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	盐冻环境下混凝土提高耐久性的措施

发布时间：2015.06.23 新闻来源： 浏览次数：

    1· 引言
    在各国现行桥梁结构设计和施工规范中，涉及耐久性的内容和规范很少; 在中国的桥梁建设实践中，桥梁及构件设计使用寿命的制定往往为业主单位的单方面要求，缺乏相应的设计理论支持［1］。从众多的桥梁破坏的事例来看，结构的寿命不是取决于承载力，而是结构的耐久性。因此，盐冻环境下混凝土耐久性提高的措施，可以为严寒地区混凝土桥梁的后期运营和维护提供科学的依据。
    2· 盐冻对混凝土结构破坏的机理
    如何能采取更有效的防护措施，我们首先要了解盐冻对混凝土结构破坏的机理。冻融是一个物理工程，世界很多科学家提出了很多不同的理论观点，目前世界上比较公认的几个理论是T. C. Powers 的静水压理论、Powers 和Helmuth 的渗透压理论、Fagerlund 的临界饱水程度理论、DuvHudec 的吸附水理论等。每个人都可以解释一部分，但又不能完全解释冻融破坏的机理。而在中国北方地区，不仅仅存在冻融，由于冬季除雪防滑，需要撒布除冰盐，混凝土结构要受到冻融和盐腐蚀双重打击破坏。对辽宁省桥梁的初步调研发现，许多桥梁的使用时间不足10 年，混凝土即产生了非常严重的剥蚀，钢筋锈蚀也较严重，路桥的使用寿命远未达到其设计使用年限。其主要原因:
    ( 1) 冻融对混凝土腐蚀问题比较突出。冻融次数、最低气温、温差是造成水泥混凝土破坏的主要因素，在反复冻融作用下不仅混凝土产生冻害，加剧钢筋锈蚀。
    ( 2) 冬天采用含盐除雪剂，个别采用卤水除冰雪解决桥面结冰，致使桥梁混凝土与钢筋腐蚀，造成极大损害。“盐与冻”破坏在一座桥上可能同时存在。
    ( 3) 桥梁防排水构造和混凝土材质缺陷，水不能迅速排出，使混凝土处在长期水或盐溶液浸泡下，促使混凝土加速破坏。
    2. 1 氯离子在混凝土中的传输机理［5］
    2. 1. 1 扩散过程
    ( 1) 毛细管吸收: 基于水泥石毛细孔隙的毛细管作用;
    ( 2) 渗透: 基于压力梯度作用;
    ( 3) 扩散: 基于浓度梯度迁移;
    ( 4) 电位梯度;
    ( 5) 湿度梯度;
    ( 6) 抽吸作用。
    但是目前普遍认为氯离子主要是通过扩散作用。扩散是离子通过离子运动从高浓度区到低浓度区迁移，扩散动力是浓度梯度。氯离子在混凝土内部传输过程，部份氯离子被混凝土胶凝材料水化产物吸收，而当混凝土被碳化或温度升高，有些被吸收氯离子又有可能释放成自由氯离子。因此氯离子侵入混凝土内部不仅是单纯扩散过程而且还有吸收、结合过程。
    2． 1． 2 氯离子在海水中环境
    ( 1) 海水中或潮差饱和区，其入侵方式主要是饱和水里外氯离子浓度差引起氯离子扩散。入侵程度取决混凝土孔隙水含量及含盐量。
    ( 2) 浪溅区。干饱和或风干时间比润湿时间长的构件，干透了的混凝土靠毛细管吸收海水，风干时水向外迁移，盐分向内迁移，同时氯离子距表面一定深度处氯离子浓度可以有一个峰值。因此浪溅区是最严重的。
    ( 3) 撒除冰盐环境: 除冰盐通过蒸发、浓缩、结晶、雨水溶解成盐溶液。其入侵以浓度差扩散。氯盐环境下，混凝土抗氯离子侵入性一般用氯离子扩散系数D 表示，D 越大氯离子入侵混凝土越容易。
    2. 2 氯离子对钢筋混凝土侵蚀机理
    朱蓓蓉等人［6］通过测定混凝土强度、膨胀和剥落量，应用XＲD、DTA 分析，研究了除冰盐( NaCl 或CaCl2) 对混凝土化学侵蚀的机理，研究表明氯化钠溶液对混凝土的化学腐蚀较小。因此，氯盐对钢筋混凝土结构破坏主要是引起钢筋锈蚀。
    氯离子引起的混凝土中的钢筋锈蚀一般是电化学锈蚀。氯离子促进钢筋锈蚀方面的机理如下［7］:氯离子Cl －和氢氧根离子OH －争夺腐蚀产生的Fe2 + ，形成FeCl2·4H2O( 绿锈) 。绿锈从钢筋阳极向含氧量较高的混凝土空隙迁移，分解为Fe( OH)2( 褐锈) 。褐锈沉积于阳极周围，同时释放出H + 和Cl －，它们又回到阳极区，使阳极区附近的孔隙液局部酸化，Cl －再带出更多的Fe2 +。这样，氯离子虽然不构成腐蚀产物，在腐蚀中也不消耗，但是作为腐蚀的中间产物给腐蚀起了催化作用。反应式为:

