐蚀过程加速。

2）在混凝土中添加矿物掺合料能提高混凝土的密实度；可在混凝土中添加阻锈剂或使用不锈钢筋、耐蚀钢筋以改善钢筋的抗蚀能力；防腐涂层能阻断环境中的氯离子进入混凝土中，以提高混凝土的抗腐蚀能力；还可以通过外加电流的阴极保护法，对混凝土结构的钢筋部分加以保护。

目前国内外对氯离子侵蚀的研究颇多，各种模型也已经有了着实地发展，但是实际工程的具体数据较缺乏。因此，如果建立智能数据库，可以为各种相关模型提供可靠的参考，有助于各种数值模拟准确性的提高。

5、参考文献

[1]洪乃丰.混凝土中钢筋腐蚀与防护技术-钢筋腐蚀危害与对混凝土的破坏作用[J].工业建筑,1999,29(8):66-68.

[2]MONTEMOR M F,SIMOES A M P,FERREIRA M G S. Chloride-induced corrosion on reinforcing steel: from the fundamentals to the monitoring techniques[J].Cement and Concrete Composites,2003,25(4):491-502.

[3]DEHWAH H A F,AUSTIN S A,MASLEHUDDIN M. Chloride-induced reinforcement corrosion in blended cement concretes expores to chloride-sulfate environments[J].2002,22(3):50-61.

[4]刘其跃.氯盐—硫酸盐侵蚀下混凝土的损伤劣化机理研究[D].徐州:国矿业大学,2017:10-15.

[5]陈晓斌,唐孟雄,马昆林.地下混凝土结构硫酸盐及氯盐侵蚀的耐久性实验[J].中南大学学报(自然科学版),2012,43(7):2803-2812.