海砂混凝土中钢筋锈蚀机理及其防治

摘要：通过对宁波地区海砂淡化厂里海砂的调查，探讨了海砂混凝土中钢筋的锈蚀机理及氯离子扩散规律，提出了海砂混凝土中钢筋锈蚀的防治措施。

关键词：海砂 海砂混凝土 氯离子 钢筋锈蚀

钢筋混凝土的耐久性是一个广受关注的问题，钢筋锈蚀是影响混凝土耐久性的主要因素之一^[1]。宁波地区海砂应用于钢筋混凝土已有很多年的历史。海砂中含有的氯化物是引起钢筋锈蚀的主因。将于2010年12月1日起执行的行业标准JGJ206-2010海砂混凝土应用技术规范对混凝土中海砂氯离子含量有明确规定，要求少于003%的含量。在这之前，宁波市地方法规规定海砂中氯离子含量分三个等级，分别为006%、002%、001%，相应等级对应不同混凝土强度等级。

1 宁波地区海砂特征

海砂各项指标因不同的影响因素而有所差异。课题组通过对宁波市几家海砂淡化企业取得海砂进行检测，得到的各项指标见表1、表2。

2 氯离子引起钢筋锈蚀的机理

海砂混凝土中钢筋锈蚀其实是一个多因素藕合的复杂过程，可分为内因和外因。内因是混凝土内部的氯离子含量、孔隙特征、水化程度、C₃A含量、保护层厚度、pH值等;外因包括温度、湿度、碳化、受荷特征、酸碱盐环境等一系列因素。这些因素不是独立的，它们之间相互影响相互作用于混凝土内部，最终在这些多因素的藕合下造成混凝土劣化、钢筋锈蚀，最终导致海砂混凝土的耐久性严重下降，造成海砂屋这一后果，也一度造成人们闻海砂屋色变。

钢筋锈蚀的过程是一系列的电化学过程，氯离子在钢筋的锈蚀过程中扮演了催化剂的作用。混凝土的微观结构中的硬化水泥浆体由水泥水化物、未水化水泥颗粒、自由水、空气等组成，其中的自由水和混凝土孔隙中由外部侵入的水分为钢筋锈蚀提供电化学溶液，自由氯离子、氧分子、铁离子等反应物质在其中自由反应，其电化学方程

Fe²⁺+2Cl^-+4H₂O——FeCl₂·4H2O

FeCl₂·4H2O——Fe(OH)₂+2Cl^-+2H⁺+2H₂O

Fe(OH)₂+O₂+H₂O——nFe₂O₃mH₂O(红锈)+Fe₃O₄(黑锈)

其中的Fe(OH)₂还可以与水分中的氯离子生成Fe(OH)C，lFe(OH)Cl可以与水和氧气进一步反应生成铁锈:

Fe(OH)Cl+O₂+H₂O——nFe₂O₃mH₂O+HCl

氯离子造成海砂混凝土中钢筋锈蚀可分三步进行:第一步是在钢筋表面聚积到一定浓度，在这一过程中通过局部酸化的作用降底钢筋表面附近混凝土的pH值，最终达到钢筋锈蚀的氯离子临界浓度值，致使达到这一浓度值附近的钢筋表面钝化膜破坏;第二步是在钢筋表面形成锈蚀原电池，未破坏钝化膜的位置与钝化膜破坏的位置形成电位差，变成原电池，出现坑蚀现象;第三步是氯离子在这一电化学反应过程中周而复始，最终使蚀坑连成一片，铁锈积少成多，造成海砂混凝土出现顺筋开裂等一系列劣化现象。

这一过程中氯离子的催化作用体现在两个方面:一方面是参与铁锈生成的化学物质过程，生成中间产物；另一方面是氯离子在电化学溶液中扮演着润滑剂的作用，它的存在大大减小了电化学溶液的电阻，在电化学方程式中可以看出氯离子在参与反应后会出现HCl形态，它可以进一步降底钢筋附近的pH值，加速了铁锈的生成。

3 氯离子扩散特征

在氯离子引起钢筋锈蚀的过程中注意到氯离子在钢筋表面达到一定浓度才能出现钢筋锈蚀。在海砂混凝土中氯离子的扩散特征也就决定了它在混凝土中间的浓度分布。氯离子的扩散特征的影响因子是多方面的。

