混凝土的碳化和氯離子對(duì)鋼筋的銹蝕機(jī)理

隨著時(shí)間的不斷推延，許多水下混凝土構(gòu)件中的鋼筋逐漸被滲水而發(fā)生銹蝕，從而導(dǎo)致其構(gòu)件的耐久性降低，結(jié)構(gòu)安全性也降低.因此，引起的工程損壞事例不斷發(fā)生，由此帶來的工程損失及處理費(fèi)用也迅速增加，這也引起了建筑工程界和路橋部門的高度重視。其中，水下混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的銹蝕較為普遍，非凡是沿海地區(qū)的閘、涵、橋、防護(hù)堤及鹽湖地區(qū)的水下混凝土較為嚴(yán)重，據(jù)資料顯示，施工質(zhì)量較差的混凝土構(gòu)件，因?yàn)殇摻畹匿P蝕，正常使用幾年后，就會(huì)產(chǎn)生順筋脹裂，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，以致鋼筋混凝土的失效。

一、水下混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕的原因

混凝土在水化作用時(shí)，水泥中氯化鈣生成氫氧化鈣，使混凝土中含有大量的氫氧根離子，使PH值一般可達(dá)到12.5-13.5，鋼筋在這樣的高堿環(huán)境中，表面輕易生成一層鈍化膜，研究結(jié)果表明，這種鈍化膜能阻止鋼筋的銹蝕，只有這層鈍化膜遭到破壞，鋼筋開始銹蝕。

1.1混凝土碳化引起鋼筋銹蝕

因?yàn)榛炷劣不?，表面混凝土碰到空氣中二氧化碳的作用，使氫氯化鈣慢慢經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)變成碳酸鈣，使之堿性降低，碳化到鋼筋表面時(shí)，使鈍化膜遭到破壞，鋼筋就開始腐蝕，眾所周知，大氣是二氧化碳的主要，大氣中通常含0.2-0.3的二氧化碳，而且只要有大氣存在的地方，就必然存在二氧化碳，而水下混凝土結(jié)構(gòu)也有不少部分存在于二氧化碳環(huán)境中，對(duì)于普通的硅酸鹽而言，水化產(chǎn)生的氫氧化鈣可達(dá)到整個(gè)水化產(chǎn)物的10-15，它作為水泥水化產(chǎn)物之一，一方面，它是混凝土高堿度的提供源和保證者，對(duì)保護(hù)鋼筋起著十分重要的作用；另一方面，它又是混凝土中最不穩(wěn)定的成分之一，很輕易與環(huán)境中的酸性介質(zhì)發(fā)生中和反應(yīng)，使混凝土碳化，并逐步延伸鋼筋，使鋼筋開始銹蝕。

1.2氯離子引起的鋼筋銹蝕

水下混凝土中，氯離子進(jìn)行混凝土通常有兩種途徑：其一是“摻入如含有氯鹽的外加劑，使用海砂，施工用水含氯鹽，在含鹽環(huán)境中攪拌，澆筑混凝土?xí)r，其二是”滲入“環(huán)境中的氯鹽通常通過混凝土的宏觀、微觀缺陷，滲入到混凝土中并達(dá)到鋼筋表面，直接或間接破壞混凝土的包裹作用及鋼筋鈍化的高堿度兩種屏障，使之發(fā)生銹蝕繼而銹蝕產(chǎn)物體積膨脹，使混凝土保護(hù)層開裂與脫落;在海洋環(huán)境中的水下混凝土結(jié)構(gòu)大都是這種情況。氯離子引起鋼筋銹蝕可以從以下幾個(gè)方面分析：

1.2.1破壞鈍化膜

混凝土屬于堿性材料，其孔隙溶液的PH值為12-14，因而對(duì)鋼筋具有較好的保護(hù)作用，有利于鋼筋表面形成保護(hù)鋼筋的鈍化膜，但這種鈍化膜只有在高堿環(huán)境中才是穩(wěn)定的。假如四周環(huán)境PH值降到11.8時(shí)，鈍化膜就開始變得不穩(wěn)定，當(dāng)PH值繼續(xù)降到9.88時(shí)，鈍化膜就開始變得難以生存或逐漸破壞，使得進(jìn)入混凝土中的氯離子吸附于鈍化膜處，并使鈍化膜的PH值迅速降低，逐步酸化，從而使得鈍化膜被破壞。

