氯盐引起的钢筋锈蚀及耐久性设计考虑

混凝土耐久性论文汇编 第1页

氯盐引起的钢筋锈蚀及耐久性设计考虑

洪乃丰

1．总论

1．1 氯盐对混凝土结构的危害

按照P．K．Mehta的观点，钢筋腐蚀在影响混凝土耐久性的诸因素中是排在第一位的。 1．2 钢筋混凝土破坏的主要机理

氯盐引起的钢筋腐蚀，在世界范围内对钢筋混凝土基础设施等造成极大破坏，修复花费巨大，已经是一个经济问题和影响可持续发展的大问题。我国存在着广泛的氯盐环境，氯盐引起的钢筋腐蚀对混凝土耐久性影响的问题必须给与足够的重视。 1．3 混凝土中氯盐的主要来源 1)由环境中渗入的：

海洋环境：

·海水(约含2.9％的Cl—)；

·飞溅区(混凝土表面层中C1—含量可达17kg／m3)；

·海洋大气区(包括海风、海雾影响区)。在按日本的有关规定(见表1)中，钢筋混凝土建筑物离海(面)距离

钢筋混凝土建筑物的海雾腐蚀分级(日本建筑所) 表1

盐腐蚀分级 离海(面)距离 防护措施要求 化冰盐：

·桥梁(混凝土表面层中Cl—含量可达15kg／m3)； ·停车场(混凝土表面层中Cl—含量可达17.8kg／m3)。 盐渍土、盐湖(在我国分布广阔)。 工业盐环境。

重腐蚀区 0～300m 腐 蚀 区 300—1000m 轻腐蚀区 lOkm 酌 情 300m之内，属于“重腐蚀区”，需要有可靠的防护措施。

可 靠 防 护 2)混入(掺人)混凝土中的：

如含氯盐外加剂、含氯盐砂(如海砂)、含氯盐(超标)施工用水等。 1．4 氯盐对结构破坏的表征 ·氯盐主要是对钢筋腐蚀从而导致钢筋混凝土结构的破坏。对混凝土也有一定程度的破坏作用(盐结晶腐蚀、加速冻融破坏、激发碱集料反应等)；

·当钢筋表面C1—浓度达到或超过“临界值”时，钝化膜开始破坏，钢筋腐蚀发生、发展，锈蚀产物膨胀(2～6倍)，使混凝土顺筋开裂；

·钢筋腐蚀加速，裂纹扩展，混凝土与钢筋之间的粘结力下降，结构的力学性能下降； ·钢筋断面损失，结构局部或整体破坏、垮塌；

·对于预应力结构，可能在钢筋腐蚀表观不严重的情况下突然垮塌。 1．5 C1对钢筋锈蚀的主要作用

C1—对钢筋锈蚀的作用主要有以下几方面：

1)破坏钝化膜：水泥水化的高碱性(pH≥12．6)，使其内钢筋表面产生一层致密钝化膜，C1—进入混凝土中并到达钢筋表面(超过“临界值”)后，局部钝化膜开始破坏；

2)形成“腐蚀电池”：C1破坏钝化膜使钢筋表面这些部位(点)露出了铁基体，与尚完好的钝化膜区域之间构成电位差(作为电解质，混凝土内一般有水或潮气存在)。腐蚀往往由局部开始逐渐在钢筋表面扩展。 3)Cl—的阳极去极化作用：加速阳极过程者称作阳极去极化作用，C1—正是发挥了此方面的功能，其反应式：

—2—+—

(Cl + Fe) + 2H2O + 2e ＝ Fe (OH)2 + 2H +2C1 (1)

值得注意的是，由式(1)式可以看出，C1—只参与了反应过程，同时起到了“搬运”作用，但并没有被“消耗”掉，换言之，凡是进入砼中的游离状态Cl，会周而复始地起破坏作用的，这也是氯盐危害的特点之一。 4)C1—的导电作用：混凝土中C1—的存在，强化了离子通路，降低了阴、阳极之间的欧姆电阻，提高了腐蚀