3.1湿度对氯离子扩散的影响

湿度包括混凝土内部湿度和外部湿度。有研究表明^[2]，混凝土内部湿度在早龄期内有明显的梯度，其变化规律见图1。

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在海砂混凝土拌合初期，研究表明^[3]：除了海砂在拌合时溶于水的氯离子外，还有一部分氯离子被水泥浆体包裹在海砂表面，存在一个从海砂表面到水泥凝胶内部的渗透过程。由此可见海砂混凝土在成型初期其内部的氯离子浓度不是均匀分布的，它在海砂颗粒与水泥浆体之间存在梯度差。在这个梯度差之下，海砂表面的氯离子逐渐扩散开来，初步形成一个均匀分布的局面，尔后，在混凝土内部湿度变化的影响下开始由外层向里层扩散的过程。

外部湿度主要是养护过程中的水，在养护的过程中，水向混凝土内部渗透，混凝土内部吸附在孔隙壁上的游离氯离子溶于自由水中，一部分向附着的水泥浆体内部渗透，一部分随水分向混凝土内层渗透。在渗透的过程中，部分氯离子遇到钢筋阻隔聚积在钢筋附近，形成氯离子聚集。

3.2碳化对氯离子扩散的影响

混凝土碳化时氯离子会从碳化区向未碳化区进行迁移，并在碳化区前端的未碳化区域产生浓缩现象^[4]。氯离子在混凝土水化的过程中形成与C₃A结合成Friedel复盐、物理吸附和游离三种形态，在混凝土碳化区域Friedel盐会分解出游离氯离子，游离氯离子在渡度差的推动下向未碳化区域迁移。在碳化的作用下，氯离子会向钢筋附近聚积，最终开启钢筋的锈蚀之旅。

其它因素对海砂混凝土中氯离子扩散的影响从钢筋锈蚀的电化学反应方程式中可以得知水和氧气在其中扮演了至关重要的作用。影响混凝土内部水分和氧气含量的因子很多，包括周围环境的影响;混凝土内部的孔隙率，孔隙率大的，连通孔多的，结构构件受力情况越复杂，产生的裂缝越多，水汽、氧气和氯离子向钢筋附近渗透的量就越多，渗透的时间也就越短。

4 防治措施

造成海砂混凝土中钢筋锈蚀原因是多方面的，防治措施可以依据其各种因素提出不同的对策。　　

4.1 海砂的处理措施

海砂处理的目的就是降氯，根椐国家规范的要求使海砂中氯离子含量达到规范要求。降氯方法有海砂自然放置法、淡水冲洗法、机械法和混合砂法，目前沿海地区，尤其在宁波地区，海砂基本上是通过淡水冲洗法进行降氯。

4.2 混凝土的处理措施

混凝土的处理措施有:混凝土施工质量，尽量降低孔隙率，减少水汽、氧气的入侵;煤灰、矿渣和硅灰等掺合料，这些掺加料有两个作用，一是提高混凝土的密实度，二是C₃A含量较普通水泥高，化学结合氯离子数量多，有利于海砂混凝土内部游离氯离子含量的减少；掺加阻锈剂。这一方法实际工程证明是一种有效遏制钢筋锈蚀的手段，不过因其造价较高，对于一般性的建筑工程来说，许多建设单位对其不进行选用。混凝土表面涂抹防腐层。通过混凝土表面的处理，阻隔空气中的水汽、氧气及氯离子等一些腐蚀性的物质进入混凝土内部。

4.3 钢筋的处理措施

钢筋处理后主要是隔绝氯离子等一些有害物质与钢筋的接触。处理方法常见的主要有两种:钢筋表面涂防腐涂料和钢筋表面镀锌处理。

4.4 其它的处理措施

生物方法处理海砂中的氯离子。这一方法只是一个美好的愿景，据美国探索杂志报道，有科学家发现脱氯菌，它能够吞噬含氯化合物，我们可以这样想象，在未来的某一天我们不用再为海砂含氯离子而苦恼，在一堆海砂中我们只要加一些脱氯菌，过不了几天，海砂就会变成河砂。

5 结语

目前，海砂混凝土在我们国家并不是一个陌生的词汇，国家出台的海砂混凝土应用技术规范也既将实施，这些证明我国对海砂应用于混凝土有了一套成熟的处理机制。但海砂在实际应用的过程中我们许多的建造商在良心与利益面前选择了利益。所以更先进更行之有效的海砂混凝土应用技术有待我们科研工作者的努力与创新。

参考文献

[1]洪乃丰海砂对钢筋混凝土的腐蚀与对策[J]混凝土,2002,(8):12-14

[2]黄瑜,祁锟,等早龄期混凝土内部湿度发展特征[J]清华大学学报(自然科学版),2007,47(3):309-312

[3]刘军,邢锋,等模拟海砂混凝土中氯离子扩散研究[J]混凝土,2008,(3):33-35

[4]柳俊哲混凝土碳化研究与进展(3)腐蚀因子的迁移[J]混凝土,2006,(1):51-54