海砂混凝土中鋼筋銹蝕機理及其防治

摘要：通過對寧波地區(qū)海砂淡化廠里海砂的調(diào)查，探討了海砂混凝土中鋼筋的銹蝕機理及氯離子擴散規(guī)律，提出了海砂混凝土中鋼筋銹蝕的防治措施。

關(guān)鍵詞：海砂 海砂混凝土 氯離子 鋼筋銹蝕

鋼筋混凝土的耐久性是一個廣受關(guān)注的問題，鋼筋銹蝕是影響混凝土耐久性的主要因素之一^[1]。寧波地區(qū)海砂應(yīng)用于鋼筋混凝土已有很多年的歷史。海砂中含有的氯化物是引起鋼筋銹蝕的主因。將于2010年12月1日起執(zhí)行的行業(yè)標準JGJ206-2010海砂混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范對混凝土中海砂氯離子含量有明確規(guī)定，要求少于003%的含量。在這之前，寧波市地方法規(guī)規(guī)定海砂中氯離子含量分三個等級，分別為006%、002%、001%，相應(yīng)等級對應(yīng)不同混凝土強度等級。

1 寧波地區(qū)海砂特征

海砂各項指標因不同的影響因素而有所差異。課題組通過對寧波市幾家海砂淡化企業(yè)取得海砂進行檢測，得到的各項指標見表1、表2。

2 氯離子引起鋼筋銹蝕的機理

海砂混凝土中鋼筋銹蝕其實是一個多因素藕合的復(fù)雜過程，可分為內(nèi)因和外因。內(nèi)因是混凝土內(nèi)部的氯離子含量、孔隙特征、水化程度、C₃A含量、保護層厚度、pH值等;外因包括溫度、濕度、碳化、受荷特征、酸堿鹽環(huán)境等一系列因素。這些因素不是獨立的，它們之間相互影響相互作用于混凝土內(nèi)部，最終在這些多因素的藕合下造成混凝土劣化、鋼筋銹蝕，最終導(dǎo)致海砂混凝土的耐久性嚴重下降，造成海砂屋這一后果，也一度造成人們聞海砂屋色變。

鋼筋銹蝕的過程是一系列的電化學(xué)過程，氯離子在鋼筋的銹蝕過程中扮演了催化劑的作用?；炷恋奈⒂^結(jié)構(gòu)中的硬化水泥漿體由水泥水化物、未水化水泥顆粒、自由水、空氣等組成，其中的自由水和混凝土孔隙中由外部侵入的水分為鋼筋銹蝕提供電化學(xué)溶液，自由氯離子、氧分子、鐵離子等反應(yīng)物質(zhì)在其中自由反應(yīng)，其電化學(xué)方程

Fe²⁺+2Cl^-+4H₂O——FeCl₂·4H2O

FeCl₂·4H2O——Fe(OH)₂+2Cl^-+2H⁺+2H₂O

Fe(OH)₂+O₂+H₂O——nFe₂O₃mH₂O(紅銹)+Fe₃O₄(黑銹)

其中的Fe(OH)₂還可以與水分中的氯離子生成Fe(OH)C，lFe(OH)Cl可以與水和氧氣進一步反應(yīng)生成鐵銹:

Fe(OH)Cl+O₂+H₂O——nFe₂O₃mH₂O+HCl

氯離子造成海砂混凝土中鋼筋銹蝕可分三步進行:第一步是在鋼筋表面聚積到一定濃度，在這一過程中通過局部酸化的作用降底鋼筋表面附近混凝土的pH值，最終達到鋼筋銹蝕的氯離子臨界濃度值，致使達到這一濃度值附近的鋼筋表面鈍化膜破壞;第二步是在鋼筋表面形成銹蝕原電池，未破壞鈍化膜的位置與鈍化膜破壞的位置形成電位差，變成原電池，出現(xiàn)坑蝕現(xiàn)象;第三步是氯離子在這一電化學(xué)反應(yīng)過程中周而復(fù)始，最終使蝕坑連成一片，鐵銹積少成多，造成海砂混凝土出現(xiàn)順筋開裂等一系列劣化現(xiàn)象。

這一過程中氯離子的催化作用體現(xiàn)在兩個方面:一方面是參與鐵銹生成的化學(xué)物質(zhì)過程，生成中間產(chǎn)物；另一方面是氯離子在電化學(xué)溶液中扮演著潤滑劑的作用，它的存在大大減小了電化學(xué)溶液的電阻，在電化學(xué)方程式中可以看出氯離子在參與反應(yīng)后會出現(xiàn)HCl形態(tài)，它可以進一步降底鋼筋附近的pH值，加速了鐵銹的生成。

3 氯離子擴散特征

在氯離子引起鋼筋銹蝕的過程中注意到氯離子在鋼筋表面達到一定濃度才能出現(xiàn)鋼筋銹蝕。在海砂混凝土中氯離子的擴散特征也就決定了它在混凝土中間的濃度分布。氯離子的擴散特征的影響因子是多方面的。

3.1濕度對氯離子擴散的影響

濕度包括混凝土內(nèi)部濕度和外部濕度。有研究表明^[2]，混凝土內(nèi)部濕度在早齡期內(nèi)有明顯的梯度，其變化規(guī)律見圖1。

[Page]