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电池的效率，从而加速电化学腐蚀过程。

5)C1与水泥的作用及对钢筋锈蚀的影响：水泥中的铝酸三钙(C3A)，在一定条件下可与氯盐作用生成不溶性“复盐”，降低混凝土中游离Cl—的量，从这个角度讲，含(C3A)高的水泥品种有利于抵御Cl—的侵害。但是，“复盐”只有在强碱性环境下才能生成和保持稳定，而当混凝土的碱度降低时，“复盐”会发生分解，重新释放出C1—来；在一定条件下也可能转化成水化硫铝酸盐(钙矾石)，就此而言，“复盐”还有潜在危险的一面。 1．6 关于混凝土中C1—的“临界值” 1)理论与实验值：C1—在混凝土内扩散到钢筋表面而达到一定浓度时钢筋才会锈蚀。此浓度称作“临界值”·。早期Housmen等人的实验研究结果表明，在混凝土的液相中，当浓度比值为C1—／OH—>0．61时，钢筋开始锈蚀，并已此作为“临界值”。因为混凝土是一个复杂的体系，研究者所用材料、规定的实验条件不同，其结果也有差异。目前，较为一致的观点是，“临界值”确实存在，但不是一个固定值，它是随条件而变的。而后来的众多研究者，得出了不尽相同的结果，Cl／OH的比值可以扩展为0．25～2．5之间。 2)相关规范中的“限定值”：在实际中，用C1—／OH—比值表示“临界值”是不好控制和使用的。在试验研究和工程实践的基础上，世界上许多国家的规程、规范、政府指令性文件中，都作了响应的限量规定。各个国家、乃至一个国家的不同部门，所规定“限定值”都不完全一致，但其主要依据还是源于C1—破坏钝化膜的“临界值”。因此，一些人也就将规范规定的“限定值”等同与“临界值”。

混凝土中允许Cl—含量的限定值(水泥重量百分比) (美国混凝土学会相关规定) 表2 类 型 预应力混凝土 湿环境、有氯盐 普通混凝土 一般环境、无氯盐 干燥环境或有外防护层 3——

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ACl201 0．06 0．10 0．15 无规定 ACl319 0．06 0．15 0．30 1．0 ACl222 0．08 0．20 0．20 0．20 日本为了更便于应用，规定了每1m混凝土中Cl含量的限定值。日本土木学会编制的规范中规定，对于耐久性要求较高的钢筋混凝土，Cl—总量不超过0.3kg／m3；一般钢筋混凝土，C1—总量不超过0.6kg／m3(若每1m3混凝土按300kg水泥计算，以上规定为水泥重量的0.1％～0.2％，与表1中美国的规定基本一致)。

日本是一个岛国，河砂奇缺，大多数采用海砂。面对广泛的氯盐环境，日本建设省指令性文件《确保钢筋混凝土耐久性措施》中规定，每1m3混凝土Cl—总量一般不要超过0．3kg，当达到0.3～0.6kg或超过0.6kg时，必须采取掺加钢筋阻锈剂等技术措施。

我国规程规范对氯盐限量规定差异大，近期国内制定、修订的规程规范有了很大改进。逐步靠近如下指标： 对于预应力混凝土：C1—总量不超过0．06％(水泥重量百分比)； 对于普通混凝土：C1—总量不超过0．10％(水泥重量百分比)。

3)关于破钝“临界值”与修复“临界值”：破钝“临界值”的概念，指的是“钢筋开始锈蚀的时间”，有人认为，此时应该是“设计寿命期”或修复开始的时间，也即修复“临界值”。而另外一些人则认为，修复“临界值”应是钢筋腐蚀并导致“混凝土出现顺钢筋开裂的时间”。两种理解各有道理。