1.2.2形成腐蝕電流

無論混凝土碳化還是氯離子侵蝕，都可以引起鋼筋部分銹蝕，在鈍化膜破壞處有腐蝕電流產(chǎn)生，在鈍化膜破壞還與未破壞區(qū)這間存在電位差，有宏電流產(chǎn)生，但微電流要比宏電流大得多。又因?yàn)槁入x子的存在大大降低了混凝土的電阻率，并且氯離子和鐵離子的結(jié)合可以形成易容于水的氯化鐵，從而加速了腐蝕產(chǎn)物向外的擴(kuò)散過程，并由于宏觀腐蝕電流在鈍化膜破壞區(qū)邊邊緣最大，使得靠近鈍化區(qū)的邊緣的局部鈍化膜破壞較快，這種現(xiàn)象稱為局部銹蝕鋼筋的“邊緣效應(yīng)”。

1.2.3氯離子導(dǎo)電作用

正是由于混凝土結(jié)構(gòu)中氯離子的存在，大大降低了陰、陽極之間的歐姆電阻，強(qiáng)化了離子通路，提高了腐蝕電流的效率，從而加速了鋼筋的電化學(xué)腐蝕過程，氯離子對(duì)混凝土中鋼筋銹蝕更嚴(yán)重更快速.而氯化物是鋼筋的一種活化劑，它能置換鈍化膜的氧而使鋼筋發(fā)生潰爛性腐蝕，而氯鹽是高吸濕性的鹽，它能吸收空氣中的水分變成液體，從而使氯離子從擴(kuò)散作用變成滲透作用，達(dá)到氯離子，透過保護(hù)區(qū)去腐蝕鋼筋的目的。

1.2.4氯離子的陽極去極比作用

氯離子不僅促成了鋼筋表面的腐蝕電流，而且加速了電流的作用過程，陽極反應(yīng)過程Fe→2e→Fe2 ，假如生成的Fe2 不能及時(shí)搬運(yùn)而積累于陰極表面，則陰極反應(yīng)就會(huì)因此而受阻，相反，假如生成的Fe2 能及時(shí)被搬走，那么。陽極反應(yīng)過程就會(huì)順利乃至加還進(jìn)行，Cl與Fe相遇就會(huì)生成FeCl2，Cl能使Fe消失而加速陽極過程，通常把陽極過程受阻稱做陽極極化作用，而加速陽極過程者，稱作陽極去極化作用，氯離子正是發(fā)揮了陽極去極化作用的功能。

應(yīng)該說明的是，在氯離子存在的混凝土中，鋼筋通常的銹蝕產(chǎn)物很很難找到FeCl2的存在，這是由于FeCl2是可溶的，在向混凝土內(nèi)擴(kuò)散碰到氫氧根離子，立即生成Fe2的一種沉淀物質(zhì)又進(jìn)一步氧化成鐵的氧化物，即通常說的“鐵銹”，由此可見，氯離子只起到了“搬運(yùn)”的作用，而不被消失，也就是說進(jìn)入混凝土的氯離子，會(huì)周而復(fù)始地起破壞作用，這也是氯鹽危害特點(diǎn)之一。

1.2.5氯離子與水泥的作用及對(duì)鋼筋銹蝕的影響

水泥中的鋁酸三鈣，在一定條件下，可與氯鹽作用生成不溶性“復(fù)鹽”，從而降低了混凝土中游離氯離子的存在，從這個(gè)角度講，含鋁酸三鈣高的水泥品種有利于氯離子的侵害，海洋環(huán)境中優(yōu)先選用鋁酸三鈣含量高的普通硅酸鹽水泥，然而，復(fù)鹽只有在堿性環(huán)境下才能生成和保持穩(wěn)定，當(dāng)混凝土的堿度降低時(shí)，復(fù)鹽會(huì)發(fā)生分解，重新釋放出氯離子來。在做鋼筋銹蝕實(shí)驗(yàn)不難發(fā)現(xiàn)，假如大面積的鋼筋表面上具有高濃度的氯化物，則氯化物所引起的銹蝕是均勻的，但是在不均質(zhì)的混凝土中，常見的局部銹蝕，導(dǎo)致點(diǎn)蝕.首先則是在很小的鋼筋表面上，混凝土孔隙液具有較高的氯化物濃度，形成破壞鈍化膜的具備條件，形成小陽極，此時(shí)，鋼筋表面的大部分仍具鈍化膜，成為大陽極，這種特點(diǎn)的由大陽極、小陰極組成的銹蝕電偶，由于大陰供養(yǎng)充電，使小陽極上的鐵迅速溶解而產(chǎn)生沉淀，小陰極區(qū)局部酸化，同時(shí)，由于大陰極區(qū)的陰極反應(yīng)，生成氫氧化根離子，PH值增高，氯離子提高了混凝土的吸濕性，使得陰極與陽極之間的混凝土孔隙的歐姆電陰降低，這幾方面的自發(fā)變化，將使上述局部銹蝕電偶得以自發(fā)的一局部深入形式繼續(xù)進(jìn)行

