鹽漬土環境下混凝土結構的耐久性控制
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王珍1由 分享
【摘 要】 氯離子(Cl-)是影響砼結構耐久性的根本原因，本文對Cl-進入砼中的破壞機理及預防控制措施提出心分析探討。
【關鍵詞】 鹽漬土；氯離子(Cl-)；鋼筋的銹蝕；耐久性措施
02
Durability control of concrete structures under saline environment
【Abstract】 The chloride ion (Cl-) is the durability of the root causes of the concrete structure, this paper Cl-into concrete in the fail-
ure mechanism and prevention and control measures put forward analysis of the heart.
【Key words】 Durability; Chloride ion (Cl-); Environment
鹽漬土和海水一樣含的氯離子(Cl-)是影響砼結構耐久性的根本原因。砼中鋼筋銹蝕可由兩種因素誘發，一是鹽漬土及海水中Cl-侵蝕，二是大氣中的CO2使砼產生中性化。國內外大量工程調查和科學研究結果表明，鹽漬土和海水環境下導致砼結構中鋼筋銹蝕破壞的主要因素是Cl-進入砼中，并在鋼筋表面聚集，導致鋼筋產生電化學腐蝕。鹽漬土和海水通常含有約3%的鹽，其中主要成分是氯離子。以Cl-計的含量約為19000 mg/L左右。
1氯離子對鋼筋的銹蝕
Cl-進入砼中通常有兩種途徑：一是“混入”，如施工時摻用含氯離子成分的外加劑、施工用水含氯離子、在含鹽環境中拌制和澆筑砼等；其二是“滲入”，環境中的氯離子通過砼的宏觀、微觀缺陷滲入到砼中，并通過長期滲透到達鋼筋表面。“混入”現象大都是施工管理的問題；而“滲入”現象則是砼表面裂縫等技術問題，與砼材料的多孔性、密實性、工程質量以及鋼筋表面砼保護層厚度，使用現場環境等多種因素相關。
1.1破壞鋼筋表面鈍化膜，水泥水化的高堿性使砼內鋼筋表面產生一層致密的鈍化膜。鈍化膜只有在高堿性環境中才是穩定的，當pH<11.5時，膜層就開始不穩定；當pH<9.88時該鈍化膜生成困難，或將已經生存的鈍化膜逐漸破壞。Cl-是極強的去鈍化劑，Cl-進入砼到達鋼筋表面吸附于局部鈍化膜處時，可使鋼筋表面pH值降低到4以下，從而破壞鋼筋表面的鈍化膜，使鋼筋表面逐漸產生腐蝕。
1.2鋼筋表面逐漸形成腐蝕電池，如果在大面積的鋼筋表面上形成高濃度氯化物，則氯化物所引起的腐蝕可能是均勻性腐蝕，但是在不均質的砼中，常見的是局部坑狀腐蝕。腐蝕電池作用的結果是，在鋼筋表面產生蝕坑，由于大陰極對應于小陰極，蝕坑發展迅速很快。
1.3加速了去極化作用，Cl-不僅促成了鋼筋表面的腐蝕電池，而且加速了電池的作用。砼中Cl-的存在強化了離子通道，降低了陰陽極之間的歐姆電阻，提高了腐蝕電池的效率，從而加速了電化學腐蝕過程，使鋼筋承載力大幅度下降。
2提高砼耐久性的技術措施
