盐渍土环境下钢筋混凝土腐蚀的研究进展

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发布时间：2021-09-03

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盐渍土环境下钢筋混凝土腐蚀的研究进展
林德源，易博，陈云翔，张俊喜。，洪毅成
(1 国网福建省电力有限公司电力科学研究院，福州350007；2 上海电力学院上海高校
电厂腐蚀防护与应用电化学重点实验室，上海200090)
摘要钢筋混凝土在盐渍土和盐湖环境下的腐蚀包括硫酸根离子和镁离子对混凝土的侵蚀以及氯离子对混
凝土中钢筋的锈蚀。简要介绍了盐渍土环境中钢筋混凝土结构腐蚀失效原理，并综述了国内外近年来对盐渍土钢筋
混凝土腐蚀机理研究的相关情况。
关键字盐渍土钢筋混凝土腐蚀
中图分类号：TU528 文献标识码：A
Research Development of the Corrosion of Reinforced Concrete in Saline
Soil Environment
LIN Deyuan ，YI Bo ，CHEN Yunxiang ，ZHANG J unxi。，HONG Yicheng
(1 Electric Power Research Institute of State Grid Fujian Electric Power Co．Ltd．，Fuzhou 350007；2 Key Laboratory of
Shanghai College and Universities for Electric Power Corrosin Control and Applied Electrochemistry，
Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090)
Abstract The deterioration of reinforced concrete in salt lake and saline sol1 environment inelude sulfate ions
and magnesium ions attack to the concrete and chloride-induced corrosion of steel reinforcement in concrete．The basic
principles of deterioration of reinforced concrete in saline environm ent is introduced，and the research development a—
bout the mechanism of corrosion of reinforced concrete in saline environment iS reviewed．
Key words saline soil，reinforced concrete，corrosion
盐渍土是盐土和碱土以及各种盐化、碱化土壤的统称。
碱土含有较多量的交换性钠，又称钠质土，盐土是指土壤中
易溶盐的含量达到0．5 以上的土类[1]。盐渍土广泛分布在
我国东部沿海及西北盐湖地区，这类土壤中含有较高浓度的
氯离子，以及一定量的硫酸根离子、镁离子等侵蚀性物种，因
此对钢筋混凝土结构物常构成比较严重的腐蚀_2 ]，处于盐
渍土地区的建筑物常常在远未到达设计寿命时就会出现表
层混凝土粉化脱落及钢筋锈蚀等现象，给人们的生产生活造
成巨大的损失。盐渍土环境下多种侵蚀性介质对钢筋混凝
土的腐蚀问题一直是广泛关注的热点之一，人们围绕混凝土
损伤失效以及钢筋锈蚀过程展开了一系列的研究