依据国内外大量试验、研究和工程实践表明，混凝土中C1—浓度在0.3～0.6kg／m3范围内有引起钢筋锈蚀的可能，超过时腐蚀可能性更大。破钝“临界值”似应该在0.3～0.6kg／m3范围内；有一些资料证明，钢筋表面的Cl—浓度在0.6～0.9kg／m3范围内，应是钢筋腐蚀和发展期，当达到或超过lkg／m3时，钢筋锈蚀发展可以将混凝土胀裂。于是，就将1kg／m3定为混凝土破坏“临界值”(或必须修复的时间)。应该说明，混凝土的复杂性和环境的差异性，不大可能只有一个“临界值”，虽然这样，总要有些接近的认识。以下提出一个“综合”说法，仅供参考：

·对于新建工程的控制：

重要工程：进入混凝土中C1浓度(含量)应小于0．3kg／m(平均值)； 一般工程：进入混凝土中C1—浓度(含量)应小于0．6kg／m3(平均值)。 ·对于已有工程(老建筑确定修复时间)：

重要工程：渗入混凝土中并达到钢筋表面C1—浓度(含量)，可在0.6～0.9kg／m3之间； 一般工程：渗入混凝土中并达到钢筋表面Cl—浓度(含量)，可以lkg／m3为限。 2．氯盐环境下钢筋防腐蚀设计考虑篇 2．1 综合对策的考虑

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氯盐对钢筋的腐蚀属于电化学过程，受综合性、多因素影响。因此，单一防护措施往往不能奏效，应该采取综合性措施。

从就整体而言，除设计本身外，要综合考虑到施工、使用、管理、维护等；从防腐蚀设计而言应遵照“以防为主”的战略方针，重点在“预先设防”；就具体的技术思路而言，应考虑基本措施(强化混凝土自身对钢筋的保护能力)加上附加措施(一项或几相)的综合方略。

综合经济效益的考虑：在保证寿命期的前提下，花钱最少。努力实施“全寿命经济分析”(花钱总额包括初建费+维护修复费)。适当增加初期投入，能大大减少修复费用，总体花费少，而不是初期投资越低越好。 2，2 关于“基本措施”

1)最大限度提高混凝土的密实性。优质混凝土、密实性混凝土、高性能混凝土等，都能提高阻挡C1渗入

——

混凝土中的能力，减缓C1的扩散速度。从而延长了C1到达钢筋表面并达到“临界值”的时间，这就延长了结构物的使用寿命。

混凝土表面氯离子(C1—)向混凝土内部渗透，一般可用费克定律描述： C(x，t) = C0(1— erf *x/2

Dat) (2)

—

式中 C(x，t)—— 经过时间t、达到混凝土深度x处的氯离子(C1—)浓度；

C0 —— 混凝土表面的氯离子(C1—)浓度； Da —— 氯离子(C1—)扩散系数。 2)增加混凝土保护层厚度。

．C1在混凝土中的浓度(含量)是随混凝土的深度(厚度)的增加而减小，说明增加混凝土保护层厚度，对于减缓C1—的渗透量也是很有效的；

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·在同样环境条件下，混凝土的水灰比越低和更加密实，C1在混凝土中的浓度(含量)随之明显降低，并随混凝土的深度(厚度)的增加而衰减越快，说明密实的混凝土再适当增加保护层厚度，对于阻止Cl的扩散更有效。 3)最大限度地防止混凝土裂缝的产生。混凝土的裂缝(宏观、微观)是影响钢筋锈蚀和混凝土耐久性的最重要因素之一，因此，控制裂缝成为一门专门的学问。由于混凝土包含材料、施工等众多因素，在实际工程中，完全避免裂缝是很难做到的，或者说，到目前为止，混凝土裂缝的存在仍然是不可避免的。而裂缝(宏观、微观)的存在势必大大促进C1—进入混凝土中的速度，从而更快地导致钢筋腐蚀破坏的发生。控制裂缝除合理设计外，还包括配料、配筋、控温、养护、保养、维护等一系列环节，也是一项综合性技术。

