高性能混凝土的抗氯离子渗透性与耐久性评估.pdf

2 0 1 0 年 第 6 期 (总 第 2 4 8 期 ) Nu mb e r 6 i n 2 0 1 0 ( T o ml No ． 2 4 8 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THE OI 1 1 CAL RES EARCH d o i ： 1 0 ．3 9 6 9 ~ ． i s s n ． 1 0 0 2 3 5 5 0 ． 2 0 1 0 ． 0 6 ． 0 0 8 高性能混凝土的抗氯离子渗透性与耐久性评估 王睿 ’ ，王信刚 。齐瑞文 ’ ( 1 ． 南昌大学 艺术与设计学院 ，江西 南 昌 3 3 0 0 3 1 ；2 ． 南 昌大学 建筑工程学院 ，江西 南昌 3 3 0 0 3 1 ) 摘要 ： 分析 了钢筋混凝土 中氯离子侵蚀引发钢筋锈蚀 的机理 ， 采用 电量法和氯离子扩散系数法来评价高性能混凝土 的渗透性 ， 并进行 氯离子侵蚀环境下的混凝 土耐 久l眭评估和寿命预测研究 。结果表明 ： 普通混凝土( 简称 OC) 、 高性能混凝土 ( 简称 I -I P C) 和低渗透 混凝 土 ( 简称 L P C ) 的 6 h 导电量和氯离子扩散系数的排列顺序均为： O C > H P C > L P C ， 其抗氯离子渗透性能排列顺序为： L P C > H P D0c 。阳， c和 L P C在氯离子侵蚀环境下 的使用寿命能够满足设计 基准期 1 0 0年的设计要求 ， 而 OC不能达到设计基准期 1 0 0年的设计要求。 关键词： 高性能混凝土；渗透性；耐久陛；氯离子；寿命预测 中图分类号 ： T U5 2 8 ． 0 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 6 — 0 0 2 8 — 0 3 Chl or i de i o n pe ne t r a t i on r e s i s t a nc e of hi gh p er f or man c e c o nc r e t e a nd i t s dur a bi l i t y a s s e s s men t WA NGRu i ’ ， WA NGXi n - g a n g ， O I Ru i — w e n ( 1 ． A r t s a n dDe s i g nC o l l e g e ， Na n c h a n gUn i v e r s i t y ， N a n c h a n g 3 3 0 0 3 1 ， C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g a n d Ar c h i t e c t u r e ， Na n c h a n g U n i v e r s i t y ， Na n c h a n g 3 3 0 0 3 1 ， C h ina ) Ab s t r a c t ： T h e me c h ani s m o f r e i n f o r c e me n t c o r r o s i o n c a u s e d b y c h l o ri d e p e n e t r a t i o n i n t o c o n c r e t e wa s ana ly z e d ． T h e p e r me a b i l i ty o f h i g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e wa s inv e s t i g a t e d b y me a n s o f c o u l o mb t e s t me t ho d a n d c h l o rid e d i f fus i o n c o e ffi c i e n t t e s t me t h o d．Du r a bi l i t y a s s e s s me ut a n d s e r v i c e l i f e p r e d i c t i o n o fc o n c r e t e e x p o s e d t o c h l o rid e e n v i r o n me n t we r e s t u d y ． Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e o r d e r o f c o n d u c t i v e c h a r g e f o r 6 h o u r s an d c h l o ri d e d i f f u s i o n c o e f fi c i e n t o f o r d i n a r y c o n c r e t e( a b b r ． O C) ． h i g hp e r f o r ma n c e c o n c r e t e( a b b r ． H P C) a n dl O Wp e r me a b i l i ty c o n c r e t e( a b b r ． L P C) i S OC> HP C> LPC． b u t t l l e o r d e r o f c hl o ri d e i o n p e n e t r a t i o