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1、山东大学网络教育学院毕 业 论 文 论文（设计）题目：钢筋混凝土结构氯离子腐蚀机理与对策姓 名： 章敏华 学 号 13207910049003年 级： 2013秋 专 业： 土木工程 学习中心：台州科技职业学院 指导老师: 职称： 钢筋混凝土结构氯离子腐蚀机理与对策摘要: 目前，我国的氯盐环境十分恶劣。我国所处的氯盐环境包括：海洋环境、氯盐类除冰盐的使用、盐湖和盐碱地和工业环境。而氯盐对于混凝土结构的侵蚀十分严重，本文就混凝土氯盐防治的研究现状、氯盐对混凝土的侵蚀机理、氯盐侵蚀混凝土的防治措施等一系列方面，进行了深入分析与探讨。关键词：氯离子 侵蚀 混凝土 钢筋 机理 对策一、 研究的目的及意
2、义我国海岸辽阔，海岸线很长，大规模的基本建设集中于沿海地区，而海边的混凝土工程由于长期受氯离子侵蚀混凝土中的钢筋锈蚀现象非常严重，已建的海港码头等工程多数都达不到设计寿命的要求。我国北方地区，为保证冬季交通畅行，向道路、桥梁及城市立交桥等撒除冰盐，大量使用的氯化钠和氯化钙，使得氯离子渗入混凝土，引起钢筋锈蚀破坏。我国还有广泛的盐碱地，其腐蚀条件更为苛刻。引起混凝土钢筋锈蚀的主要原因一般认为有三种：混凝土碳化、氯离子引起的钢筋钝化和酸性介质引起的钢筋腐蚀。通常认为氯离子钝化引起的钢筋腐蚀是最直接、最严重、和最普遍的。20世纪30年代建造的美国俄勒冈州Alsea海湾上的多拱大桥，施工质量很好，但因
3、混凝土的水灰比太大，较短时间内大量氯离子侵入混凝土，导致钢筋严重锈蚀，引起结构损坏。用传统的方法局部修补破坏处，不久就发现修补处的钢筋又加剧腐蚀，不得不拆除、更换。20世纪60年代建造的美国旧金山海湾的第二座San Mateo-Hayward大桥，处于浪溅区的预制横梁虽采用优质混凝土拌合物，但由于在混凝土浇筑养护时梁底部产生了微裂缝，给氯离子侵入创造了条件，因此钢筋发生严重锈蚀，1980年不得不花巨资修补。日本运输省曾检查过103座混凝土海港码头，发现使用20年以上的码头都有相当大的钢筋锈裂。澳大利亚的Sharp对62座海岸混凝土结构进行调查，发现海岸混凝土结构的耐久性问题都是与浪溅区的钢筋异
4、常严重的服饰有关。在美国，因撒除冰盐引起钢筋锈蚀破坏而限载通车的公路桥站占1/4，其中已经不能通车的占1%（约5000座），仅这些桥的维修费，就高达900亿元。如果再加上车库、公路和房屋等因车辆带来的除冰盐导致钢筋锈蚀而需要的修补费，则估计高达2580亿美元。英国的许多现代公路、公用与商业用钢筋混凝土结构是20世纪60年代到80年代建造的，因为除冰盐透过沥青防水层和23厘米厚的混凝土保护层到达钢筋一般要1020年，所以其钢筋腐蚀引起混凝土结构的问题发现的比美国晚，但是这个问题正日益突出。在英格兰岛中环线快车道上有11座高架桥由于冬天撒除冰盐，两年后就发现钢筋腐蚀使混凝土胀裂，使用到1989年的
5、15年间，修补费已为造价的1.6倍，预计以后15年还将消耗接近造价6倍的费用。不仅在国外由氯离子引起的钢筋锈蚀情况严重，国内情况同样不容乐观。20世纪80年代中期，童保全等对浙东镇海沿海地区部分水闸工程破坏情况的调查，发现了混凝土结构由于受氯离子腐蚀而导致耐久性严重不足的问题。调查按建成年限和环境条件等特点选取21座水闸和一个翻水站。在这22座建筑物中，损坏严重弃用的3座，占8.7%；构件损坏严重要大修的有8座，占42.3%；局部损坏的8座，占42.3%；基本完好的，占8.7%。单国良等对连云港第一和第二码头混凝土上部结构耐久性调查也表明，具有不同程度的钢筋锈胀破坏和纵裂的分别占58%和84%
6、，主筋截面积损失率的最大值是24%。1986年建成该海港的煤码头，使用不到4年即已出现钢筋锈胀裂缝。20世纪90年代，黑龙江省开始修建混凝土高等级公路。黑龙江是我国最严寒的地方，路面积雪和冰冻情况严重，混凝土路面必须要经受最严酷的使用环境考验。哈绥公路自1994年下半年开始摊铺混凝土路面，到1995年8月完工。1996年为满足在黑龙江省在亚布力召开的亚洲冬运会的交通量需求，公路管理部门根据交通部颁布的有关使用除冰盐的技术规程撒除冰盐。1997年2月，撒除冰盐的路面和路肩表面出现大面积的混凝土剥蚀破坏，破损路段长19.5KM，这是由于除冰盐引起破坏的典型事例。哈尔滨到大庆的哈大公路，在建成5年后
