混凝土中的氯离子侵蚀.pdf
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混凝土中的氯离子侵蚀.pdf
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混凝土中的氯离子侵独张春雨,柯国军,代明(湖南衡阳南华大学城市建设学院建筑工程教研室,湖南衡阳421001)摘要:
介绍氯离子侵蚀对钢筋混凝土结构物的危害,归纳了氛离子侵蚀钢筋混凝土的几种机理,依据侵蚀过程所必需的必要条件,提出了预防氛离子侵蚀的有效措施。
关键词:
氛离子;耐久性;必要条件;预防措施Abstract:
Inthisthesis,thehazardsofthecormsioncausedbyChlorineioninreinfOrcedconcreteareintroduced.Seve耐mechanismsofthecormsioncansedbychlorineioninreinforcedconcretearegeneralized.Accordingtothenecessa砰conditionsoftheProcessofthecorrosion,severaleffectivemeasu爬sareputfo,aldtoPreventthecormsionofChlorineion.Keywords:
Chlorineion;endurance;necess田叹condition;Precaution卿measures0前言钢筋混凝土结构结合了钢筋与混凝土的优点,造价相对较低,是土木工程结构设计中的首选形式,其应用十分广泛。
但是随着钢筋混凝土结构老化现象的日益严重,维修改造费用的不断增加,钢筋混凝土的耐久性问题已经成为当今工程界关注的热点。
而混凝土结构的耐久性损伤的原因也有很多种,如果这些结构长期暴露在恶劣的环境中,外部的腐蚀介质,如氯离子等的影响往往使得这些结构达不到预定的服役年限而提前失效,因此需要研究钢筋混凝土结构的耐久性问题。
从氯离子侵蚀人手来研究钢筋的锈蚀是研究钢筋混凝土结构耐久性的一个重要方面。
1混凝土的氯离子侵蚀1.1氯离子的来源混凝土中氯离子的主要来源于混凝土原材料带人和外界环境的渗人。
外加剂、骨料、水等原材料中氯离子含量超标时,则不得使用,否则必须采取技术措施,如掺钢筋阻锈剂等。
氯盐是一种最有害的侵蚀性化合物,能导致混凝土迅速被侵蚀破坏。
由于浆体孔液的性质,混凝土基体表现为强碱性。
浆体孔液中含有大量的碱,其pH值可以达12.5。
但是氯盐溶液具有较强的酸性和侵蚀性,侵蚀作用的强度则取决于氯盐溶液浓度以及与氯离子结合的阳离子的种类。
氯盐的侵蚀过程需要氯离子侵人到混凝土微结构中,并需要从析出的水泥水化相中有反向离子的移动。
因此混凝土的孔结构和渗透性对氯离子侵蚀有非常重要的影响。
氯离子侵蚀对于水泥混凝土路面及桥梁板面有明显的损坏作用,这包括采用除冰剂后混凝土表面产生的剥落损坏以及内部钢筋锈蚀。
1,2氯离子侵蚀的机理氯盐离子可以被认为是最易于移动的离子,这也是当氯离子与混凝土接触时,能迅速产生侵蚀作用的原因之一。
关于氯离子的侵蚀并导致混凝土损坏有三种机理131:
(1)酸侵蚀导致Ca(OH):
溶解,并使钙离子从水泥浆体中析出由于氯离子的扩散速率比阳离子的扩散速率要高,为维持有电中性,OH一离子就会向相反的方向扩散,引起pH值下降及水泥水化产物溶解。
在有氯化钠时有如下置换反应:
Ca(OH):
+ZNaCICaCI:
+ZNa0HNaCI:
会立即溶解,但CaC12又会与Ca(OH):
反应生成Ca(OH):
CaCI:
H刃,CaC12的溶解度也会下降。
(2)形成膨胀化合物,主要有氯化钙和氯化镁等氯离子的侵人形成的膨胀化合物包括碱性氯化。
