氯盐环境因素及对混凝土侵蚀的影响研究

蒋琼

摘 要：如何根据氯离子环境因素及有限的现场检测资料，预测混凝土结构中氯离子侵蚀深度的时变性和氯离子扩散规律，对氯盐环境下的混凝土结构的耐久性评估和使用寿命的预测具有十分重要的意义。

关键词：氯离子；混凝土；控制

氯离子侵蚀引起混凝土结构的耐久性失效问题日趋严重，许多混凝土建筑物由于耐久性问题，面临着维修或加固，而维修或拆除重建的决策需要进行混凝土结构的耐久性评估。氯离子进入混凝土有两个来源：一种是施工过程中进入混凝士的氯离子，这是因为细骨料、拌和用水和掺加的外加剂中可能会含有一定量的氯离子，这部分氯离子含量有严格限定；另一种是外界使用环境中通过渗透、扩散、毛细作用进入混凝土的氯离子，例如氯离子可以直接由海水扩散到浪溅区、潮位变动区、水下区的混凝土中，而漂浮在空气中的氯离子可以随海风进入大气区或近海地区的混凝土中。国外的工程经验表明，海水、海风和海雾中的氯离子和不合理地使用海砂，是影响混凝土结构耐久性的主要原因之一。

1 氯离子传输过程的方式

氯离子的传输过程相当复杂，它是通过混凝土内部的孔隙和微裂缝体系从周围环境向混凝土内部传输，目前己经了解的氯离子侵入混凝土的方式主要有以下几种：

1）毛细管吸收作用：即混凝土表层含氯离子的盐水向混凝土内部干燥的部分移动。混凝土表层风干程度越高，毛细管吸收作用就越大。混凝土毛细管吸收海水的能力取决于混凝土孔结构和混凝土孔隙中游离水的含量。

2）渗透作用：即在水压力作用下，盐水向压力较低的方向移动。在水下区域，即使氯化物渗透到钢筋表面，因缺氧钢筋也难以锈蚀。海水中氯化物以外的其他成分可与水泥石发生离子置换反应，在表层空隙中沉积出氢氧化镁和碳酸钙，使混凝土表面层的渗透性降低。而室内混凝土的氯化物渗透性试验不具备这种条件，往往试验结果比实际结构高得多。

3）扩散作用：即由混凝土内外氯离子浓度差而引起的氯离子从高浓度区向低浓度区的移动。

由此可见，风干时水分向外迁移，盐分则向内迁移，在下一次再被海水润湿时，又有更多的盐分以溶液的形式进入混凝土的毛细管孔隙中。此时，在混凝土表层内有一个向外降低的浓度差，而在离表面一定深度处氯化物浓度有一个峰值。这样，可能有一些盐分会向外表面扩散，但是接着的风干又将纯水向外蒸发掉，而将盐分遗留在混凝土内，并将更多的盐分带进混凝土内。干湿交替下，盐分会逐渐侵入混凝土内部。

2 近海及海洋环境下混凝土表面氯离子浓度分布

海洋和近海环境中的海水与大气中均含有可引起钢筋严重锈蚀的氯离子。长年浸没于海水中的混凝土，由于引起钢筋脱钝所需的氯离子临界浓度在饱水条件下得以提高，又因水中缺氧使锈蚀发展速度变得极其缓慢甚至停止，所以相对来说问题并不太大。水位变动区特别是浪溅区的情况则完全不同，其处于干湿交替状态，混凝土表面的氯离子可通过吸收（当混凝土表面干燥时）、扩散、渗透等多种传输途径侵入混凝土内部，而且这种环境下使钢筋脱钝所需的氯离子临界浓度也最低，同时又具备锈蚀锈蚀发展的充分条件。浪溅区的供氧充分，锈蚀最为严重。

海上桥梁的上部构件离浪溅区很近时，受到浓重的盐雾作用在构件表面的氯离子浓度可以累积很高，而且同样处于干湿交替的不利状态，在浪溅区与大气区构件的表面氯离子浓度之间没有明确的界限。Fluge曾调查挪威的一座海上大桥，有多跨混凝土箱梁组成，发现这些箱梁受到大气盐雾作用累积在构件表面的氯离子浓度，与其离开海平面的标高有关，随着高度的增加而降低。同一构件上不同部位的表面氯離子浓度也有很大差异，并与其朝向和截面尺寸有关，箱梁的底面及侧向背风面的混凝土表面氯离子浓度最高。

