氯鹽腐蝕環(huán)境下混凝土結構氯離子滲透與擴散研究綜述

蔣萌

（中鐵二十四局集團有限公司，上海200071）

氯鹽腐蝕環(huán)境下混凝土結構氯離子滲透與擴散研究綜述

蔣萌

（中鐵二十四局集團有限公司，上海200071）

氯離子滲透與擴散規(guī)律研究是氯鹽腐蝕環(huán)境下混凝土結構耐久性研究的關鍵工作，論文主要介紹了氯鹽腐蝕環(huán)境下混凝土結構氯離子滲透與擴散國內(nèi)外研究狀況。研究表明，建立混凝土結構中氯離子滲透與擴散理論模型必須考慮環(huán)境溫濕度、混凝土材料劣化效應、混凝土表面氯離子濃度、氯離子擴散系數(shù)的時間依賴性、混凝土碳化、混凝土應力狀態(tài)、混凝土材料對氯離子結合作用等因素，結合具體工程情況判斷哪些因素起主導作用，并提出進一步的研究方向。

混凝土耐久性；氯離子；滲透與擴散；Fi ck第二定律

1 引言

氯鹽腐蝕環(huán)境下的混凝土結構，由于環(huán)境侵蝕條件、混凝土缺陷和滲透性能、結構的腐蝕情況等因素，其力學性能和整體性能產(chǎn)生退化，如圖1、圖2所示。國內(nèi)外大量調(diào)查與研究表明，氯鹽腐蝕環(huán)境下影響混凝土結構耐久性的首要因素是氯鹽和鋼筋腐蝕，而氯離子滲透與擴散是影響鋼筋腐蝕的主要原因。20世紀80年代以來，我國學者相繼對舟山港、湛江港、惠州港、天津港等海港工程進行耐久性調(diào)查與研究，均發(fā)現(xiàn)較為嚴重的耐久性病害問題；浙江大學結構工程研究所通過對我國沿海橋梁、碼頭和工業(yè)建筑的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)我國沿海混凝土工程存在著較為普遍的“南銹北凍”問題[1]。

沿海地區(qū)是我國經(jīng)濟的核心區(qū)域，在沿海地區(qū)我國投入了大規(guī)模的人力物力進行基礎設施建設，大量的調(diào)查與研究表明，許多海港工程達不到其設計使用壽命，鹽害腐蝕每年給我國造成巨大的經(jīng)濟損失，約為1800～3600億元[2]。加強氯鹽腐蝕環(huán)境下混凝土結構耐久性研究是一個很重要的課題，氯離子滲透與擴散規(guī)律研究是耐久性研究的關鍵工作。本文主要介紹了氯鹽腐蝕環(huán)境下混凝土結構氯離子滲透與擴散國內(nèi)外研究狀況，并提出了進一步研究的方向。

圖2 鋼筋銹蝕

2 氯離子滲透與擴散國外研究現(xiàn)狀

20世紀初，俄國學者諾姆斯基等人對歐洲一些國家的港口工程進行了調(diào)查，調(diào)查研究表明鋼筋銹蝕問題是影響氯鹽腐蝕環(huán)境下混凝土結構的耐久性的主要因素，Page等[3]研究氯鹽腐蝕環(huán)境下混凝土結構中鋼筋銹蝕的機理，研究表明氯離子侵蝕導致混凝土結構中鋼筋的銹蝕。1972年，Collepardi等[4]提出用Fick第二定律計算混凝土結構中氯離子侵蝕，氯離子在混凝土中以擴散為主要方式且不考慮對流的影響并假設：氯離子擴散時不與混凝土結合，無化學反應或物理黏結；混凝土是半無限均勻介質(zhì)，是可滲透性的且是均質(zhì)的；氯離子擴散系數(shù)不隨時間變化。Fick第二定律已成為預測氯離子在混凝土中擴散的經(jīng)典方法之一，然而混凝土中氯離子的擴散是非穩(wěn)態(tài)和非線性的，混凝土是多孔性非均質(zhì)材料，氯離子擴散系數(shù)與混凝土材料特性、環(huán)境溫度、結構服役時間等因素有關，并不是一個定值，因此，F(xiàn)ick第二定律是個理想化模型。

進入混凝土內(nèi)部的氯離子與混凝土材料結合，一部分被物理吸附，一部分被化學結合生成新的水化物，降低了氯離子擴散速度并減少了到達鋼筋表面積累氯離子的數(shù)量，Papadakis等[5]研究表明，混凝土中氯離子有結合氯離子和游離氯離子這兩種存在形態(tài)，混凝土中結合氯離子是不能移動且不會引起鋼筋銹蝕，氯離子滲透與擴散必須考慮混凝土對氯離子的結合作用，Nilsson等[6]考慮混凝土對氯離子的結合能力，建立了氯鹽腐蝕環(huán)境下混凝土中結合氯離子與游離氯離子之間的關系。Perez等[7]提出了Linear模型、Langmuir模型和Freundlich模型這3種結合氯離子模型。Perez等研究表明采用Linear模型來分析混凝土結合氯離子能力，當氯離子濃度較高時，過高估計了被結合的氯離子的含量，而在氯離子濃度較低時卻低估了被結合的氯離子的含量；當孔隙溶液中氯離子的濃度小于1.773kg/m3時，采用Langmuir模型可以較好地反映出結合氯離子和自由氯離子之間的關系；當氯離子濃度較高時，采用Freundlich模型分析混凝土結合氯離子能力比較合適。大量試驗研究表明被結合的氯離子和自由氯離子之間的關系一般是非線性的，為了簡化模型，一般采用Linear模型來研究混凝土結合氯離子能力。