一些国家的规程、规范中对于裂缝有严格规定，如美国混凝土学会(ACI222)规定，对于使用化冰盐的环境，混凝土裂缝应小于0．007英寸(约0．18mm)；对于海洋环境，混凝土裂缝应小于0．006英寸(约0．15mm)。为了防止和减缓Cl—的危害，这些限制性规定是十分重要和必要的。

最大限度地提高混凝土的密实性、减少裂缝、适当增加混凝土的保护层厚度，是防止钢筋过早腐蚀、提高混凝土耐久性的基本措施，也是长远性奋斗目标。 2．3 附加措施

附加措施的必要性：

·国内外大量实践和试验证明，在严酷的氯盐环境中，10—20年内就要出现钢筋腐蚀破坏和修复。即使是高密实混凝土，66mm厚的混凝土保护层，50年内钢筋表面Cl—的浓度也超过了足以使混凝土顺筋开裂的“临界值”(1kg／m3)，即难以达到50年的使用寿命；

·虽然增加混凝土保护层厚度是有效的措施之一，但有些结构(如桥梁)不可能采用太厚的保护层。因此，增加混凝土保护层厚度的方法也有一定限度。

·混凝土的密实性和裂缝控制，除材料、合理配比外，很重要的是施工、养护过程。大型工程的施工与质量控制，是一个复杂的过程，需要整体水平和人员素质的提高。因此，工程实现高密实、无裂缝的混凝土制作是困难的，对于我国更是如此。

·引用以下的文献，也许是有帮助的：

*恰当考虑耐久性设计，能很大程度延长结构寿命。高质量混凝土和适当保护层厚度是第一道防线。但是，世界经验表明，单靠砼质量和保护层，不能保证长期的耐久性和避免腐蚀破坏的发生，尤其在严酷条件使用。在材料和施工质量上，混凝土裂缝和材料变异以及施工质量问题，损害了单用混凝土作为防护战略的实际效果。

附加措施的主要内容：

在氯盐环境中钢筋防腐蚀常用技术措施 表3

防护种类 措 施 内 容 —

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钢筋材质与钢筋涂层 混凝土外加剂、掺和料 环氧涂层钢筋 镀锌钢筋 耐蚀合金钢钢筋 不锈钢钢筋 钢筋阻锈剂 硅灰、其他外加剂、密实剂、纤维填加料等 硅酮类 涂料 聚合物灰浆 其他隔离、砌筑层 聚合物浸渍 阴极保护、电化学除盐 选材、结构设计、水灰比、混凝土保护层厚度、排水系统、防护方案选择 固化与养护、温度与裂缝控制、严格规范施工 裂缝修补、清洗排水、控制除冰盐用量 以上两项或多项措施联合使用 混凝土表面封闭、涂层 电化学方法 设 计 施 工 维 护 综 合 措 施 表3中除设计、施工、维护规定的项目外，对于新建工程，最常采用的附加措施是环氧涂层钢筋和钢筋阻锈剂；对于已有工程的修复，电化学方法是很有效的；涂覆层、钢筋阻锈剂，对于新、老工程都可选用。应该指出的是，任何“附加措施”都应该在“基本措施”的基础上采用，任何情况下最大限度地保证混凝土的高质量，都是头等重要的。 2．4 环氧涂层钢筋

1)环氧涂层钢筋的研究与发展过程 环氧涂层钢筋的研究起源于美国。其中，美国联邦公路局(FHWA)于20世纪70年代初开始研制环氧涂层钢筋，以后逐步解决涂层材料、生产工艺和工程应用等问题。1973年首次试用于桥面板，并不断扩大应用和制定相关标准。到1987年，美国环氧涂层钢筋的年产量已达20万t。随之，其他国家和地区，如欧洲、中东、日本等，也在发展和应用环氧涂层钢筋技术。美国已有近两万座桥的桥面板上使用环氧涂层钢筋。我国建设部也制定了环氧涂层钢筋的产品标准，国内已经有环氧涂层钢筋产品并开始在一些工程上应用。 2)环氧涂层钢筋的特点与主要性能