7、混凝土就出现异常严重的顺筋胀裂和剥落，这也是由于撒除冰盐而人为造成的氯离子环境腐蚀混凝土结构破坏。北京市市政工程设计研究总院对北京城区混凝土立交桥梁耐久性方面存在问题的现状进行普查，对原西直门立交桥、三元桥、东直门立交桥、大北窑桥和月坛桥等进行了氯化物侵入和钢筋锈蚀检测，调查结果表示，氯化物的侵入可以严重破坏钢筋的保护层。早期建设的北京城市立交桥，混凝土标号低，抗渗性差，由于氯化物的侵入已经造成钢筋的严重锈蚀以及混凝土的剥落胀裂；近年来由于混凝土标号有所提高，在一定程度上缓解了氯化物的侵入速度，但是并不能完全阻止。因此可以认为，对于城市立交桥梁而言，除冰盐造成混凝土内钢筋锈蚀是影响桥梁耐久性的
8、主要原因。总之，来自海洋环境和除冰盐的氯化物污染引起的钢筋锈蚀，是严重威胁混凝土结构耐久性最主要和最普遍的病害，造成了巨大的直接和间接的损失。混凝土耐久性已是当今世界的重大问题，著名专家梅塔教授总结世界50年混凝土耐久性状况时，把钢筋腐蚀确认是影响耐久性的第一因素。而世界范围内大量实践证明，氯盐正是在世界范围内造成结构物破坏和带来巨大经济损失的“罪魁祸首”。因此“盐害”已经是一个世界性问题。我国是氯盐环境的大国，更应该引起特别的重视。二、 国内外研究现状目前，国内外对于氯盐对混凝土的侵蚀研究主要集中在以下几个方面：（一） 混凝土中氯离子侵蚀模型的研究当前在混凝土中氯离子侵蚀模型中，科学家们把B
9、oltzmarm变量转换、有限差分法和有限单元法等数学方法应用于Fick第二定律中，建立计算模型，并且引入了表面浓度随时间变化的函数、扩散系数随时间变化的函数，同时考虑了氯离子的结合作用、温度和自然条件的裂化效应等因素的影响，使氯离子侵蚀模型正在逐步趋于完善。（二） 表面氯离子浓度模型的研究科学家根据当前混凝土中的氯离子浓度，应用差分方法绘出了未来的氯离子浓度分布；并基于半无限介质中氯离子浓度表达为Boltzmann变量指数衰减函数的假定，提出了确定氯离子浓度分布的数学模型。（三） 混凝土中氯离子传输机理的研究在混凝土氯离子传输机理研究中，不同学者持不同观点。Ervin Poilsen认为外界
10、氯离子侵入混凝土的传输方式有三种：毛细管吸附作用、渗透、扩散。 Collepardi认为扩散是氯离子侵蚀的主要方式，并以Fick第二定律描述氯离子在混凝土中的扩散行为 。除此之外，挪威、瑞典、丹麦等一些北欧国家学者做出了许多开创性的工作，对于明确氯离子在混凝土材料中的传输性能具有重要意义 （四） 氯离子结合作用的研究目前氯离子结合理论主要有线性结合理论、Langmul结合理论和Freundlich结合理论三种。每种结合理论都有其合理性和适用范围。当前研究中，科学家基于Fick第二扩散定律，已推导出综合考虑混凝土的氯离子结合能力、氯离子扩散系数的时间依赖性和混凝土结构微缺陷影响的新扩散方程。尽管
11、如此，目前，科学家对于氯离子对混凝土侵蚀的研究还存在如下问题，需要更进一步的实验和探讨。首先，影响氯离子扩散性的因素和机理仍然需进一步研究。其次，目前对于氯离子和碳化相互间的化学作用对渗透的影响试验只考虑了单一因素的作用，而二者的耦合作用影响如何并没有十分明确的结论，这应是今后一个值得研究的课题。第三，在现有的耐久性评估模型中，氯离子界限浓度值的作用是至关重要的，它直接关系到预测的准确性。因此，未来的研究应该更加注重对氯离子界限浓度值的测量与计算。第四，当前对开裂混凝土的物质传输研究还比较少，并且且多数理论和试验仅针对饱和水情况下的开裂混凝土。第五，关于混凝土中氯离子传输的研究还带有很大的经验
12、性，各个参数尚需大量实验进行进一步的确定。三、 氯离子进入混凝土途径及存在形式及侵蚀性研究氯离子进入混凝土途径及存在形式（一） 我国的氯盐环境目前，我国的氯盐环境十分恶劣。我国所处的氯盐环境包括：海洋环境、氯盐类除冰盐的使用、盐湖和盐碱地和工业环境。1. 海洋环境通过对海水进行化学成分分析我们可以知道，海水中钠离子含量为1.06%，即每100g海水中就含有1g钠离子。如此高的钠离子含量对于混凝土会产生极为严重的破坏，使混凝土发生严重的钢筋锈蚀和混凝土的剥落胀裂。2. 氯盐类除冰盐的使用目前我国使用的除冰盐，其主要成分为氯盐。每当到冬天，我国北方就会出现大面积降雪天气。此时，为了保证交通顺畅与人