2.1結構采用高性能混凝土。現今高性能砼以耐久性作為首要指標，就鹽漬土及海水工程而言，側重于高性能、抗滲性、體積穩定性、強度等。目前，國內外在鹽漬土工程采用高性能砼的研究與應用極其重視。如荷蘭，對已使用3~63年的64座海工結構(其中90%的結構采用磨細礦渣砼)調查發現，結構基本完好，氯離子擴散系數僅為普通砼的1/10~1/15。典型事例為東謝爾德擋潮閘工程，其設計使用壽命是250年，80年不維修，其基本防腐措施就是采用水膠比為0.4的大摻量(65% )磨細礦渣混凝土。在英、美、加、日和中東等國家和地區，也都有類似的成功工程應用實例。國內外有關實驗研究和工程實踐證明，養護對高性能砼的質量和耐久性十分重要。常溫下養護不夠，對高性能砼的質量與耐久性的影響程度有時甚至高于普通砼。因此，及時、充分的濕養護是使其獲得高強度、低孔隙率和高抗氯離子擴散能力所必不可少的。
2.2鋼筋要經阻銹劑處理。鹽漬土及海水砼中鋼筋的腐蝕，其實也是一種電化學腐蝕，其陰、陽極反應都在鋼筋與電解質界面上發生。若能阻止其中任何一種界面反應，就能抑制腐蝕。使用阻銹劑時，首先應控制開裂程度，尤其是對梁類構件的受彎拉區域。因此，宜采用高性能砼來控制裂縫的產生與發展，再用鋼筋阻銹劑抑制腐蝕，最后用具有一定彈性的涂層封閉涂裝，以起到協同保護作用。這樣鋼筋阻銹劑起到"拾遺補缺"的作用，有效地阻止鋼筋腐蝕發生，從而延長鋼筋砼的使用耐久壽命。
2.3涂料涂刷結構表面層保護。海洋工程鋼筋砼中實施涂料涂裝保護是一種經濟實用的防腐蝕技術措施。但涂裝質量的控制十分關鍵，一旦局部存在各種缺陷與針孔被氯離子突破，則在一定范圍內涂層的封閉保護作用將會喪失。因此，實施涂料涂裝的鋼筋混凝土構件，首先必須進行控裂設計，至少達到構件在不同工況條件下受拉彎區裂縫的縫寬基本不變，以確保涂層保護的效果。完好的砼保護涂層具有阻擋腐蝕性介質與砼表面的接觸特點，從而延長砼和鋼筋混凝土的使用壽命。同時對鋼筋進行涂層處理，由于海水環境中的氯鹽對不受凍地區的素砼是無害的，腐蝕破壞是通過對鋼筋砼結構中鋼筋的腐蝕銹脹實現的。因此，若將鋼筋表面預先施加一層不腐蝕或耐腐蝕的涂層來阻擋或隔離氯離子的侵蝕，是最為直接的技術措施。環氧涂層鋼筋是在嚴格控制的鋼廠流水線上涂覆的，可以保證涂層高質量。
2.4增加混凝土保護層厚度。增加砼保護層厚度，這是提高劣質土及海洋工程鋼筋砼使用壽命的最為直接、簡單而且經濟有效的方法。但是保護層厚度并不能無限制地增加。當保護層厚度過厚時，砼材料本身的脆性和收縮會導致砼保護層出現裂縫反而削弱其對鋼筋的保護作用，在正常情況下接觸鹽漬土或海水的結構件保護層厚度不小于40mm為宜。
3上述方案優缺點比較
不同處理方法措施增強砼耐久性優劣升的對比見表。
表不同方法增強混凝土耐久性措施比較
4高性能混凝土的質量保證措施
為確保混凝土結構耐久性的目標，須從三大環節進行控制。
4.1切實在了解工程背景、使用環境以及砼材料在鹽漬土及海水環境中的性能特點的基礎上，必須進行質量控制與使用評估，通過對材料性能的試驗研究，建立砼結構耐久性設計的數據和依據，并預測砼結構的實際使用性能及影響程度。
4.2充分考慮各種可變因素對鋼筋砼結構使用壽命的影響，如環境條件及溫度、砼內應力、裂縫等，以建立使用壽命預測系統，為耐久性方案的設計提供指導和依據。再以使用壽命預測系統為基礎，制定有針對性的耐久性解決方案。
4.3在質量控制與評估過程中，方案的實施過程是如何控制各個方面的質量以及如何對已完成部分的質量進行評估，需要確立各種質量控制措施和實施標準，建立各種性能試驗的評價體系，保證混凝土性能符合方案設計要求。
5氯離子浸蝕工程混凝土耐久性對策