·环氧涂层钢筋制作：不同于通常的环氧树脂涂料涂刷在钢筋表面，环氧涂层钢筋制作是采用静电粉末喷涂的方法，在工厂内进行对钢筋表面的涂层加工出来的。美国曾先后试验了56种各类涂层材料，最终选定了这种热固性静电喷涂环氧粉末涂层材料与制作工艺；

·粘结力与对混凝土握裹力的影响：环氧树脂粉末的独特性能与静电喷涂工艺，能保证涂层与基体钢筋的良好黏结，抗拉、抗弯好，短半径180度的弯曲，仍可不出现裂缝。 ·环氧树脂粉末涂层还具备以下性能：

耐碱性：能长期经受混凝土的高碱性环境(pH＝12．5～13．5)。

耐化学侵蚀：环氧树脂粉末涂层具有很高的化学稳定性和耐腐蚀性，并且膜层具有不渗透性，因此能阻止水、氧、氯盐等腐蚀介质与钢筋接触。 弹性和耐摩擦性：都是很好的。

3)国外环氧涂层钢筋的使用经验教训和应注意的问题

业已证明环氧涂层钢筋能够大幅度提高钢筋的抗腐蚀能力，是提高钢筋混凝土耐久性的重要措施之一。在美国公路局的报告中指出，对使用15—20年的桥梁(面板)的取样检查表明，其中81％的环氧涂层钢筋没有腐蚀发生，因而，从总体上肯定环氧涂层钢筋的有效性，并继续推荐使用。

由于环氧涂层钢筋的保护机理建立在完全隔离钢筋与腐蚀介质(如C1—)的基础上，保证膜层的完整性成为环氧涂层钢筋有效性的关键(植入混凝土后，若膜层损伤率大于钢筋表面积的5％，就等同于未涂钢筋的耐腐蚀能力)。

美国也有使用环氧涂层钢筋而在不到10年出现钢筋腐蚀破坏的事例，究其原因，除与质量有关外，涂层缺陷、膜层损伤以及与长期处于潮湿状态有关。

生产厂家保证环氧涂层钢筋的质量是非常重要的，但这还不够，还要从出厂运输到工程使用操作的每一个环节中，都要最大限度地避免环氧涂层钢筋膜层的损伤，这就需要整体提高相关人员的素质和施工水平。不能依靠损伤后的修补，出现数量多或面积大的膜层损伤(大于25mm2)，不允许再修补使用。混凝土的浇注、振捣

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过程可能破坏环氧涂层钢筋的膜层(甚至80％的损伤率发生在此过程)，因此，对振动器包覆是必要措施。同时，施工人员一定要小心、细心操作。

即使是采取了相应的措施，有时还难以避免膜层损伤的情况，另外，使用环境可能长期处于潮湿、高氯盐环境的情况，为了更“保险”和提高效能，国外规定和倡导，在使用环氧涂层钢筋的同时，还可掺用一定量的钢筋阻锈剂，以弥补此方面的不足。 2．5 钢筋阻锈剂

1)钢筋阻锈剂的发展过程

美国混凝土学会(ACl)确认混凝土中钢筋防腐蚀的三种有效措施之一是钢筋阻锈剂(另外两种是环氧涂层钢筋和阴极保护)。在美国，钢筋阻锈剂已经有近30年的工程应用历史，日本使用更得早(与海砂并用)。环氧涂层钢筋和钢筋阻锈剂主要用于新建工程，在美国，早期钢筋阻锈剂的使用不如环氧涂层钢筋广泛，而近15年来钢筋阻锈剂得到迅速发展。有统计表明，1993年，全世界约有2000万m3的混凝土使用了钢筋阻锈剂，而到了1998年，至少有5亿m3的混凝土使用了钢筋阻锈剂(5年增长20多倍!)，可见发展趋势之迅猛。我国也于20年前研究开发钢筋阻锈剂产品(冶金部建筑研究总院、水电部南京水科院等)，已经有不少大型工程采用(三山岛金矿工程已17年)。