3 混凝土氯离子相对质量浓度分析

3.1 表面混凝土样本采集与氯离子相对质量浓度分析方法

于水样采集位置，在与当时水面相同高程分别采集了护坡表面混凝土（包括2群和3群的丁坝表面）的6组样本；同时，在1撑和5撑点的4层不同高度处各采集了表面混凝土24组样本。各样本点与河口各标志性位置（包括曹娥江大闸及杭州湾大桥等）的沿岸距离有准确里程数，各点处的混凝土护坡或丁坝己建成运行的时间分别为101、99、90、122和122个月。

表面混凝土样本经机械压碎后，用球磨机研磨成粉末，并通过O.63 lIlnl筛后，置于烘箱内2h，取出冷却至室温待用。

混凝土中氯离子含量（占混凝土质量的比值）的测试方法是：将一定量的试样粉末，用去离子水（蒸馏水）配置成100ml的溶液，并剧烈振荡1～2分钟，每份溶液中加入2ml的离子稳定剂ISA（其中，粉末质量用电子天平秤得，精确到0.001曲。配置1ppm，10pm和100ppm的标准溶液作为酸度计的标定溶度。放置48h后，用美国Thermo720A酸度计测试100ml溶液中的氯离子含量（单位为ppm），即可得到混凝土粉末试样中氯离子所占的质量，从而得到混凝土中氯离子含量（占混凝土质量的比值）。经试验测试比较，考虑到氯离子的最长析出时间及测试稳定性等，在上述测试方法和条件下测定100ml溶液中的氯离子含量的时间，以配置测试溶液48 h后为宜，本文中混凝土中氯离子含量（占混凝土质量的比值）的测试时间为配置测试溶液48 h之后。

3.2 近水面处混凝土中的氯离子相对质量浓度及分析

根据测试结果，5个样本点处近水面的护坡或丁坝混凝土表面氯离子相对质量浓度的实测均值（各6组样本）列于表1，其中剔除了个别异常值但保证各样本点的5组值参加计算。混凝土表面氯离子相对质量浓度可假设按式累积增加，即与渗入时间t的1/2次方成正比的关系（后为与混凝土性能及环境等有关的系数）。由于各点表面混凝土的实际渗入时间并不一致，表1中以渗入时间240个月（20年）统一推定其表面混凝土浓度。

4 现有混凝土构件氯离子侵蚀实测及分析

4.1 氯离子侵蚀的测试方法

1）取样位置：试验样品取自钱塘江一线海塘甲水闸闸墩和乙水闸的闸墩及其底板。甲水闸闸墩上分上、中和下三个部位取15个混凝土芯样，乙水闸闸墩两边各取一个芯样。2）粉末制各：从表面开始切割，试块（1厘米长）研磨并通过0.63翮筛后，置于烘箱内2d，时，取出冷却至室温。3）测试方法：称取砂浆质量，加入lOOmI蒸馏水剧烈振荡1～2分钟，浸泡48小时后，加/入2mllSA（离子强度稳定剂），然后用美国奥立龙公司的720A酸度计测量其中的氯离子浓度。

4.2 氯离子浓度测试结果及分析

将测得的氯离子浓度换算成氯离子与混凝土的质量分数，得出的氯离子浓度随深度变化结果。甲水闸闸墩除了中部氯离子浓度随侵蚀深度有明显的下降趋势，其他部位的混凝土最外侧2cm的氯离子浓度并不一定随侵蚀深度有明显的下降趋势，2cm之后有明显的下降趋势，5cm之后基本趋于平缓，即最高氯离子浓度cl的位置位于距混凝土表面一定的距离（X0），乙水闸闸墩混凝土的氯离子浓度随深度变化趋势基本也是如此。原因可能是闸墩上部处于干湿交替的环境，而闸墩下部混凝土表面受到潮水冲刷，表面混凝土中的氯离子和外部存在交换，而闸墩中部混凝土表面情况可能正处于潮水侵淹区，使得氯离子渗透主要由扩散控制。上述情况也说明，位于浪溅区环境中的混凝土构件，氯离子在混凝土表层的侵入不是由扩散控制，而主要是毛细管吸收作用。

参考文献

[1]俞建军.三堡船闸引钱塘江水对运河水氯化物浓度的影响[J].浙江水利科技，2003（2）：15-17.

[2]刘志勇，孙伟，杨鼎宜等.基于氯离子渗透的海工混凝土寿命预测模型进展[J].工业建筑，2004，34（6）：61-64.