二、評(píng)定與檢測水下混凝土構(gòu)件中鋼筋的銹蝕狀態(tài)

為了減少鋼筋銹蝕對(duì)結(jié)構(gòu)造成危害，需要即時(shí)了解現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)中的鋼筋銹蝕狀態(tài)，以便對(duì)鋼筋采取必要的措施進(jìn)行預(yù)防，我們對(duì)鋼筋銹蝕的測試，可采用如下幾種方法：

2.1視覺法和聲音法

在常規(guī)的混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋銹蝕的第一視覺特征是鋼筋表面出現(xiàn)大量的銹斑，顯然，只要檢查鋼筋表面就可以看到；有時(shí)，混凝土的表面下的裂縫發(fā)展到表面，混凝土最終開裂時(shí)可直接檢查鋼筋在早期可以用“發(fā)聲”方法估計(jì)下部裂縫引起的破壞。使用小錘敲擊表面，用聲波方面檢測順筋方向的裂縫的出現(xiàn)。

2.2氯離子的監(jiān)測

它需要對(duì)鋼筋以上或四周的混凝土進(jìn)行采樣，一般通過鉆芯方法，然后用電測法或化學(xué)方法確定氯含量，最近，以有中和反應(yīng)法儀器用于結(jié)構(gòu)中氯離子含量的檢測。

2.3極化電阻法

極化電阻法作為一個(gè)銹蝕監(jiān)測方法，已經(jīng)成功的應(yīng)用于生產(chǎn)工業(yè)和許多環(huán)境，該方法的原理是將銹蝕率與極化曲線在自由銹蝕電位處的斜率聯(lián)系在一起，可以用雙電極或三電極系統(tǒng)監(jiān)測材料與環(huán)境偶合的銹蝕率。極化電阻法同樣檢驗(yàn)混凝土中的定位的問題；一個(gè)小操作可對(duì)放在砼中任何需要的位置，但回填土料同樣是影響測量結(jié)果的一個(gè)非常要害性的因素。

2.4自然電位法

混凝土中的鋼筋與四周介質(zhì)在交界面上相互作用形成雙電層，并與介質(zhì)兩側(cè)產(chǎn)生電位差，電位差大小能反應(yīng)鋼筋所處的狀態(tài)，既活化或鈍化狀態(tài)，自然電位通過測定鋼筋電極對(duì)照比電極的極對(duì)電位差來定性判定鋼筋銹蝕狀況，自然電位法設(shè)備簡單，價(jià)格便宜，操作方便，對(duì)混凝土的鋼筋銹蝕體系無干擾，自然電位法的判定標(biāo)準(zhǔn)如下：E-200ml，鈍化狀態(tài)有5銹蝕可能性；-200mlE-350ml。有50可能銹蝕；E-350ml，95的銹蝕的可能性。

上述關(guān)于測量和監(jiān)測鋼筋銹蝕的方法類型表明，與實(shí)際結(jié)構(gòu)應(yīng)用對(duì)比，一些方法更適合于與研究發(fā)展項(xiàng)目，當(dāng)然，目前，應(yīng)用的電化學(xué)方法還處于積累狀態(tài)，還需要進(jìn)一步發(fā)展，縱觀這一領(lǐng)域，當(dāng)前評(píng)估鋼筋銹蝕損失的方法多用電化學(xué)法和聲學(xué)法或視學(xué)方法。

水下混凝土的銹蝕越來越引起國內(nèi)外人們的關(guān)注和探究，我們只有把握了它的銹蝕原理，銹蝕度，方能更有效地防治，對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)抗力評(píng)定與可靠性評(píng)價(jià)，準(zhǔn)確猜測結(jié)構(gòu)的使用壽命及剩余壽命，具有十分重要的意義，由于水下建筑物顯有多樣性和復(fù)雜性，在研究鋼筋的銹蝕方面的工作難度大，進(jìn)展慢，在此方面還需要做大量的研究工作，以便滿足、適應(yīng)當(dāng)前的建筑市場需要。