混凝土中氯離子的遷移性能研究*

聶勁庭 吳相豪

我國海域遼闊,海岸線很長,大規(guī)模的基本建設集中于沿海地區(qū),而海邊的混凝土工程由于長期受到氯離子侵蝕,混凝土中的鋼筋銹蝕現(xiàn)象非常嚴重,已建的海港碼頭等工程多數(shù)都遠達不到設計壽命的要求。21世紀,海洋資源空間的開發(fā)利用是世界各國目前關注的重要課題,但海洋環(huán)境有特有的高氯離子含量條件,使得氯離子滲透通過混凝土保護層前一大道鋼筋表面,破壞鋼筋鈍化膜,使鋼筋銹蝕成為海洋混凝土工程主要破壞特征。鋼筋混凝土廣泛應用于土木、水利、港口、橋梁等,但是由于使用環(huán)境的影響或使用不當,大多數(shù)鋼筋混凝土結構的實際服役年限遠小于設計使用年限,特別是海洋環(huán)境條件下的沿海岸線的水運工程的鋼筋混凝土結構,鋼筋銹蝕更為嚴重,使得結構發(fā)生早期損壞,影響混凝土結構的使用功能及其耐久性。

1 研究目的與意義

21世紀,隨著中國的經(jīng)濟迅速發(fā)展,大量的鋼筋混凝土結構建筑物已經(jīng)投入建設并生產(chǎn),鋼筋混凝土結構結合了鋼筋與混凝土的優(yōu)點,造價較低,是土木工程結構設計中的首選形式,其應用范圍非常廣泛。同時由于混凝土結構的耐久性問題越來越嚴重,不僅關系到混凝土結構維護與再建成本的控制,而且與環(huán)境保護和社會的可持續(xù)發(fā)展息息相關。氯離子侵蝕造成的混凝土結構的耐久性問題則是關注的重點,而其核心問題就是氯離子在混凝土中的輸運。

混凝土結構耐久性,即是指混凝土結構在自然環(huán)境、使用環(huán)境及材料內部因素的作用下,在設計要求的目標使用期內,不需要花費大量資金加固處理而保持其安全、使用功能和外觀要求的能力?；炷两Y構耐久性是基于材料耐久性的進一步深化。混凝土結構在自然環(huán)境和使用條件下,隨著時間的推移,材料逐漸老化和結構性能劣化,出現(xiàn)損傷甚至損壞,是一個不可逆的過程。它不是直接由力學因素引起的,首先是混凝土結構的物理化學作用的結果,繼而影響到建筑物的使用功能和結構的承載力下降,最終會影響整個結構的安全?；炷两Y構受到含有氯離子介質的侵蝕,而導致鋼筋銹蝕,嚴重的銹蝕會使混凝土開裂,不僅影響使用功能和外觀,甚至使鋼筋截面削弱,結構構件承載力下降,對結構安全性造成威脅。

鋼筋銹蝕是引起混凝土結構耐久性退化的最主要和最直接的因素,由此造成的直接和間接損失已遠遠超出人們的預料,給國家增加了很大的經(jīng)濟負擔。根據(jù)專家的研究,混凝土中致使鋼筋銹蝕有兩種因素:1)海水中氯離子侵蝕;2)大氣中的CO2使混凝土中性化。其中銹蝕破壞的主要因素是氯離子進入混凝土中,并在鋼筋表面集聚,當鋼筋表面的氯離子濃度超過一定的限值,鋼筋鈍化膜就會發(fā)生破壞,鋼筋開始銹蝕。

國內外由于氯鹽而引起的腐蝕破壞的工程實例很多,例如華南某港油氣碼頭,天津中環(huán)路上的橋梁僅使用了不到十五六年后,已有一些需要大修和更換。我國第一座大型城市立交橋——北京西直門立交橋,也只使用了不到19年就到了非拆不可的地步。即使像北京人民大會堂、北京展覽館這樣顯赫的建筑物,也因當初冬季施工時摻入氯鹽防凍劑而引起鋼筋腐蝕,不得不翻修加固。上面這些建筑物基本上都是由于氯鹽而引起的腐蝕破壞,有些甚至到了不能再使用的地步。

2 研究現(xiàn)狀

國內外許多學者致力于氯離子在混凝土內擴散的研究,提出了許多計算模型與公式。對于現(xiàn)有的沒有開裂且水灰比不太低的結構,大量的檢測結果表明氯離子的濃度可以認為是一個線性的擴散過程,這個擴散過程一般引用Fick第二定律。Fick第二定律可以很方便地將氯離子的擴散濃度、擴散系數(shù)與擴散時間聯(lián)系起來,可以直觀地體現(xiàn)結構的耐久性。由于Fick第二定律的簡潔性及與實測結果之間較好的吻合性,已經(jīng)成為預測氯離子在混凝土中擴散的經(jīng)典方法。選擇Fick第二擴散定律是基于一種經(jīng)驗的假定,由于它的模型能很好地擬合混凝土結構的實測結果,所以如今混凝土結構耐久性的評估方程很多都是以Fick第二擴散定律為基礎的。

3 混凝土中氯離子對鋼筋的銹蝕過程和作用機理

3.1 氯離子進入混凝土中的途徑

氯離子進入混凝土中通常有兩個途徑:其一是“混入”,如摻用含氯鹽外加劑、使用海砂、施工用水中含氯鹽、在含鹽環(huán)境中拌制、澆筑混凝土等;其二是“滲入”,是環(huán)境中的氯鹽通過混凝土的宏觀、微觀缺陷,滲入到混凝土中并到達鋼筋表面?！盎烊搿贝蠖际鞘┕す芾淼膯栴},看似好解決,但仍時有發(fā)生;而“滲入”則是綜合技術問題,與混凝土多孔性本質、密實性、工程質量、鋼筋表面混凝土層厚度等多種因素有關。