根據以上淺要分析，從使用材質本身的性能出發，對主因和導因對癥施治，在處于海水環境的砼梁、板、墻、柱采用強度不低于42.5 MPa的硅酸鹽水泥，要求水泥中C3A含量不超過8%，水泥細度不超過350 m2/kg，游離氧化鈣不超過5%。強度等級為C40時，最大水灰比為0.45，最小水泥用量320 kg/m3，最大堿含量3 kg/m3，最大氯離子含量0.1%。添加了有機胺鹽類與亞硝酸鈉的復合阻銹劑，并輔助JS復合材料。為保證砼的均勻性，攪拌砼采用臥軸式攪拌機，泵送砼的坍落度不能過大，以避免離析和泌水。要求在混合使用膨脹劑、阻銹劑及其他防腐劑時，應事先專門測定它們之間的相容性，嚴格控制外加劑中的氯離子含量不得大于砼中膠凝材料總重的0.02%。砼保護層為50mm，保護層定位采用工程塑料夾，墊塊的尺寸和形狀必須滿足保護層厚度和定位的允差要求，墊塊的強度應高于構件本體砼，水膠比不大于0.4。施工澆筑砼前，應仔細檢查定位夾，并應指定專人做重復性檢查以提高保護層厚度尺寸的施工質量保證率。在保證施工質量和原材料品質的前提下，使鹽漬土及海水中的砼結構的耐久性達到設計要求。
綜上所述，鹽漬土及海水中結構砼耐久性的首要因素是砼的Cl-滲透方式及速度。針對這一具體情況，并考慮當地所處的環境實際情況-如原材料的可行性、工藝設備的可行性等，以及經濟上的合理性，采取以高性能砼技術為核心的綜合耐久性對策和方案。確保工程實際使用中技術水平的提高，施工措施和質量保證措施以保證在惡劣環境下砼構件的設計達到使用年限。
參考文獻
1金偉良. 混凝土結構耐久性[M].北京：科學出版社，2002
2過鎮海等.鋼筋混凝土原理和分析[M].北京：清華大學出版社，2003. 10
3吳中偉. 高性能混凝土(HPC)的發展趨勢與問題[J].建筑技術.1998， 29(1)
4孫正平等.高性能混凝土的研究[M].北京：中國鐵道出版社，1999
5王宗昌等.建筑工程質量控制實例[J].北京:科學出版社2004.
【關鍵詞】 鹽漬土；氯離子(Cl-)；鋼筋的銹蝕；耐久性措施
02
Durability control of concrete structures under saline environment
【Abstract】 The chloride ion (Cl-) is the durability of the root causes of the concrete structure, this paper Cl-into concrete in the fail-
ure mechanism and prevention and control measures put forward analysis of the heart.
【Key words】 Durability; Chloride ion (Cl-); Environment
鹽漬土和海水一樣含的氯離子(Cl-)是影響砼結構耐久性的根本原因。砼中鋼筋銹蝕可由兩種因素誘發，一是鹽漬土及海水中Cl-侵蝕，二是大氣中的CO2使砼產生中性化。國內外大量工程調查和科學研究結果表明，鹽漬土和海水環境下導致砼結構中鋼筋銹蝕破壞的主要因素是Cl-進入砼中，并在鋼筋表面聚集，導致鋼筋產生電化學腐蝕。鹽漬土和海水通常含有約3%的鹽，其中主要成分是氯離子。以Cl-計的含量約為19000 mg/L左右。
1氯離子對鋼筋的銹蝕