13、们的正常通行，有关部门就会在马路上使用盐水，增加比热容，以加快冰雪的溶解。但此举也会给路面及周边建筑混凝土造成很大的破坏，溶化后的雪水中的氯离子由于渗透作用渗透进混凝土之后就会对混凝土产生侵蚀，除此之外，氯离子不断扩散，还会对道路周边房屋地基等混凝土设施产生极大的腐蚀，不利于混凝土的长久使用。3. 盐碱和盐碱地我国存在广泛的盐渍土地区。沿海一带的盐碱地多以含氯离子为主；西部内陆地区的盐碱地有的以含氯离子为主，有的则以含硫酸盐为主，多数情况是混合盐。同样会对混凝土造成很大危害。4. 工业环境在我国，由于没有十分明确有效的规定，有可能会出现氯盐人为掺入混凝土的情况。如为了节省点经费而滥用海砂或使用
14、含氯盐超标的水拌制混凝土；或为了增加混凝土的早强性能，在混凝土中加入含氯盐的外加剂。这些行为都会导致混凝土中氯离子浓度超标，对混凝土及钢筋造成巨大危害。（二） 氯盐进入混凝土的途径氯离子进入混凝土通常有两种途径。其一是“掺入”，如掺用含氯离子外加剂、使用海砂、施工用水含氯离子、在含盐环境中拌制浇筑混凝土等；其二是“渗入”，环境中的氯离子通过混凝土的宏观、微观缺陷渗入到混凝土中，并到达钢筋表面。“掺入”现象大都是施工管理的问题；而“渗入”现象则是综合技术的问题，与混凝土材料多孔性、密实性、工程质量、钢筋表面混凝土层厚度等多种因素有关。（三） 氯盐在混凝土中的存在形式氯盐进入混凝土中后，主要会以胶
15、结物形式和溶液形式两种形式存在。其中，胶结物形式主要包括结晶形式（溶液由于过饱和而在表面析出，在骨料表面形成盐的结晶体）和与土、砂胶合的形式（盐在经过溶解与再结晶过程之后，与土、砂结合在一起，形成骨料的一部分）。溶液形式是指氯盐在溶解状态下渗入混凝土，会以溶液的形式存在于混凝土内部。氯盐水解可生成金属根离子和酸根离子，与混凝土中Ca(OH)2发生多种化学反应。当溶液中存在NH4Cl和MgCl2时，将发生如下化学反应：2NH4Cl+Ca(OH)2 2NH3(气态)+CaCl2+2H20 MgCl2+Ca(OH)2Mg(OH)2(沉淀)+CaCl2(易溶)（四） 氯盐侵蚀的危害氯离子侵入混凝土后会
16、，由于渗透作用到达钢筋表面，破坏钢筋表面致密的钝化膜，使露出的铁基体和尚完好的钝化膜区域形成电位差，从而形成腐蚀电池。同时，由于氯离子的去极化作用，氯离子可以将阳极的产物及时“搬运”走，使阳极过程顺利甚至加速进行，加快了钢筋的腐蚀。除此之外，混凝土中氯离子的存在强化了离子通路，降低了阴阳极间的欧姆电阻，提高了腐蚀电池的效率，也极大程度上加速了电化学腐蚀过程。除了对钢筋造成严重腐蚀，氯离子也会对混凝土本身造成一定程度腐蚀。氯盐会对混凝土造成分解性腐蚀，生成一种不溶性的“复盐”，极大程度上降低了混凝土强度、硬度等各项力学指标。氯离子侵蚀性研究（一） 荷载作用下混凝土侵蚀性研究混凝土内部细微观结构边
17、界条件影响混凝土中氯离子传输方式。混凝土材料应用于钢筋混凝土结构，一般以保护层方式起作用于结构耐久性能，同时，作为结构的一个组成部分承受荷载应力作用。荷载应力可使混凝土内部微结构产生变化，若以处于无应力状态的混凝土材料抗氯离子侵蚀性能来分析处于应力状态混凝土抗氯离子侵蚀耐久性，往往与实际结果有所偏差。Hani RSamaha和Kenneth CHover对混凝土材料在受压荷载作用下氯离子传输性能进行研究，将试件施加不同的压应力后卸载，试验结果表明，荷载水平高于75时，导电量提高20以上，但是荷载水平低于极限荷载的75时，导电量不受荷载的影响。该研究揭示了在静荷载作用下，压应力水平对混凝土材料抗
18、氯离子侵蚀性能的影响。 BGerard。DBreysse，AAmmouehe，0Houdusse和0Didry等人，对处于直接拉伸的混凝土试件的水渗透性进行了研究，初步研究结果显示，与不受力试件相比，加载试件的水渗透性提高100多倍。该研究揭示了在静荷载作用下，拉应力对混凝土材料抗氯离子侵蚀性能的影响。邢锋1妇等利用自行设置的加载装置对处于弯拉状态的混凝土的氯离子侵蚀性能进行了研究，认为混凝土的极限弯拉应力较小，压应力基本不会对氯离子侵蚀产生影响，而对受拉侧混凝土抗氯离子侵蚀性能进行了研究，弯拉荷载采用极限荷载的30和50，试验在恒温恒湿条件下进行，浸泡于10的NaCl溶液中，测试不同深度处氯