氯鹽腐蝕環(huán)境下混凝土結構表面和內(nèi)部由于荷載、溫濕度、結構本身缺陷等因素，存在著許多裂縫，這些裂縫的寬度和深度一般較小，對結構的承載能力影響不大，Mohammed等[8]研究表明，氯離子由于這些裂縫的存在可以比較容易侵入混凝土結構的內(nèi)部，裂縫的存在影響混凝土結構的耐久性，加快了氯離子的滲透與擴散。Li[9]通過對大量試驗數(shù)據(jù)的分析研究表明，F(xiàn)ick第二定律并不適用于裂縫寬度大于0.1mm的鋼筋混凝土構件。Boddy[10]對氯離子擴散的溫度敏感性進行了研究，Boddy等人的研究表明，環(huán)境溫度對氯離子擴散的影響很大，隨著溫度的增加，氯離子侵蝕速度迅速加快，鋼筋區(qū)域的氯離子濃度增加，氯離子擴散系數(shù)在適宜的溫度下會得到的提高。氯離子侵入混凝土結構的速率參數(shù)可以用氯離子擴散系數(shù)來表征，Mangat等[11]用冪函數(shù)來表征氯離子擴散系數(shù)隨時間變化的規(guī)律，建立考慮時間依賴性的氯離子擴散模型，研究表明，氯離子滲透性與混凝土結構的暴露條件以及其質(zhì)量有關。Boddy等[12]考慮混凝土結構表面氯離子濃度隨時間的變化、混凝土中毛細管作用、外部環(huán)境對結構的應力作用、氯離子擴散系數(shù)的時間性等因素，建立了修正的氯離子擴散模型。

3 氯離子滲透與擴散的國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國對氯鹽腐蝕環(huán)境下混凝土結構氯離子滲透與擴散研究起步較晚，20世紀80年代南京水利科學研究所林寶玉等[3]根據(jù)中交航務工程局等相關單位關于我國海港工程調(diào)查、檢測等[13]資料，開始研究我國沿海地區(qū)混凝土結構病害主要原因，在此基礎上通過相關試驗研究提出了適合我國沿海地區(qū)混凝土結構耐久性要求的技術指標，陳伯起等[14]通過湛江、上海和天津鋼筋混凝土觀測站現(xiàn)場暴露試驗10年觀測資料的分析研究，提出海港碼頭的鋼筋銹蝕破壞主要發(fā)生在從平均高潮位開始、向上延伸1.5m的區(qū)間內(nèi)。中交四航局科研所的張寶蘭等對華南海港鋼筋混凝土進行10年的暴露試驗，試驗研究表明結構在大氣區(qū)氯離子積聚量較小，氯離子積聚量在水位變動區(qū)最多，隨深度的變化，氯離子在各個區(qū)域內(nèi)積聚量并非線性遞減。東南大學的余紅發(fā)等[15]基于Fick第二擴散定律，考慮混凝土結構缺陷、氯離子擴散系數(shù)的時間依賴性和混凝土結合氯離子能力建立了氯離子擴散模型。氯鹽腐蝕環(huán)境下混凝土結構的大氣區(qū)和水位變動區(qū)，結構不僅受氯離子侵蝕，而且還存在混凝土碳化。同濟大學的鄭永來等[16]通過混凝土結構氯離子快速滲透試驗和快速碳化試驗，研究了碳化程度對氯離子擴散系數(shù)的影響。研究表明：碳化提高了混凝土的密實度，阻止氯離子的擴散，混凝土中氯離子擴散系數(shù)降低；氯離子擴散系數(shù)未碳化試件的最大，未碳化混凝土試件的氯離子擴散系數(shù)約為完全碳化試件的2.3倍，完全碳化試件與部分碳化試件的氯離子擴散系數(shù)相對較小，但二者差別不大。浙江大學的許晨等[17]通過對比試驗，研究了混凝土結構中碳化與氯離子侵蝕的相互影響并分析研究了二者之間的耦合作用。研究表明，碳化會釋放混凝土中的結合氯離子，自由氯離子增多從而加速了氯離子擴散，混凝土空隙由于碳化產(chǎn)物的填充會阻止氯離子的擴散，混凝土碳化對氯離子侵蝕的影響存在促進和阻礙這兩種效應，必須根據(jù)實際情況確定哪一方面的效應起主導作用。