如果在大面积的钢筋表面有高浓度的氯离子，则氯离子引起的腐蚀是均匀腐蚀，但是在钢筋混凝土结构中常见的是局部腐蚀。首先在很小的钢筋表面上形成局部破坏，成为小阳极，此时钢筋表面的大部分仍有钝化膜，成为大阴极。这种特定的由大阴极和小阳极组成的腐蚀电偶，由于大阴极供氧充足使小阳极上铁迅速溶解产生深坑蚀，小阳极局部酸化; 同时，由于大阴极区的阴极反应，生成OH －使pH 值增高; 氯离子提高混凝土吸湿性，使阴极和阳极之间的混凝土孔隙液欧姆电阻值降低。这三方面的自发性变化，使得上述局部腐蚀电偶以局部深入的形式持续进行，这种局部腐蚀又被称为点蚀和坑蚀，如图1所示。

    由于氯离子可以在任何pH 水平，通过保护层到达钢筋，侵蚀保护膜，从而溶解或穿透钝化膜。因此氯离子是破坏钝化膜最强的侵蚀性离子，也是当今造成混凝土结构破坏的主要因素［8］。钢筋锈蚀产物体积增加约为原钢筋体积的3 ～ 6 倍，从而挤压周围混凝土，产生拉应力。拉应力超过混凝土的抗拉强度引起混凝土保护层的开裂。裂缝出现后，氯离子的侵蚀速度及外部的水、氧气的侵入速度都将得到极大加速。如果不加维修，任其发展，将使得混凝土保护层剥落，钢筋外露，细直径的钢筋甚至可被锈断。这将对工程结构的耐久性极限状态及正常使用极限状态造成极大影响。
    2. 3 盐冻对混凝土结构的破坏机理
    冻融循环使混凝土内部产生细小微裂缝，氯离子通过这些细小裂缝慢慢侵蚀到混凝土内部，循环次数越多，氯离子侵蚀越严重。冻融对混凝土的强度影响很大，尤其冻融引起混凝土表层脱落露骨料时，强度会大大降低，而且由于冻融循环作用，表层混凝土结构比较松散，氯离子会更加畅通地进入混凝土内部，其化学反应式如下:
    2NaCl + Ca( OH)2 = 2NaOH + CaCl2( 3)
    Ca( OH)2参与了化学反应，增大了混凝土的孔隙率，氯离子会更加容易地通过。另外NaOH 与混凝土中的活性集料，在盐的协同作用下发生碱集料反应，生成了强度较低，与粗细集料固结较弱的膨胀性盐，因而会加剧混凝土表面剥蚀，降低混凝土的物理力学性能［9］。
    3· 混凝土提高耐久性的措施
    3. 1 引气剂
    因为引气后混凝土抵抗冻胀压力的能力提高，且极限饱水程度降低，达到相同破坏程度所需要的破坏力就大，即抵抗冻融循环破坏的能力增加。但是一味的引气不但增大成本，而且会得不偿失。
    3. 2 粉煤灰
    粉煤灰存在的三种效应，即微集料反应、形态效应、活性效应。其中活性效应指粉煤灰与水泥的水化物反应，生成水化铝酸钙，缩小了混凝土的孔隙率，改变了孔径，增大了抗渗性，抵抗了氯离子的侵蚀。
    3. 3 混凝土强度
    相同的自然条件下，强度越高的混凝土受到盐冻破坏的程度越小，究其原因其实就是孔隙率的问题。强度高的混凝土，尤其预应力混凝土，由于提前施加了力，使混凝土处于受压状态，大大减小了混凝土之间的孔隙率，氯离子不易侵入，因此受到的盐冻破坏就小; 反之，由于低强度的混凝土之间的孔隙率大，氯离子容易侵入，在氧气、水分联合作用下，会使混凝土中的钢筋锈蚀，降低结构的耐久性。
    3. 4 保护层
    钢筋锈蚀的原因是钢筋表面的氯离子浓度大于使钢筋锈蚀的氯离子临界浓度。笔者对辽宁地区20 余座桥梁进行过现场试验，试验表明，无论混凝土结构表层氯离子浓度有多高，只要钢筋表面的氯离子浓度未达到临界浓度，钢筋的钝化膜就不会破坏，钢筋就不会锈蚀。那么增大混凝土结构的保护层可以有效地减缓氯离子运输的时间，提高结构的耐久性，增大使用寿命。
    3. 5 防水处理
    混凝土盐冻破坏的充分必要条件是氯离子、氧气和水。氧气我们无法改变，那我们只能从氯离子和水中寻求突破口。氯离子从混凝土的表层运输到钢筋表层，水就是作为氯离子运输的介子。我们可以通过在混凝土表面涂刷防水材料或憎水材料，使水分不易进去，那么氯离子也就无法运输。笔者对一座服役将近二十年的桥梁的墩柱进行氯离子测试，刷有防水漆的墩柱钢筋表层氯离子浓度仅仅是未刷防水漆墩柱的十分之一。由此可见，对结构表层进行防水处理，可以大大降低氯离子侵蚀，增强结构的耐久性。