19、离子含量以反映加载时间和荷载水平对氯离子侵蚀性能的影响。试验结果表明，在拉应力作用下，混凝土中氯离子侵蚀速度加快，经标态化处理的氯离子渗透深度与荷载水平可以用3次多项式模拟，相关性很好。赵尚传等妇研究了弯曲荷载和干湿交替条件共同作用下氯离子在混凝土中的扩散规律。试验过程中考虑3个试验因素：弯曲荷载水平、混凝土强度等级、应力性质。试验结果表明，在受拉区，随着荷载水平的提高，混凝土抗氯离子侵蚀的能力降低，而在受压区，混凝土抗氯离子侵蚀的能力有所增加，试验荷载水平分别采用03和06倍极限荷载。赵铁军、方永浩等研究了混凝土的渗透性，结论类似。RFrancois和JC Maso研究了钢筋混凝土梁在荷载作
20、用下混凝土中氯离子渗透性以及对混凝土中钢筋锈蚀的影响n引。试验对钢筋混凝土梁采用三点弯曲的方法施加2种荷载水平，分别对应于腐蚀环境和非腐蚀环境的最大荷载要求，通过喷洒盐雾加速氯离子在混凝土中的侵蚀。结果表明，氯离子的渗透与所施加荷载引起的混凝土微观结构变化有关；氯离子在受拉区的渗透显著大于受压区的渗透；混凝土中氯离子扩散系数与区域钢筋应力存在幂函数关系；当荷载裂缝宽度小于05 mm时，氯离子主要沿着裂缝与钢筋交叉渗透，渗透区域主要是裂缝附近的狭窄区域。该试验表明了荷载作用对混凝土中氯离子侵蚀性的影响，揭示了钢筋混凝土结构中荷载裂缝对氯离子侵蚀的影响。无论在卸载后测试氯离子侵蚀性能，还是在持续加
21、载条件下测试氯离子侵蚀性能，研究结果均表明混凝土内部应力对氯离子在混凝土中的传输具有重要影响，机理分析表明混凝土应力改变了内部细微观结构，改变了氯离子的传输性能。（二） 反复荷载混凝土侵蚀性研究反复荷载作用下混凝土内部损伤逐渐累积，微细观结构经历了从微裂缝形成、变形、扩展、连通的过程，直至失稳破坏。反复荷载作用下混凝土损伤的研究成果表明，混凝土损伤随着荷载作用次数的增加不断累积，混凝土损伤的发展具有一定规律性，一般可采用三阶段模型进行模拟，即反复荷载作用在早期次数较少时，混凝土损伤发展速率较大，中间经受多次反复荷载作用而混凝土损伤缓慢增长，后期在接近疲劳破坏时损伤加速，最终导致结构破坏。在损伤
22、的发展过程中，混凝土内部微裂纹经历了从发生、扩展直至失稳全过程。而其对氯离子侵蚀性能的影响，也主要体现于微裂纹扩展的过程。5反复荷载作用与冻融循环可以加速混凝土中氯离子侵蚀性能一样，在超过一定应力水平(无限寿命区)后，使混凝土内部损伤不断积累，导致氯离子在混凝土中传输的边界条件不断改变，即使反复荷载与静荷载应力水平相同，而在累积到一定次数后却能造成更大的损伤，给混凝土抗氯离子侵蚀性能带来了不利的影响。赵铁军、方永浩等研究了在经受反复荷载作用后混凝土的渗透性，与Kamal Tawfiq，JamshidAraghani和Janaki Ramprasad Vysyaraju研究结果基本一致，表明反复
23、荷载作用使混凝土产生损伤，降低了混凝土的抗渗性。尽管氯离子的传输性能与混凝土渗透性不完全一致，但是两者之间密切相关。Mitsuru Saito直接对比了经受静态和循环压缩荷载以后的混凝土中氯离子渗透性，其方法是测量卸载以后的混凝土导电量。研究结果表明，即使静态荷载加到极限强度的90，对导电量也没有多大的影响，但经受60应力水平的循环荷载对导电量有显著影响，而应力水平小于50时，循环荷载对导电量的影响也不大；导电量随着加载以后的残余应变的增大而增加。至于混凝土经受多少循环次数，该研究没有详细说明，即没有进一步揭示混凝土的损伤度对氯离子传输性能的影响。3, 6该研究采用电量法来评价氯离子渗透性，对
24、比分析了混凝土静载损伤和反复荷载疲劳损伤对氯离子侵蚀性能的影响，定性揭示了反复荷载作用产生的损伤加速氯离子侵蚀，而没有揭示不同损伤阶段的氯离子传输速度。发展动态分析在海洋环境、盐碱环境和洒除冰盐环境中，氯离子侵蚀造成混凝土结构耐久性劣化普遍而广泛。可以预计，混凝土结构抗氯离子侵蚀性能研究仍然是耐久性领域未来持续发展的一个重点方向。随着认识水平的提高，分析理论不断深入，研究内容将逐渐与结构实际生存条件结合起来，如多种环境侵蚀因素耦合作用以及荷载与环境侵蚀因素耦合作用下的结构耐久性等将成为重点研究方向。荷载作用对桥梁结构安全性能和耐久性能的影响不可忽视，而荷载作用下混凝土结构耐久性相关研究仍处在初