在海砂混凝土拌合初期，研究表明^[3]：除了海砂在拌合時溶于水的氯離子外，還有一部分氯離子被水泥漿體包裹在海砂表面，存在一個從海砂表面到水泥凝膠內(nèi)部的滲透過程。由此可見海砂混凝土在成型初期其內(nèi)部的氯離子濃度不是均勻分布的，它在海砂顆粒與水泥漿體之間存在梯度差。在這個梯度差之下，海砂表面的氯離子逐漸擴散開來，初步形成一個均勻分布的局面，爾后，在混凝土內(nèi)部濕度變化的影響下開始由外層向里層擴散的過程。

外部濕度主要是養(yǎng)護過程中的水，在養(yǎng)護的過程中，水向混凝土內(nèi)部滲透，混凝土內(nèi)部吸附在孔隙壁上的游離氯離子溶于自由水中，一部分向附著的水泥漿體內(nèi)部滲透，一部分隨水分向混凝土內(nèi)層滲透。在滲透的過程中，部分氯離子遇到鋼筋阻隔聚積在鋼筋附近，形成氯離子聚集。

3.2碳化對氯離子擴散的影響

混凝土碳化時氯離子會從碳化區(qū)向未碳化區(qū)進行遷移，并在碳化區(qū)前端的未碳化區(qū)域產(chǎn)生濃縮現(xiàn)象^[4]。氯離子在混凝土水化的過程中形成與C₃A結(jié)合成Friedel復(fù)鹽、物理吸附和游離三種形態(tài)，在混凝土碳化區(qū)域Friedel鹽會分解出游離氯離子，游離氯離子在渡度差的推動下向未碳化區(qū)域遷移。在碳化的作用下，氯離子會向鋼筋附近聚積，最終開啟鋼筋的銹蝕之旅。

其它因素對海砂混凝土中氯離子擴散的影響從鋼筋銹蝕的電化學(xué)反應(yīng)方程式中可以得知水和氧氣在其中扮演了至關(guān)重要的作用。影響混凝土內(nèi)部水分和氧氣含量的因子很多，包括周圍環(huán)境的影響;混凝土內(nèi)部的孔隙率，孔隙率大的，連通孔多的，結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力情況越復(fù)雜，產(chǎn)生的裂縫越多，水汽、氧氣和氯離子向鋼筋附近滲透的量就越多，滲透的時間也就越短。

4 防治措施

造成海砂混凝土中鋼筋銹蝕原因是多方面的，防治措施可以依據(jù)其各種因素提出不同的對策。　　

4.1 海砂的處理措施

海砂處理的目的就是降氯，根椐國家規(guī)范的要求使海砂中氯離子含量達到規(guī)范要求。降氯方法有海砂自然放置法、淡水沖洗法、機械法和混合砂法，目前沿海地區(qū)，尤其在寧波地區(qū)，海砂基本上是通過淡水沖洗法進行降氯。

4.2 混凝土的處理措施

混凝土的處理措施有:混凝土施工質(zhì)量，盡量降低孔隙率，減少水汽、氧氣的入侵;煤灰、礦渣和硅灰等摻合料，這些摻加料有兩個作用，一是提高混凝土的密實度，二是C₃A含量較普通水泥高，化學(xué)結(jié)合氯離子數(shù)量多，有利于海砂混凝土內(nèi)部游離氯離子含量的減少；摻加阻銹劑。這一方法實際工程證明是一種有效遏制鋼筋銹蝕的手段，不過因其造價較高，對于一般性的建筑工程來說，許多建設(shè)單位對其不進行選用?；炷帘砻嫱磕ǚ栏瘜?。通過混凝土表面的處理，阻隔空氣中的水汽、氧氣及氯離子等一些腐蝕性的物質(zhì)進入混凝土內(nèi)部。

4.3 鋼筋的處理措施

鋼筋處理后主要是隔絕氯離子等一些有害物質(zhì)與鋼筋的接觸。處理方法常見的主要有兩種:鋼筋表面涂防腐涂料和鋼筋表面鍍鋅處理。

4.4 其它的處理措施

生物方法處理海砂中的氯離子。這一方法只是一個美好的愿景，據(jù)美國探索雜志報道，有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)脫氯菌，它能夠吞噬含氯化合物，我們可以這樣想象，在未來的某一天我們不用再為海砂含氯離子而苦惱，在一堆海砂中我們只要加一些脫氯菌，過不了幾天，海砂就會變成河砂。

5 結(jié)語

目前，海砂混凝土在我們國家并不是一個陌生的詞匯，國家出臺的海砂混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范也既將實施，這些證明我國對海砂應(yīng)用于混凝土有了一套成熟的處理機制。但海砂在實際應(yīng)用的過程中我們許多的建造商在良心與利益面前選擇了利益。所以更先進更行之有效的海砂混凝土應(yīng)用技術(shù)有待我們科研工作者的努力與創(chuàng)新。

參考文獻

[1]洪乃豐海砂對鋼筋混凝土的腐蝕與對策[J]混凝土,2002,(8):12-14

[2]黃瑜,祁錕,等早齡期混凝土內(nèi)部濕度發(fā)展特征[J]清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2007,47(3):309-312

[3]劉軍,邢鋒,等模擬海砂混凝土中氯離子擴散研究[J]混凝土,2008,(3):33-35

[4]柳俊哲混凝土碳化研究與進展(3)腐蝕因子的遷移[J]混凝土,2006,(1):51-54