Cl-進入砼中通常有兩種途徑：一是“混入”，如施工時摻用含氯離子成分的外加劑、施工用水含氯離子、在含鹽環境中拌制和澆筑砼等；其二是“滲入”，環境中的氯離子通過砼的宏觀、微觀缺陷滲入到砼中，并通過長期滲透到達鋼筋表面。“混入”現象大都是施工管理的問題；而“滲入”現象則是砼表面裂縫等技術問題，與砼材料的多孔性、密實性、工程質量以及鋼筋表面砼保護層厚度，使用現場環境等多種因素相關。
1.1破壞鋼筋表面鈍化膜，水泥水化的高堿性使砼內鋼筋表面產生一層致密的鈍化膜。鈍化膜只有在高堿性環境中才是穩定的，當pH<11.5時，膜層就開始不穩定；當pH<9.88時該鈍化膜生成困難，或將已經生存的鈍化膜逐漸破壞。Cl-是極強的去鈍化劑，Cl-進入砼到達鋼筋表面吸附于局部鈍化膜處時，可使鋼筋表面pH值降低到4以下，從而破壞鋼筋表面的鈍化膜，使鋼筋表面逐漸產生腐蝕。
1.2鋼筋表面逐漸形成腐蝕電池，如果在大面積的鋼筋表面上形成高濃度氯化物，則氯化物所引起的腐蝕可能是均勻性腐蝕，但是在不均質的砼中，常見的是局部坑狀腐蝕。腐蝕電池作用的結果是，在鋼筋表面產生蝕坑，由于大陰極對應于小陰極，蝕坑發展迅速很快。
1.3加速了去極化作用，Cl-不僅促成了鋼筋表面的腐蝕電池，而且加速了電池的作用。砼中Cl-的存在強化了離子通道，降低了陰陽極之間的歐姆電阻，提高了腐蝕電池的效率，從而加速了電化學腐蝕過程，使鋼筋承載力大幅度下降。
2提高砼耐久性的技術措施
2.1結構采用高性能混凝土。現今高性能砼以耐久性作為首要指標，就鹽漬土及海水工程而言，側重于高性能、抗滲性、體積穩定性、強度等。目前，國內外在鹽漬土工程采用高性能砼的研究與應用極其重視。如荷蘭，對已使用3~63年的64座海工結構(其中90%的結構采用磨細礦渣砼)調查發現，結構基本完好，氯離子擴散系數僅為普通砼的1/10~1/15。典型事例為東謝爾德擋潮閘工程，其設計使用壽命是250年，80年不維修，其基本防腐措施就是采用水膠比為0.4的大摻量(65% )磨細礦渣混凝土。在英、美、加、日和中東等國家和地區，也都有類似的成功工程應用實例。國內外有關實驗研究和工程實踐證明，養護對高性能砼的質量和耐久性十分重要。常溫下養護不夠，對高性能砼的質量與耐久性的影響程度有時甚至高于普通砼。因此，及時、充分的濕養護是使其獲得高強度、低孔隙率和高抗氯離子擴散能力所必不可少的。
2.2鋼筋要經阻銹劑處理。鹽漬土及海水砼中鋼筋的腐蝕，其實也是一種電化學腐蝕，其陰、陽極反應都在鋼筋與電解質界面上發生。若能阻止其中任何一種界面反應，就能抑制腐蝕。使用阻銹劑時，首先應控制開裂程度，尤其是對梁類構件的受彎拉區域。因此，宜采用高性能砼來控制裂縫的產生與發展，再用鋼筋阻銹劑抑制腐蝕，最后用具有一定彈性的涂層封閉涂裝，以起到協同保護作用。這樣鋼筋阻銹劑起到"拾遺補缺"的作用，有效地阻止鋼筋腐蝕發生，從而延長鋼筋砼的使用耐久壽命。
2.3涂料涂刷結構表面層保護。海洋工程鋼筋砼中實施涂料涂裝保護是一種經濟實用的防腐蝕技術措施。但涂裝質量的控制十分關鍵，一旦局部存在各種缺陷與針孔被氯離子突破，則在一定范圍內涂層的封閉保護作用將會喪失。因此，實施涂料涂裝的鋼筋混凝土構件，首先必須進行控裂設計，至少達到構件在不同工況條件下受拉彎區裂縫的縫寬基本不變，以確保涂層保護的效果。完好的砼保護涂層具有阻擋腐蝕性介質與砼表面的接觸特點，從而延長砼和鋼筋混凝土的使用壽命。同時對鋼筋進行涂層處理，由于海水環境中的氯鹽對不受凍地區的素砼是無害的，腐蝕破壞是通過對鋼筋砼結構中鋼筋的腐蝕銹脹實現的。因此，若將鋼筋表面預先施加一層不腐蝕或耐腐蝕的涂層來阻擋或隔離氯離子的侵蝕，是最為直接的技術措施。環氧涂層鋼筋是在嚴格控制的鋼廠流水線上涂覆的，可以保證涂層高質量。