25、步阶段，尤其对广泛而普遍且侵蚀性严重的氯离子侵蚀性能的研究，在进行混凝土结构耐久性评价、设计、寿命预测以及建造过程中的材料控制过程中，氯离子传输速度、传输机理和侵蚀模型不仅是主要的技术依据，而且是重要的理论基础。因此，研究荷载作用下混凝土中氯离子传输机理和侵蚀模型具有重要的理论意义和应用价值，是氯盐环境中承受荷载作用的混凝土桥梁结构耐久性研究的重要发展方向，项目研究成果同样适应于海港码头、离岸工程等处于海洋环境中承受荷载作用的混凝土结构。四、 氯盐侵蚀机理（一） 氯盐进入混凝土中的方式氯离子进入混凝土通常有两种途径。其一是“掺入”，如掺用含氯离子外加剂、使用海砂、施工用水含氯离子、在含盐环境中
26、拌制浇筑混凝土等；其二是“渗入”，环境中的氯离子通过混凝土的宏观、微观缺陷渗入到混凝土中，并到达钢筋表面。包括扩散作用、毛细管作用、渗透作用和电化学位移。“掺入”现象大都是施工管理的问题；而“渗入”现象则是综合技术的问题，与混凝土材料多孔性、密实性、工程质量、钢筋表面混凝土层厚度等多种因素有关。（二） 氯离子对钢筋的侵蚀机理氯离子对钢筋混凝土腐蚀破坏过程可由右图表示：0t1阶段：腐蚀介质在混凝土中扩散及在混凝土与钢筋界面的积累达到临界值, 但钢筋钝化膜未被破坏 。t1t2阶段：腐蚀介质在局部区域超过临界值发生腐蚀,导致混凝土局部开裂, 是由钢筋表面的钝化膜发生局部破坏至混凝土发生局部开裂 。t
27、2t3阶段：钢筋发生大面积腐蚀, 混凝土大面积开裂, 钢筋腐蚀速度加快, 导致钢筋截面积迅速减小, 使结构安全性能低于允许的指标。氯离子对钢筋的侵蚀机理主要包括以下四个方面：1. 破坏钝化膜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（主要成分为Fe2O3和Fe3O4），以往的研究认为，该钝化膜是由铁的氧化物构成。但是最近研究表明，该钝化膜中含有Si-O键，它对钢筋有很强的保护能力。然而，该钝化膜只有在高碱性环境中才是稳定的。当11.5时，就开始不稳定，当9.88时该钝化膜生成困难或已经生存的钝化膜逐渐破坏。Cl-是极强的去钝化剂，Cl-进混凝土到达钢筋表面吸附于局部钝化膜处时，可使
28、该处的值迅速降低， 可使钢筋表面值降低到4以下，从而破坏钢筋表面的钝化膜。2. 形成腐蚀电池如果在大面积的钢筋表面上具有高浓度氯化物，则氯化物所引起的腐蚀可能是均匀腐蚀，但是在不均质的混凝土中， 常见的是局部腐蚀。Cl-对钢筋表面钝化膜的破坏发生在局部，这些部位露出了铁基体，与尚完好的钝化膜区域形 成的电位差；铁基体作为阳极而受腐蚀，大面积钝化膜区域作为阴极。腐蚀电池作用的结果是，在钢筋表面产生蚀坑，由于大阴极对应于小阳极，蚀坑发展十分迅速。3. 去极化作用Cl-不仅促成了钢筋表面的腐蚀电池，而且加速了电池的作用。Cl-与阳极反应产物Fe二价离子结合成FeCl2将阳极产物及时地搬运走，使阳极过
29、程顺利进行甚至加速进行。通常把使阳极过程受阴称作阳极极化作用。而把加速阳极极化作用称作去极化作用，Cl-正是发挥了阳极去极化作用。在氯离子存在的混凝土中，在钢筋的锈蚀产物中是很难找到FeCl2的，这是由于FeCl2是可溶的，在向混凝土内扩散时遇到OH就能生成Fe(OH)2沉淀。再进一步氧化成铁的氧化物，就是通常的铁锈。由此可见，Cl起到了搬运的作用，却并不被消耗，也就是说，凡是进入混凝土中的Cl-会周而复始地起到破坏作用，也是氯离子危害的特点之一。Cl-去极化反应方程式如下： 4. 导电作用腐蚀电池的要素之一是要有离子通路，混凝土中Cl-的存在强化了离子通路，降低了阴阳极之间的欧姆电阻，提高了
30、腐蚀电池的效率，从而加速了电化学腐蚀过程。氯化物还提高了混凝土的吸湿性，这也能减小阴阳极之间的欧姆电阻。（三） 氯离子对混凝土的侵蚀氯离子会混凝土的腐蚀机理主要包括两个方面：第一， 氯盐中的CaCl2发生水化后会生成3CaOCaCl215H2O，体积会发生膨胀，石混凝土表面发生膨胀开裂。第二， 氯盐中的MgCl2与混凝土中的Ca(OH)2发生反应会生成Mg(OH)2沉淀。降低了混凝土的碱度，使混凝土发生分解性腐蚀。水泥中的铝酸三钙(c，A)，在一定条件下可与氯盐作用生成不溶性“复盐”，降低了混凝土中游离c1一的存在，所以，c，A含量高的水泥品种有利于抵御cl一的侵害。海洋环境中优先选用GA含量