3.2 混凝土中氯離子對鋼筋銹蝕作用機理

由于氯離子的穿透能力非常強,當混凝土中鋼筋周圍混凝土孔隙液中氯離子達到一定濃度時,氯離子容易滲入鈍化膜與鐵離子結合,由于電化學反應,生成鐵銹,使陽極(鐵)產(chǎn)生蝕坑,并且在此過程中氯離子不減少。具體的銹蝕形式有以下幾種。

3.2.1 破壞鈍化膜

鋼筋表面的鈍化膜遭到破壞,鋼筋處于活化狀態(tài)。混凝土中的孔隙液主要成分是Ca(OH)2飽和溶液,堿度很高,pH值通常在12.5左右,由于混凝土中還含有少量Na2O,K2O等鹽分,實際pH值可超過13。在這樣高堿性的環(huán)境中,鋼筋表面氧化形成一層水化氧化膜(γ-Fe2O3?nH2O)。這層致密的氧化膜牢固地吸附在鋼筋表面,使鋼筋處于鈍化狀態(tài),即使在有水分和氧氣的條件下鋼筋也不容易發(fā)生腐蝕,故稱為“鈍化膜”,水泥水化的高堿性使混凝土內鋼筋表面產(chǎn)生一種致密的鈍化膜。該鈍化膜只有在高堿度環(huán)境中才是穩(wěn)定的,當pH＜11.5時,就開始不穩(wěn)定,當pH＜9.88時,該鈍化膜生成困難或已經(jīng)生成的鈍化膜逐漸破壞。氯離子是極強的去鈍化劑,可使鋼筋表面pH值降低到4以下,從而破壞鋼筋表面的鈍化膜。

3.2.2 形成腐蝕電流

氯離子對鋼筋表面局部鈍化膜的破壞,使這些部位裸露出鐵體本身,與尚完好的鈍化膜區(qū)域形成單位差;鐵體作為陽極,大面積鈍化膜區(qū)域作為陰極,致使鋼筋表面產(chǎn)生坑蝕,由于大陰極對應于小陽極,坑蝕發(fā)展速度非?？?。

3.2.3 去極化作用

氯離子不僅促成了鋼筋表面的腐蝕電流,而且加速了電池的作用。由于電化學作用,氯離子將陽極產(chǎn)物及時地搬走,使陽極腐蝕過程順利進行甚至加速進行。在這個過程中,氯離子并沒有被消耗,而是周而復始地起到破壞作用。

3.2.4 導電作用

腐蝕電流的要素之一是要有離子通路?；炷林新入x子的存在強化了離子通路,降低了陰陽極之間的歐姆電阻,提高了腐蝕電流的效率,從而加速了電化學腐蝕過程。氯離子還提高了混凝土的吸濕性,同時也能減小陰陽極之間的歐姆電阻。

4 實驗設計及數(shù)據(jù)分析

4.1 實驗設計

4.1.1 實驗原料

1)水泥:上海水泥廠生產(chǎn)的P.S42.5級普通硅酸鹽水泥;2)砂:中砂,級配良好;3)粗骨料:粒徑5 mm～20 mm的連續(xù)級配碎石;4)水:上海市飲用水;5)氯鹽:江西鹽礦有限公司生產(chǎn)的工業(yè)鹽。

4.1.2 實驗儀器

實驗儀器:實驗混凝土攪拌器,振搗儀,烘箱。

4.1.3 實驗步驟

1)制樣。試件為100 mm×100 mm×100 mm立方體試塊,成型后放置1 d后拆模,分別放在氯離子濃度1%,3%,5%,7%的溶液中。然后將放置在同一箱中的試塊分別進行干濕循環(huán)與全浸泡兩種條件試驗。2)封閉。將齡期為28 d的試件取出,待試件晾干后,選擇其中的一面為工作面,其四周側面刷一道防銹漆,等到固化后,將試件在清水中浸泡1 d,取出試件并擦干。3)試驗制作。將封閉好的試件分為干濕循環(huán)和全浸泡兩種試驗條件,使試件工作面朝上放入試驗水槽,按試驗方案分別注入4%,8%,10%的NaCl溶液,將水槽置于室溫環(huán)境中。對于干濕循環(huán)的試件浸泡8 h后,將試件取出,放置在外面,8 h之后再放入實驗水槽中;全浸泡試件則始終浸泡在水槽中。

4.2 數(shù)據(jù)處理及分析

在實驗的過程中,通過實驗數(shù)據(jù)可以看出環(huán)境氯離子濃度、試塊在氯鹽中的浸泡時間、干濕浸泡交替等都會對實驗結果產(chǎn)生影響。

5 結語

通過實驗數(shù)據(jù)可以看出:

1)環(huán)境氯離子濃度對混凝土中氯離子濃度的影響(見圖1,圖2),由濃度分別是1%,3%,5%,7%,從中可以看出混凝土中氯離子濃度隨著浸泡試塊溶液濃度的增加而逐漸增大,可以清楚看出這一規(guī)律。2)試塊在氯鹽中的浸泡時間,對比圖1與圖3,圖2與圖4,可以清楚的看出,浸泡時間的長短對混凝土中的氯離子濃度是有影響的。3)干濕浸泡交替等都會對實驗結果產(chǎn)生影響。對比圖 1與圖 2,圖3與圖4可以看出,干濕交替和全浸泡對混凝土中的氯離子濃度的影響是很明顯的。

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