2.4增加混凝土保護層厚度。增加砼保護層厚度，這是提高劣質土及海洋工程鋼筋砼使用壽命的最為直接、簡單而且經濟有效的方法。但是保護層厚度并不能無限制地增加。當保護層厚度過厚時，砼材料本身的脆性和收縮會導致砼保護層出現裂縫反而削弱其對鋼筋的保護作用，在正常情況下接觸鹽漬土或海水的結構件保護層厚度不小于40mm為宜。
3上述方案優缺點比較
不同處理方法措施增強砼耐久性優劣升的對比見表。
表不同方法增強混凝土耐久性措施比較
4高性能混凝土的質量保證措施
為確保混凝土結構耐久性的目標，須從三大環節進行控制。
4.1切實在了解工程背景、使用環境以及砼材料在鹽漬土及海水環境中的性能特點的基礎上，必須進行質量控制與使用評估，通過對材料性能的試驗研究，建立砼結構耐久性設計的數據和依據，并預測砼結構的實際使用性能及影響程度。
4.2充分考慮各種可變因素對鋼筋砼結構使用壽命的影響，如環境條件及溫度、砼內應力、裂縫等，以建立使用壽命預測系統，為耐久性方案的設計提供指導和依據。再以使用壽命預測系統為基礎，制定有針對性的耐久性解決方案。
4.3在質量控制與評估過程中，方案的實施過程是如何控制各個方面的質量以及如何對已完成部分的質量進行評估，需要確立各種質量控制措施和實施標準，建立各種性能試驗的評價體系，保證混凝土性能符合方案設計要求。
5氯離子浸蝕工程混凝土耐久性對策
根據以上淺要分析，從使用材質本身的性能出發，對主因和導因對癥施治，在處于海水環境的砼梁、板、墻、柱采用強度不低于42.5 MPa的硅酸鹽水泥，要求水泥中C3A含量不超過8%，水泥細度不超過350 m2/kg，游離氧化鈣不超過5%。強度等級為C40時，最大水灰比為0.45，最小水泥用量320 kg/m3，最大堿含量3 kg/m3，最大氯離子含量0.1%。添加了有機胺鹽類與亞硝酸鈉的復合阻銹劑，并輔助JS復合材料。為保證砼的均勻性，攪拌砼采用臥軸式攪拌機，泵送砼的坍落度不能過大，以避免離析和泌水。要求在混合使用膨脹劑、阻銹劑及其他防腐劑時，應事先專門測定它們之間的相容性，嚴格控制外加劑中的氯離子含量不得大于砼中膠凝材料總重的0.02%。砼保護層為50mm，保護層定位采用工程塑料夾，墊塊的尺寸和形狀必須滿足保護層厚度和定位的允差要求，墊塊的強度應高于構件本體砼，水膠比不大于0.4。施工澆筑砼前，應仔細檢查定位夾，并應指定專人做重復性檢查以提高保護層厚度尺寸的施工質量保證率。在保證施工質量和原材料品質的前提下，使鹽漬土及海水中的砼結構的耐久性達到設計要求。
綜上所述，鹽漬土及海水中結構砼耐久性的首要因素是砼的Cl-滲透方式及速度。針對這一具體情況，并考慮當地所處的環境實際情況-如原材料的可行性、工藝設備的可行性等，以及經濟上的合理性，采取以高性能砼技術為核心的綜合耐久性對策和方案。確保工程實際使用中技術水平的提高，施工措施和質量保證措施以保證在惡劣環境下砼構件的設計達到使用年限。
參考文獻
1金偉良. 混凝土結構耐久性[M].北京：科學出版社，2002
2過鎮海等.鋼筋混凝土原理和分析[M].北京：清華大學出版社，2003. 10
3吳中偉. 高性能混凝土(HPC)的發展趨勢與問題[J].建筑技術.1998， 29(1)
4孫正平等.高性能混凝土的研究[M].北京：中國鐵道出版社，1999
5王宗昌等.建筑工程質量控制實例[J].北京:科學出版社2004.