31、较高的普通硅酸盐水泥，道理就在于此。但是，应该注意的是，“复盐”只有在强碱性环境下才能生成和保持稳定，当混凝土的碱度降低时“复盐”会发生分解，重新释放出cl一来。就此而言，“复盐”还有潜在危险的一面。保持混凝土的高碱性对于防止“复盐”的分解也是非常重要的。此外，在同时含有硫酸盐的情况下，cl一与c，A生成“复盐”，有利于降低硫酸盐与c，A作用而发生的“膨胀”破坏。就是说cl在一定条件下可抑制硫酸盐对混凝土的破坏作用，但必须保持混凝土的高碱度，并且氯盐、硫酸盐在混凝土中有较低的浓度。否则，氯盐与硫酸盐高浓度的累加作用，将加速钢筋腐蚀和对混凝土的破坏。（四） 氯盐腐蚀的影响因素氯盐腐蚀的影响因素主
32、要有四个方面：混凝土本身特性、氯离子扩散系数、表面氯离子浓度和初始氯离子浓度。1. 混凝土本身特性2. 氯离子扩散系数3. 表面氯离子浓度氯离子的扩散是由于氯离子浓度差引起的, 表面氯离子浓度越高, 内外部的氯离子浓度差就越大, 扩散到混凝土内部的氯离子就会越多。而结构表面的氯离子除了与环境条件有关, 还与混凝土本身材料对氯离子的吸附性能有关。4. 初始氯离子浓度初始氯离子浓度是指组成混凝土的各种材料所含的氯离子量占混凝土质量的百分比, 若初始氯离子浓度过高, 也容易诱发混凝土中的钢筋锈蚀。五、 混凝土的表面氯离子浓度国内外学者、研究单位运用了多种检测脱钝的方式，如阳极极化、腐蚀电位的变化、腐
33、蚀速率、恒压下电流密度的变化、目测辨别钢筋表面的锈点特征等。对普通混凝土、掺粉煤灰高性能混凝土、不同品种水泥的混凝土、轻骨料混凝土、混凝土砂浆、混凝土孔隙液以及不同的环境条件等多种情况进行了试验，得到了各种各样的临界值，离散性比较大。其中国外许多学者通过腐蚀电位，腐蚀电流和电阻率与氯离子含量(自由氯离子含量或总氯离子含量，有的以Cl一OH一的比值)之间的关系来确定氯离子的临界浓度值，并且还根据实验数据对腐蚀电位、腐蚀电流和电阻率与氯离子含量之间的关系进行最小二乘拟合，给出了相应的数学表达式。统计分析，并对试验结果分布进行Z2和K-S拟合优度检验，将其研究结果分为两种情况：(1)当钢筋半电池电位
34、大于一200mV时，对同种类型水泥来说氯离子临界浓度无甚变化，氯离子临界浓度值取决于水泥类型，并随外加剂含量的增加而递增，试验结果符合正态分布，钢筋锈蚀保证率为95的氯离子临界浓度有两种表达形式：以自由氯离子(C1一Free)占水泥重量百分率表示，为0497+01260569+_0177；以总氯离子(C1一Total)占水泥重量百分率表示，为0632+01120771+_0346。(2)当钢筋半电池电位小于200mV时，试验结果符合对数正态分布。以总氯离子(C1；删)占水泥重量百分率表示，其平均值为063，方差为036。33通过腐蚀电位确定氯离子临界浓度Alonso，C，Castellote，
35、M等通过对6种不同类型的硅酸盐水泥制成的砂浆试件在腐蚀电位为+250mV650mV(对饱和甘汞电极SCE)的区域进行试验研究，每根钢筋的锈蚀状态都要通过极化阻抗测试腐蚀电流(Ico，)来加以校核确定，然后再测试腐蚀电位。通过对一系列试验数据的统计分析，其研究结果可以分为两种情况：(1)当钢筋腐蚀电位大于20050 mV时，Cl；。=0730025或Cl；。=050003(占水泥重量的百分率)，或者是Cl_0H一=17603。(2)当钢筋腐蚀电位小于200_+50 mV时，腐蚀电位和总氯离子含量、自由氯离子氯离子临界浓度研究成果早在1980年1LBrowne就提出了Cl-导致钢筋锈蚀的危险性与C
36、l一含量的关系(见表3)，并得到许多试验研究和实际工程调查的证实。表3表明该试验得到的氯离子临界含量(浓度)_，为：Cl一含量达到水泥重量的04-一10或达到混凝土重量的007018。之所以氯离子(Cl一)的临界浓度有一个变化范围，是因为Cl-的临界浓度受到保护层混凝土质量和环境条件因素的影响。低水胶比、掺加辅助胶凝材料、良好地早期养护等，可以降低混凝土渗透性和提高混凝土钢筋界面的质量，因此能够提高Cl-诱发钢筋腐蚀的临界浓度。环境湿度反复变化或保持在9095RH湿度以及较高环境温度，会降低Cl_的临界浓度；在水下持续饱水、供氧量不足或持续干燥状态，Cl-的临界浓度会有所提高。此外，钢筋表面的