2)钢筋阻锈剂的性质、分类与作用原理 分类：

·按使用方式和应用对象分：

掺人型(Darex Corrosion Inhibitor)(DCl)：1掺加到混凝土中，主要用于新建工程也可用于修复工程。

渗透型(Migrating Corrosion Inhibitor)(MCl)：涂到混凝土表面，渗透到混凝土内并到达钢筋周围，主要用于老工程的修复。

·按形态分：水剂型、粉剂型；

·按化学成分分：有无机型、有机型、混合型等； ·按作用机理分：阴极型、阳极型、混合型等。

钢筋阻锈剂的有效性原理与掺量依据：

在混凝土中加入钢筋阻锈剂能起到两方面的作用：允许更多的Cl—进入混凝土中，可提高C1—引起钢筋腐蚀的“临界值”，从而推迟钢筋开始生锈的时间，另一方面，可减缓钢筋腐蚀发展的速度。在严酷的腐蚀环境中(海洋或撒盐等)一般5—15年内可出现钢筋腐蚀造成的顺钢筋裂缝并很快达到破坏极限；而掺用钢筋阻锈剂后，将能期望达到设计年限的要求。若混凝土中含有钢筋阻锈剂，50年内钢筋不会腐蚀，即使是钢筋开始腐蚀，其腐蚀速度也是缓慢的，这样就可达到耐久的目的。

一般情况下，钢筋阻锈剂的有效性与其在混凝土中的存在量有直接关系。更明确地说，阻锈剂在混凝土中必须保持必要的浓度(对C1—保持一定比例)。钢筋阻锈剂“合理掺量”的依据，是在结构物的设计寿命内能够扩散进混凝土中并达到钢筋表面氯盐的浓度。理论与试验均表明，对于目前的掺人型阻锈剂而言，阻锈剂与氯盐(以NaCl计)的比率应大于1 (而≥1．2更好)。掺量大效果好，但还有一个合理成本问题。

实际中，由于很难明确得知在设计年限内到达钢筋表面C1-的浓度，在海洋环境下，我国行业标准《钢筋阻锈剂使用技术规程》YB／T 9231—98推荐钢筋阻锈剂的掺量在6～13kg／m3范围内选择。混凝土越密实，钢筋阻锈剂的掺量越可少些。

钢筋阻锈剂的应用与注意的问题：

全国已经有上百个工程使用了钢筋阻锈剂，主要用于氯盐环境，包括国家重点工程山东三山岛金矿工程(已经17年)、海洋工程、北京地区的桥梁建设、南疆铁路跨越盐碱地的区段桥梁等、部分海外工程等，证明是有效、低廉+施工简单的钢筋防护措施。

以下引文可表明国外应用与发展情况：

*盐(化冰盐、海水海雾)腐蚀钢筋。混凝土中掺加钢筋阻锈剂是最经济有效的防护方法。已经有应用20多年的效验结果，设计寿命可超过100年。

应注意以下问题：

·钢筋阻锈剂的品种繁多、品质参差不齐，又由于作用原理、用途(新、老工程等)的区别，检验方法难以统一。而且一些短期、试验室试验方法，往往难以断定钢筋阻锈剂的长期有效性。设计者、选用者需对相关产品做认真考察与评估、择优而选。

·钢筋阻锈剂的长期有效性，主要是靠较长期的试验和工程应用实践来确定的。虽然有报道可达设计寿命

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