氯离子侵蚀环境中混凝土结构劣化过程

吕斌

摘 要 钢筋混凝土（RC）框架柱作为结构的主要承重及抗侧力构件，在近海海洋大气环境下，框架柱内部钢筋受氯离子侵蚀后发生不同程度锈蚀的现象，在锈蚀产物膨胀压应力的作用下导致RC结构混凝土保护层锈胀开裂，从而严重降低了结构构件的服役寿命。

关键词 氯离子 RC结构 钢筋锈蚀

中图分类号：TU201 文献标识码：A

1氯离子在混凝土中的传输

混凝土通常是由胶凝材料、骨料和水按一定比例配合凝结形成的复合非均质材料，在搅拌及浇筑制备过程中不可避免的会存在气泡及微小裂缝，导致水分侵入，为各种离子在混凝土中的传输提供路径条件。氯离子在混凝土中的扩散可简单理解为带电粒子在孔隙及裂缝溶液中扩散传质的一系列物理化学反应过程，主要有以下三种。

1.1扩散过程

扩散过程主要指混凝土孔隙液中的氯离子在浓度梯度的作用下由高浓度向低浓度的定向转移过程。通常情况下可将氯离子在混凝土中的侵入扩散量理解为随时间和空间不断变化的非稳态函数关系，并且已有学者针对氯离子在混凝土中的扩散分布以菲克第二定律为基础，利用拉普拉斯变换得出适用于氯盐侵蚀环境下的氯离子空间扩散计算式，可为氯离子侵蚀环境下RC结构全寿命评估的基础提供理论参考。

1.2对流过程

氯离子在混凝土中的对流迁移过程主要由压力作用和毛细作用两部分组成。在外界压力的作用下，含有氯离子的溶液会在混凝土内外压力差的作用下发发生定向的渗流，导致氯离子溶液不断侵入混凝土，直至混凝土内外压力差达到平衡状态。此外，由于液体表面张力的作用，为保持毛细通道内外两侧渗透压平衡，溶液会发生整体性流动。尤其是处于干湿交替环境下的混凝土结构，在不断地干、湿循环过程中，为保持毛细管液面浓度稳定性，使得该区域混凝土结构中氯离子浓度不断提高，导致位于干湿交替环境下的混凝土结构劣化最为严重，同时干湿交替环境中的混凝土结构亦是当下国内外学者研究的重点。

1.3电子迁移过程

在电场的作用下，溶液中阴、阳离子会产生定向移动，加速了氯离子侵入混凝土及氯离子与钢筋反应速率。例如电化学加速RC结构钢筋锈蚀试验，通过外加电流的方式，以达到加速钢筋锈蚀的目的，实质上是加速了氯离子向混凝土内部的扩散速率及其与钢筋的化学反应速率。

2氯离子侵蚀导致钢筋锈蚀

2.1氯离子侵蚀环境钢筋锈蚀机理

在近海海洋大气环境中，氯离子扩散侵入混凝土与内部钢筋发生化学反应，导致钢筋表面钝化膜消失，在混凝土与钢筋接触面处出现电位差，形成腐蚀电池。此外，近海大气环境具有充足的水和氧气，为电化学反应提供了便利条件，随氯离子浓度的增大，钢筋不断被转化为Fe2+，导致钢筋截面面积不断减少，锈蚀产物堆积在钢筋表面形成质密的锈蚀层，图1为氯离子侵蚀环境下钢筋锈蚀机理及腐蚀电池的阴、阳极化学反应式。

2.2钢筋锈蚀引起混凝土保护层锈胀开裂

在氯离子侵蚀环境下，从RC结构中钢筋首先发生脱钝反应直至锈蚀产物挤压造成混凝土保护层表面出现裂缝共经历三个阶段，如图2所示：（1）锈蚀产物累积阶段，即从钢筋去钝化反应开始直至锈蚀产物填满整个空隙空间使混凝土开始产生拉应力的阶段；（2）混凝土保護层受锈胀力作用阶段，从混凝土保护层开始承受拉应力开始，直到钢筋与混凝土交界面处出现微小裂口，但并未贯穿至混凝土保护层表面；（3）混凝土保护层开裂阶段，从混凝土内部开始出现微小裂口开始直至锈胀裂缝贯穿整个混凝土保护层，在此阶段随钢筋锈蚀程度的增大，锈蚀产物会不断填充到已开裂的锈胀裂缝中。

3结论

氯离子在混凝土中的传输主要有扩散、传输、电子迁移三种过程，当氯离子侵蚀达到一定深度，与钢筋接触发生化学反应，导致钢筋表面钝化膜消失，在接触面处出现电位差，形成腐蚀电池。并最终在锈蚀产物膨胀性的作用下，导致混凝土保护层锈胀开裂，严重影响RC柱的抗震性能。