37、粗糙度较高，特别是钢筋表面有皮屑或预先有锈蚀，Cl-的临界浓度会显著降低。另外，我国在氯离子临界含量值的研究与确定也做了大量工作，通过大量的码头调查、暴露试验和现场取样，得到华南和华东海港码头混凝土结构的氯离子临界含量(占混凝土)分别为0105、一0145和01250150。另外，交通部第四航务工程局科学研究所通过对码头现场不同标高的混凝土结构的调查发现，不同标高处氯离子的临界含量也有差别，标高小者氯离子临界含量高，水下区最高，水位变动区和浪溅区次之，大气区最低，这可能与影响钢筋锈蚀的其它因素如氧气、水分、湿度和温度等有关。由于氯离子临界浓度值受多种客观因素和试验条件的影响，理论上它是一个随机
38、变量，氯离子临界含量应在大量统计的基础上、在一定的概率含义下取值。交通部公路科学研究所采用现场调研与概率统计分析的方法综合分析了氯离子临界浓度值。现场调研得到的数据反映了各种影响因素的综合作用，也是最有效和直接的体现。由于氯离子临界浓度值受到多种因素的影响，因此在分析的过程中采用了概率统计的方法，提出在80保证率的条件下，大气区的氯离子临界浓度为013，水位变动区和浪溅区的氯离子临界浓度为007。应当指出的是，在钢筋混凝土结构设计和施工中所选用的各种不同的氯离子临界浓度值，均应视为粗略的经验近似值。氯离子临界浓度值发生变化的原因主要总结如下：(1)混凝土的pH值随所使用水泥和混凝土掺合料的类型
39、不同而变化。所以，临界值会随pH值的变化而发生很大的上下浮动。(2)氯化物可以与混凝土中的铝酸盐(C，A)发生化学反应，生成氯铝酸盐复合盐(3CaOAI，O，CaCl，10H，O或3CaOA1，O，CaCl，32H，O)，以化学的方式(永久性地)限制氯离子参与钢筋腐蚀的催化反应。同时，氯化物还会被微孔壁所吸附，以物理的方式将其约束起来，使其(暂时性地)不参与腐蚀反应。(3)在非常干燥的混凝土中，由于在钢筋腐蚀过程中没有水的参与，阴极反应不会发生，因而即使氯离子的浓度很高，钢筋也不会发生腐蚀。(4)在密封的混凝土结构或高分子聚合物灌封的混凝土结构中，由于没有供阴极腐蚀反应所消耗的氧气和水分，因而
40、即使在非常高的氯离子浓度下，钢筋也不会发生腐蚀。(5)当混凝土结构处于水下区、完全浸泡于水中时，由于缺乏氧气，阴极反应也不会发生，钢筋腐蚀也同样被抑制。但如果有一些氧气(氧量不足)进入混凝土，坑蚀现象即可发生。一般认为，如果氯化物含量达到混凝土中水泥重量的02-一04，或达到混凝土总重量的005，钢筋即存在发生腐蚀的危险。更准确地说，钢筋附近氯离子(CI一)与氢氧根离子(OH一)的浓度比若超过临界值(06)时，钢筋即存在发生腐蚀的危险。但在氧气和水分被排除的环境条件下，氯化物即便达到水泥重量的l以上，也看不到任何腐蚀现象。六、 氯盐环境中混凝土耐久性与全寿命经济分析（一） 氯盐进入混凝土中影响
41、耐久性的模型探讨对于影响混凝土耐久性的诸因素(中性化、冻融、碱集料反应、钢筋锈蚀等) ,都是世人研究的对象,并力图建立可用于设计考虑的模型。其中研究最多、较为成熟、可资应用的模型,当首属氯盐导致钢筋锈蚀、从而影响混凝土耐久性的模型(国内外已经提出多个这样的模型) 。以下是与建立“模型”相关的概念与理论依据。1. 关于“寿命期”关于“寿命期”,有不同的理解与定义,对于氯盐的影响,通常用图进行描述。如图所示，Cl-导致钢筋腐蚀结构破坏大致可分为A、B、C、D四个阶段：A Cl-进入混凝土中,在钢筋表面达到“临界值”(钢筋开始腐蚀) ; B 钢筋腐蚀发展,混凝土顺筋开裂发生; C 钢筋腐蚀继续发展、
42、膨胀,导致混凝土剥落; D 钢筋腐蚀继续发展,最终导致结构失效、破坏。从设计考虑,欲控制结构的使用年限,控制第一阶段是最重要、最实际的(后面三个阶段是很难控制的) 。于是,绝大多数的“模型”创建者,均将第一阶段的末端(钢筋开始腐蚀) 定义为“寿命期”(预示结构应该考虑修复了) ,并不等同于结构实际使用寿命。2. 关于“临界值”Cl- 渗入混凝土内并到达钢筋表面达到一定浓度时钢筋才会锈蚀,此浓度称作“临界值”。早期Housman 等人的试验研究结果表明,在混凝土的液相中,当浓度比值为Cl- / OH- 0.61 时,钢筋开始锈蚀,并以此作为“临界值”。其实“临界值”是一个相当复杂的问题,它与混凝