浙江大學的姚昌建等[18]根據(jù)電化學理論以及海洋環(huán)境下長期服役混凝土結構內(nèi)部毛細孔結構的演化，理論推導了氯離子介質(zhì)在溶液中的擴散方程。研究表明，氯離子擴散系數(shù)在混凝土結構內(nèi)部隨著深度的增加而不斷增大。浙江大學的張奕等[19]對海洋環(huán)境下混凝土結構在干濕交替區(qū)氯離子隨高程變化的分布規(guī)律進行了研究，干濕交替區(qū)混凝土結構中氯離子分布的規(guī)律主要與該區(qū)域環(huán)境因素的變化規(guī)律相關，混凝土結構中氯離子在干濕交替區(qū)域的輸運是離子濃度擴散與對流耦合在孔隙非飽和狀態(tài)下的滲透，氯離子侵蝕程度隨著高程的增加先增大后減小，其中在某一高程處的氯離子侵蝕會達到極值，結構耐久性設計與維護的關鍵部位應取該區(qū)域?；炷两Y構在干濕交替作用下結構表層內(nèi)水分傳輸?shù)臋C理是不同的，清華大學的李春秋等[20]在此基礎上建立了混凝土內(nèi)氯離子在結構表層干濕交替作用下的傳輸模型。李春秋等研究表明混凝土結構在干濕交替作用下結構中水分傳輸?shù)挠绊懮疃纫笥诼入x子傳輸?shù)挠绊懮疃龋炷翆β入x子有較強的吸附性，混凝土結構受氯離子入侵程度浸沒于氯鹽溶液中的結構要小于干濕交替作用下的結構。范宏等[21]通過實驗室和海洋環(huán)境下混凝土結構中氯離子含量分布的對比試驗，研究表明，混凝土結構表層氯離子分布與所處環(huán)境相關，氯離子擴散系數(shù)隨著結構暴露時間的推移而減小，混凝土質(zhì)量對氯離子在混凝土中擴散的影響需通過長時間暴露試驗才能反映出來。中國科學院的金祖權等[22]研究表明，混凝土對氯離子的結合能力在裂縫處要大于其周邊區(qū)域，總氯離子擴散系數(shù)隨裂縫寬度增加而提高，但自由氯離子擴散系數(shù)在裂縫處隨著其寬度的增加而下降最終趨于穩(wěn)定，對于海洋環(huán)境下混凝土結構的水下區(qū)，海水中某些成分會與混凝土中某些成分發(fā)生化學反應，生成碳酸鈣、氫氧化鎂等沉淀物質(zhì)進而可以延緩氯離子對結構的侵蝕，因為這些沉淀物質(zhì)可以堵塞結構在水下區(qū)的裂縫。

4 結語

本文主要介紹了在氯鹽腐蝕環(huán)境下混凝土結構氯離子滲透與擴散的國內(nèi)外研究狀況。通過研究表明，建立混凝土結構中氯離子滲透與擴散理論模型需考慮環(huán)境溫濕度、混凝土材料劣化效應、混凝土表面氯離子濃度、氯離子擴散系數(shù)的時間依賴性、混凝土碳化、混凝土應力狀態(tài)、混凝土材料對氯離子結合作用等因素，必須結合具體工程情況判斷哪些因素起主導作用進而建立相應理論分析模型。氯鹽腐蝕環(huán)境下混凝土結構有些部位可能處于二維或三維氯離子滲透狀態(tài)，而這些部位正是混凝土結構耐久性研究的關鍵部位。筆者認為氯離子滲透與擴散研究今后應著重研究考慮多重因素的二維和三維氯離子滲透與擴散模型。

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A Review of Study on the Permeation and Diffusion of Chloride Ion in Concrete Structure underChlorineSaltCorrosionEnvironment

JIANGMeng
(ChinaRailway24thBureau GroupCo.Ltd.,Shanghai 200071,China)

Thestudyon the law of permeation and diffusion of chlorideion is the key work of durabilitystudy ofconcreteunder chlorinesalt corrosion environment,the study on the permeation and diffusion of chloride ion in concrete under chlorine salt corrosion environment domesticandaboard isintroduced.Thestudy indicated thatestablish theoreticalmodelofpermeationanddiffusionofchlorideion in concrete need consider environmental temperature,material degradation effect,chloride concentration in concrete surface,time of diffusion coefficient,concrete carbonization,stress state,material degradation effect of concrete and so on,and combine w ith practical engineer and determ inewhich factorsplaya leading role.Finally,thedirectionof furtherstudy ispointedout.

durabilityofconcrete;chlorideion;permeationanddiffusion;Fick'ssecond law

TU528

A

1007-9467（2015）08-0034-04

10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.003

2016-03-07

蔣萌（1983～），男，江蘇鹽城人，工程師，從事結構耐久性研究，（電子信箱）jiangm eng998@126.com。