1 盐渍土环境下钢筋混凝土结构物的腐蚀原理
1．1 混凝土的腐蚀破坏机制
盐渍土中的盐分遇到土壤中的水分溶解后，对土壤中的
混凝土结构物存在腐蚀作用。盐渍土中的Mg 、S04。一等离
子对混凝土具有极强的侵蚀作用，Mg 会与混凝土中胶凝
性的Ca(0H) 发生离子互换反应，形成无胶凝性的Mg-
(0H) ，致使混凝土粉化，强度降低。SO 一在地下水的作用
下沿着毛细孔渗透到混凝土内部时会发生反应：
S04 + Ca(0H)2=CaSO4+ 20H一
若生成的硫酸钙与固态水合铝酸钙相作用，则有：
(4CaO)·A12O3·12H2O+ 3CaSO4+ 20H2()一
(3CaO)·A12O3·3CASO4·31H2O+ Ca(OH )2
生成的硫酸铝钙较原有体积增大l_5倍以上，在混凝土
内产生内应力，当膨胀内应力超过混凝土的抗拉强度时，会
造成已硬化的混凝土逐渐膨胀、开裂l5]。侵蚀性物种的侵蚀
形式和作用周期的不同会影响到混凝土损伤失效过程，实际
工况下，混凝土常受到物理侵蚀和化学侵蚀多种因素的影
响，因此混凝土的腐蚀呈现出多因素共同作用的特点，使得
混凝土腐蚀劣化的机理较为复杂。
混凝土的硫酸盐侵蚀试验过程中，根据侵蚀溶液的特
点，往往需要考虑Mg 与S04。一的双重侵蚀作用，以及C1一
对硫酸盐侵蚀的影响等L6]。物理侵蚀方式如机械力剥落、磨
损、反复加热冷却、冻融循环等会破坏混凝土层或使混凝土
产生裂缝，加速混凝土的腐蚀破坏l7]。
1．2，钢筋在混凝土中的腐蚀原理
混凝土在成型之后，混凝土中的水化过程一直在持续进
*国家电网重点科研课题(gwkj2012—010一II一2)；国家自然科学基金(50771062)
林德源：男，高级工程师，研究方向为金属材料学张俊喜：通讯作者，男，博士，教授，主要从事材料腐蚀与防护研究 E-mail：
zhangjunxi@ shiep．edu．cn
· l38 · 材料导报A：综述篇 2014年6月(上)第28卷第6期
行，水化形成的OH 使得钢筋周围呈高碱性的环境，表层会
形成钝化膜，对腐蚀的发生起到抑制作用。混凝土长期处于
侵蚀性介质中时，外界的() 、Cl会逐步向混凝土内部扩散
传递，起初一部分游离状态的C1会被t昆凝土固化，抑制腐蚀
的发展。随着混凝土碳化和外界离子侵蚀过程的进一步发
展，钢筋周围失去高碱性环境，表面钝化膜在侵蚀离子作用
下破裂而发生点蚀。
混凝土中钢筋的腐蚀是钢筋混凝土结构物失效的重要
原因之一。混凝土相是多尺度的不均一体系，钢筋在混凝土
中，表面会形成各种空间尺度的宏观腐蚀电池和微观腐蚀电
池，其体系高阻、闭塞且复杂 ]。混凝土中钢筋的腐蚀是一
种典型“闭塞条件”下的电化学过程。电极反应由阳极反应
和阴极反应共轭组成，在阳极区主要发生钢筋的溶解，在阴
极区溶解氧还原成氢氧根离子。混凝土孔隙液(电解质溶
液)作为离子迁移通道，与钢筋(电子导体)一起构成回路，形
成完整的腐蚀电池。r。这些电池持续作用的结果最终会导
致钢筋表面阳极区的腐蚀，腐蚀反应为：
Fe—Fe ‘+2e(阳极反应)
()2+2H2O+4e一4O}t (阴极反应)
阳极表面会继续发生反应：
Fe。’。+ 2OH — Fe(()H)2
4Fe(()H)2+ ()2+ 2H2O~4Fe(OH)3
氯离子一般通过扩散方式到达钢筋与混凝土的界面，随
着硫酸根及氯离子的积累，界面处的混凝土孔隙液的pH值
会逐步下降，达到一定程度后([Cl一]／[OH ]>0．6 E )，钢
筋表面会脱钝形成点蚀_! 。混凝土与钢筋接触不充分的空
洞处通常是腐蚀发生的主要场所¨l ，空洞处钢筋表面存在许
多高反应活性的位点，易形成“大阴极小阳极”的结构，从而
加剧腐蚀。盐渍土中的cl一、SO 、HCO。等均对钢筋具有
一定的腐蚀作用，其中的cl是造成钢筋腐蚀的主要因素，它