43、土的自身品质和环境条件都有密切关系。可以说它确实存在,但不是一个固定值。就Cl- /OH- 的比值而言,众多研究者表明,这个比值在0.252.5 之间。因此,引起钢筋开始腐蚀的Cl- 浓度,不同条件下具有不同值。“临界值”是寿命“模型”的出发点和主要依据,它的多变性是“模型”创建的难点之一。3. Cl-在混凝土中扩散（渗透）规律尽管存在一些争议,到目前为止,绝大多数的研究者还是赞同和利用菲克定律来描述Cl- 在混凝土中扩散过程的,其表达式是:上式中：C（x,t）-经过时间t达到混凝土深度x处的Cl-浓度；C0-混凝土表面的Cl-浓度；D0-Cl-扩散系数。理论上讲,只要知道混凝土表面的Cl-浓
44、度C0 、Cl-扩散系数D0 ,和钢筋表面混凝土层的厚度,在确定一个“临界值”的情况下,就可以计算出钢筋开始腐蚀的时间(t) 来,那么“寿命期”便是可知的了,这就是“模型”的理论依据。“模型”的真正意义在于它的可用性、可靠性。“模型”与实际的符合程度,取决于C0 、D0t 的正确选择和“临界值”的恰当确定。这几个关键因子并不是容易确定的,每一个因子又受到多方面因素的影响与制约。比较可靠的数据往往来自几十年的环境试验、大量长时期数据积累与分析。美国、欧洲等已经推出可用性“模型”,并载入耐久性设计指导文件。我国也在努力,主要是缺乏长期性基础数据(很少人从事这种长远性工作) 。一些采用个别、短期试验
45、乃至完全用“设定”数据所建立的“模型”,其可靠性是值得商榷的,而依此推断工程结构的“寿命期”更欠斟酌。（二） 全寿命经济分析1. 技术层面前面图1 给出了氯离子引起钢筋腐蚀最终导致结构破坏的四个阶段,第一阶段是可以用“模型”推算出钢筋腐蚀的起始时间,并将此时间定义为(t )“寿命期”。尽管它不是实际意义的使用寿命(使用寿命= A + B+ C + D) ,但确保或延长( t )“寿命期”是耐久性的关键。设计者可以采取多种方法和策略来确保或延长(t)“寿命期”,这些方法可能包括:(1) 提高混凝土的密实性,最大限度地降低氯离子扩散系数(如高性能混凝土)；(2) 控制和减少裂纹,避免氯离子形成通路
46、；(3) 混凝土表面涂覆层,以阻断氯离子路径、降低混凝土表面氯离子浓度；(4) 钢筋表面涂层,以隔离氯离子与钢筋接触；(5) 提高氯离子“临界值”,如混凝土中掺入钢筋阻锈剂,可使“临界值”提高数倍,从而延长(t)“寿命期”，采用不锈钢钢筋,也提高其“临界值”；(6) 电化学保护；(7) 其他新技术大量实践证明,氯离子引起的混凝土耐久性,除了技术问题之外,还有管理和经济问题,体现于长远利益与短期利益的关系和国家长期效益的最大化问题。这正是“全寿命经济分析法”的重大意义所在。2. “全寿命经济分析法”关于投资成本与效益(CostEffective) 的谋算,是国内外许多部门、行业早就进行的,随后发
47、展到与使用“寿命”相结合的谋划策略。美国上世纪50 年代前,曾是大规模基础设施建设时期。而进入70 年代后,出现了大规模基础设施的修复时期,并且修复费用逐年增高,以致远远高于初建费用。以钢筋混凝土结构为主的基础设施建筑的耐久性问题,逐步突现出来。其中,以氯盐环境对耐久性影响问题最大和最普遍,引起了社会与政府的高度关注。鉴于经验教训,美国首先在基础设施建设项目中,制定和推行“全寿命经济分析法”。对于全寿命经济分析有几种表述,如“全寿命成本”、“寿命经济分析”和“全寿命成本分析”。比较普遍和简易的表达是LCCA(Life Cycle Cost Analysis) 。美国ISO 标准对“全寿命经济分析”给出的定义是:“它是工程项目费用的评估方法,旨在优选、对比实现寿命目标的不同措施,即包括初建成本也包括之后的一切运行、维护费用”。美国法典(USC) 给LCCA 的定义是“他是一个程序和方法,用于评估现行工程项目的总经济价值,包括初始成本和经折扣的进一步成本(整个寿命期内的维护、修复、重建和表面翻新处理成本) 。评估原则是保证寿命的前提下总花费最少”。作为方法的简易表达式是:式中： n-使用寿命（年）i-折扣率。比如计划项目是建设一座桥,寿命要求50 年,工程项目总费用应该包括以下两部分:(1) 工程初建费