苏孟材2007年第1期万方数据镁Mgfl式oH)4ZHp和碱性氯化钙ca(oH)2ca-C12HZO,但这要求氯离子浓度要求高。
两种化合物都有一定的膨胀特性,并且导致浆体裂纹的产生,进而产生损坏。
(3)渗透压作用在高浓度氯盐条件下,水泥浆体在氯盐溶液中的损坏是由于渗透压的作用。
氯离子的侵蚀过程首先是引起水泥浆体的收缩,这一收缩常常是发生侵蚀前几天,这可能是由于渗透压的作用,导致了水泥水化凝胶体的致密。
这一收缩能引起裂纹的形成,进而有助于氯离子和其他侵蚀介质进入到浆体内部。
这些裂纹中可发现碱性氯化镁沉淀,但浆体的膨胀有限,尤其是在侵蚀发生初期。
这是因为结构中有较大的孔隙体积,可以容纳新产物的结晶、沉淀。
因此,碱性氯化镁的结晶会导致收缩减小。
但是,随后由于胶体的致密,浆体又开始收缩,浆体外层会变得更密实,孔隙率也大大降低。
胶体的致密防碍了离子的扩散。
当水泥浆体被侵没在高浓度氯离子溶液中时,由于氢氧化钙晶体的迅速溶解以及水泥浆体中孔隙率的增加,最初的收缩会迅速终止。
这时镁离子的扩散就会加速,并会形成具有膨胀特性的碱性氯化镁或碱性氯化钙。
相应的收缩过程也会转变为膨胀过程,并导致浆体的损坏。
2混凝土中钢筋锈蚀的机理氯离子被认为是产生钢筋锈蚀的主要因素,但在不含有氯离子的条件下也可能产生钢筋腐蚀。
如混凝土碳化导致其碱度降低,使得锈蚀易于发生,但是碳化是一个缓慢过程,尤其是低水灰比条件下,碳化导致的锈蚀也不及氯离子引起的锈蚀普遍。
应注意氯离子广泛存在于自然环境中,有时还被无意加人到混凝土组分中。
比较常见的现象有:
氯离子被用作为促凝剂而加入到混凝土组分中;当暴露与海洋环境或是采用除冰剂,溶解的氯离子可以侵人未受保护的硬化混凝土基体中。
已有三种理论用于解释氯离子对钢筋锈蚀的影响作用,这包括氧化膜理论、吸附理论和过渡络合理论L,。
氧化膜理论是认为金属表面的氧化膜起着钝化的作用,进而提供锈蚀保护。
氯离子比其他离子如(50;2一)更容易通过膜上的孔或缺陷穿过氧化膜,或者是氯离子使得氧化膜破碎,因而更容易产生侵蚀。
吸附理论认为氯离子与溶解的氧气或者氢氧根离子竞争,并被吸附到金属表面。
氯离子的吸附有助于金属离子的水化因而加速金属离子的溶解。
过渡络合理论则认为氯离子与氢氧根离子相互争夺由腐蚀产生的二价铁离子,并形成一可溶的铁氯盐络合物,这一络合物可以由阳极扩展开,使得Fe(OH):
保护层被破坏,并使锈蚀持续进行。
工程上比较常用的是氧化膜理论。
3混凝土中钢筋锈蚀的条件及其锈蚀过程3.1混凝土中钢筋锈蚀的条件混凝土中的钢筋锈蚀是一电化学过程。
虽然铁由于化学侵蚀而生锈,但在液体介质中常见的锈蚀作用则是由于电化学反应所致。
这种锈蚀过程类似于手电筒电池的作用。
电化学反应则包括电化学氧化反应的阳极、还原反应的阴极、电导体和液体介质。
若金属表面发生锈蚀,该表面必定会带阳极和阴极,并通过金属本身将电极相连。
根据腐蚀电化学的原理,混凝土中钢筋锈蚀的发生必须具备以下三个条件4:
(1)在钢筋表面存在电位差,构成腐蚀电池。
由于钢筋含有杂质及钢筋成分的不均匀性、周围混凝土提供的化学物理环境的不均匀性,都会使钢筋各部位的电极电位不同而形成腐蚀电池,因此,此条件总是容易被满足的。
(2)在钢筋表面有腐蚀反应所需的水和溶解氧。
空气中的氧气和水分很容易通过混凝土中贯通的孔隙与微裂缝进入到钢筋表面,提供锈蚀反应所需的水和氧气,此条件也是能满足的。
(3)钢筋表面的钝化膜破坏,处于活化状态。
钢筋表面的钝化膜破坏,处于活化状态,与混凝土碳化及氯离子的侵人关系密切。
3.2钢筋锈蚀过程氯离子在浓度差的作用下由环境扩散进人混凝土中,如果渗透到混凝土中的氯离子达到了临界浓度时,就会破坏钢筋表面的钝化膜,引起钢筋锈蚀,甚至导致结构破坏。