会与阳极区的Fe 反应，生成FeC1 ·4H O(绿锈)，绿锈从
钢筋阳极向含氧量较高的混凝土孔隙迁徙，分解为Fe(OH)。
(褐锈)。褐锈沉积于阳极周围，同时放出H 和Cr，它们又
回到阳极区，使阳极区附近的孔隙液局部酸化，cl再带出更
多的Fe 。。氯离子充当了腐蚀过程的中间产物。反应的方
程式为：
Fe + 2C1’+ 4H2()一FeC12·4H?O
FeC12·4H2()一Fe(()H)2+ 2C1一+ 2H + 2H2O
4Fe(OH)2+()2+ 2H2O --~4Fe(OH)3
钢筋腐蚀后生成的氢氧化铁，其体积膨胀3～4倍，由于
结构混凝土保护层的膨胀开裂，外部的氧气会快速进入到钢
筋表面，从而导致钢筋锈蚀驱动电势大幅度提高。腐蚀进一
步发生，钢筋与混凝土界面粘结性能下降，钢筋混凝土结构
会迅速劣化，抗压强度、抗拉伸强度等力学指标都会出现显
著的下降 ” 。
2 盐渍土环境下钢筋混凝土腐蚀的研究进展
2．1 混凝土腐蚀失效研究
盐渍土中侵蚀性离子种类多、浓度大，混凝土腐蚀失效
研究区别于单一的混凝土硫酸盐侵蚀实验，需考虑混凝土在
双重或多重离子作用下的损伤失效过程。根据盐渍土的特
征，非C1成分(如硫酸根)对Cl在混凝土中扩散的影响机
制以及Cr对混凝土硫酸盐腐蚀失效程度的影响，是盐渍土
环境中混凝土腐蚀失效研究的主要着手点。
(1)基于离子扩散方面的研究
侵蚀性的Cl在混凝土中的扩散行为一直足混凝土耐久
性的研究热点之一，Cl在混凝土中的扩散速率与钢筋混凝
土腐蚀失效时间存在密切的关系。服役环境【}i的氯离子进
入混凝土内部后，一部分与水泥水化产物发牛化学反应，以
化学结合状态存在；一部分由于物理作用，以物理结合状态
存在于混凝土中；一部分为游离状态，滞留在混凝卜1人J部孔
溶液中，或继续向离子浓度低的方向扩散。进入混凝土内的
游离氯离子，若温湿度发生变化，还会发生物理结品。氯离
子的这种物理和化学特性会引起混凝土内部结构以及性能
的不同程度变化，游离氯离子还会促进混凝土内部的钢筋锈
蚀等。
国内外学者基于Cl在混凝土中扩散规律，试图从／1 同
角度阐述当侵蚀溶液含有硫酸根时cI在混凝土中扩散特
征。余红发等采用化学分析的方法探索_r盐湖环境的各
种离子在混凝土和钢筋混凝土结构中的扩散规律，发现C20、
C40两种不同强度等级的混凝土内部的s() ’质量分数均低
于C1一质量分数，且两者在垂直于表面的径向现不均匀分
布的特点。金祖权等【埘研究了不同粉煤灰、矿粉、硅灰掺釜
的混凝土在单一氯盐、复合溶液以及青海盐湖卤水溶液中的
氯离子结合规律。结果表明：混凝土在氯盐溶液中结合氯离
子的产物为Friedel S盐(水化氯铝酸钙。分子式：3Ca()·
Al O。·CaC1。·10H ())，其在NaCI腐蚀溶液中的氯离子结
合能力最强，复合溶液和青海盐湖卤水溶液中由于硫酸根离
子的存在降低了混凝土的氯离子结合能力，随腐蚀溶液中
硫酸盐浓度的增加而降低。P．J．Tumidajski ” 使片】W／B=
0．42、含气量为6 的矿渣混凝土和普通混凝土浸泡到
0．5 NaC1、0．5 NaC1+2．2 Na s() 溶液中6O个月，测定
氯离子侵入深度。结果表明：相比于单一氯盐溶液腐蚀，复
合溶液中硫酸盐的存在降低了普通混凝土的氯离子渗透深
度，但增加了矿渣混凝土的渗透深度。Al—Amoudi 比较r
单独的Cl扩散以及Cl与SO 共同作用下两者的差别．发
现Cl与SO 共同作用时。Cl总的扩散量较Cr 独作用
时略有减小，在保持Cl浓度不变的前提下增大SO 的浓
度，SO 。卜的渗透量会逐渐增大。
一般认为，Cl在?昆凝土中的扩散速率数倍于s() 在
混凝土中的扩散速度[1 9,eo]。一些报道指出钢筋t昆凝土
在氯化钠溶液中开始发生腐蚀的时问与浸泡在氯化钠、硫酸
盐混合溶液中的基本一致，说明