由CI一引起的钢筋混凝土腐蚀过程一般可分成四个阶段:
潜伏阶段、发生发展阶段、加速阶段和破坏阶段5。
各阶段的特征如下:
(1)潜伏阶段。
CI一穿透混凝土保护层聚集于钢筋表面,降低该处的PH迅速降低。
水泥水化的高碱性使混凝土内钢筋表面产生一层致密的钝化膜。
该钝化膜只有在高碱性环境中才是稳定的,当。
苏孟材2007年第1期万方数据pH11.5时,就开始不稳定,当pH0.61时,钢筋开始腐蚀,并确定此值是临界值1,。
因此,应尽量减少混凝土中的CI一的含量,无论从何种途径引人混凝土中,其总量都不允许超过一定的值,并以此作为工程质量控制标准的重要技术指标之一。
有研究指出当氯离子在水泥中的质量分数低于0.2%时,可以维持钢筋的钝态,当氯离子的浓度在混凝土中达到0.2%0.4%之间时,钢筋的钝态就会被破坏发生腐蚀8。
我国规定:
预应力钢筋混凝土CI一含量蕊0.06%,普通钢筋混凝土CI一含量毛0.10%(占水泥量);同时对混凝土外加剂也有具体的规定,一般的外加剂原料中不得使用氯盐。
(2)控制混凝土的湿度。
如果钢筋增强混凝土结构暴露于氯盐环境中,并且受到干湿条件的影响,防止锈蚀的能力则取决于覆盖层的厚度和混凝土的渗透性。
如果混凝土结构永久地淹没于液体中,锈蚀速率则为氧气的扩散速率所控制,并与混凝土的质量和覆盖层关系不大。
在湿饱和条件下,氧气在液体中扩散速率很慢,钢筋也很少受到锈蚀作用。
而在半干状态的混凝土中气态的氧气扩散迅速,因而钢筋易于受到腐蚀。
通过精心设计和高质量施工来最大限度的利用水泥棍凝土提供的保护作用,提高混凝土的渗透性等性能来减轻氯离子的侵害。
(3)采用表面处理方法。
为了为防止锈蚀,钢筋材料可以采用表面涂层处理,如采用更容易锈蚀的金属锌和镐做涂层,如果涂层受损,就会形成一电偶,以涂层为阳极,其保护机理与未受涂层保护的钢筋锈蚀机理相同。
还有一些对混凝土表面处理的方法用以减少氯离子的侵人,包括采用防水膜,聚合物侵渍、特种混凝土外层覆盖。
(4)掺人阻锈剂。
阻锈剂的掺人可以保护或延缓钢筋的锈蚀。
阻锈剂不是阻止环境中的CI一进人混凝土中,而是当不可避免的进人混凝土后利用其阻锈作用,使CI一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,从而延缓了腐蚀的进程,使混凝土延长了使用寿命。
防锈剂的作用机理较为复杂,也没有一个普遍的理论可以用于任何情况。
阻锈剂主要包括络酸盐、磷酸盐、次磷酸盐、碱类、亚硝酸盐和氟化盐。
阻锈剂不宜在酸性环境中使用,使用效果也与混凝土本身质量有关。
在混凝土施工过程中一次掺人阻锈剂,其时效长,而且施工简单,方便,节省工时,费用较低。
5结语
(1)氯离子引起的大量结构物过早破坏的事实说明,在混凝土设计、施工过程中必须对这一破坏过程引起足够的重视。
(2)混凝土发生氯离子侵蚀破坏的必要破坏条件是:
具有一定浓度的自由氯离子;需要水分和氧气的存在。
(3)充分了解由氯离子侵蚀引起破坏的机理,并有针对性的采取不同的方法加以防范,尽量降低损失。
(4)在实际混凝土建设工程中应尽量控制骨料带人的氯离子含量,也应考虑外界环境可能提供的氯离子对混凝土的侵害。
(5)为了进一步减少氯离子侵害造成的损失,应该合理的加强外加剂的使用和掺加微细矿物成分(如硅灰、粉煤灰)。
参考文献【1洪乃丰.混凝土中钢筋腐蚀与结构物的耐久性J.公路,2001,
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苏丈材2007年第1期万方数据
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- 混凝土 中的 氯离子 侵蚀