n r es i s t a n c e i S LP C>HPC> 0C． S e r v i c e l i f e o f HP C and L P C e x p o s e d t o c h l o r i d e e n v ir o n me n t c o u l dme e t d e s i g n r e q u i r e me n t o f1 0 0 y e a r s ， b u t OC c o u l d n ’t me e t d e s i gn r e q u i r e me n t o f1 0 0y e a r s ． K e ywo r d s ： h i g hp e r f o rm a n c e c o n c r e t e ； p e rm e a b i l i t y ； d u r a b i l i ty； c h lo ri d ei o n ； s e r v i c e l i f e p r e d i c t i o n 0 引 言 混凝土渗透性控制着水 、 气体和侵蚀性离子在混凝土中的 传输速率， 与混凝土耐久性有着密切的关系。在海洋混凝土结 构以及应用除冰盐的道路、 桥梁和城市立交桥等受到氯离子严 重侵蚀的环境中， 氯离子侵蚀是造成钢筋锈蚀的主要原因， 氯 离子侵入钢筋混凝土内部会引起钢筋失效 ， 从而严重影响钢筋 混凝土结构耐久性和安全性【 I ． 3 】 。 现行国家标准采用的加压透水 法无法准确评 价出侵蚀性离子环境下 高性能混凝土的渗透性 ， 而应该采用国际上通用的电量法或氯离子扩散系数法来检测 其抵抗环境中侵蚀性离子的渗透性l 4 l 。 本试验分析了钢筋混凝 土中氯离子侵蚀引发钢筋锈蚀的机理， 采用电量法和氯离子扩 散系数法来评价高性能混凝土的渗透性， 并进行氯离子侵蚀环 境下的混凝土耐久性评估和寿命预测研究。 1 氯 离子侵蚀 引发钢筋锈蚀 的机理 混凝土孔隙中水分通常以饱和 C a ( OH) 溶液形式存在， 其 中还含有一些 Na O H和 KO H， p H值在 1 2 ．5左右， 在这样的强碱 性环境中， 钢筋表面被氧化而形成一层厚度为2 ~ 6 a m的水化氧 化物( n F e 2 0 3 " m H 2 0) ， 俗称钝化膜栩 。 钝化膜很致密， 能牢固地吸 附在钢筋表面， 使钢筋处于钝化状态， 即使在有 H 2 0和 0 ： 的条 件下钢筋也不会发生锈蚀。但是， 当p H值 l 1 ． 5时 ， 氯离子也能破坏钝化膜 ( 临界氯离子浓度与钢筋周围混凝土的碱度有关 ， 碱度愈高， 临 界氯离子浓度值愈大。通常用 C l 一 与 O H一 的浓度比值来表示临 界氯离子浓度 ， 当 C 1 - ／ O H一 的摩尔 比 > o ． 6时 ， 钢筋钝化膜破坏 ) ， 使钢筋开始锈蚀 ， 生成F e ( O H) ， 即铁锈。氯离子能破坏钝化膜 主要是由于氯离子半径小， 活性大， 容易吸附在位错区、 晶界区等， 氯离子有很强的穿透钝化膜的能力， 在钝化膜内层( 铁与氧化 物界面) 形成易溶的F e C 1 ， 使钝化膜局部溶解， 形成坑蚀现象。 1 ． 2 形 成腐蚀 电池 当混凝土的碱度较低时， 微量氯离子也有可能引起钢筋锈 收稿 日期 ：2 0 1 0 - 0 2 - 0 2 基金项 目：国家“ 8 6 3 ” 计划课题资助项 目( 2 0 0 5 AA 3 3 2 0 1 0 ) ； 江西省教育厅 青年科学基金项 目( GJ J 0 9 4 2 8 ) 2 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 蚀 。当 p H HP C > O C 。 3 ． 2 氯 离子侵蚀环境 下混凝土耐久性评估和寿命预测 氯离子侵蚀环境下混凝土使用寿命预测应该采用孙伟等f 12 ] 提出的考虑多种因素作用下的氯离子扩散理论模型， 该模型基 于 F i c k 第二扩散定律，综合考虑了混凝土氯离子结合能力、 氯 离子扩散系数的时间依赖性和氯离子扩散性能的裂化效应等 29 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 多种因素 ， 解决 了长期 以来 F i c k第二扩散定律在混凝土 中的适 用性问题。该模型经推算后可得： ／ ( 1 + ) ( 1 一 m) ＼ 产 ( 4 K D o* (e ： n v ( " S- C ~ 1 t2 ) ( ) 式 中：e z ) 是 误 差 函 数， 且e ) = — ‘_ 』 e ， e rfi n v ( z ) 是 反 、 ／ 叮 T 误差函数 ， 式( 1 ) 中各参数及其取值见表 3 。 e ；n v ( )==e ( 二 )-一 删0 ．9 8 0 1 3 )1．9 ％ - 0 ．0 12 5 ％ 13 ) ( 2 ) l ： J I— —』 删 查误差 函数表 ， 可得 z = 1 ． 6 5 经推算 ， 可得 ： 0． 1 71 x 厂 (3 ) 式中 ： 单位为 c m， D 。 单位为 c m2 ／ 年。 根据式( 3 ) 预沏I 氯 离子侵蚀环境下混凝 士结构使 用寿命 ． 根据表 3中的参数， 可得 ： 寿命预测结果见表 4 。 表 3 寿命预测时的参数及 其取值 从表 4中可以看出 ， 在氯离子侵蚀 环境下 ， 当 OC的氯离 子扩散 系数为 1 7 ． O x l O 一 ， m 2 ／ s ( 试验研究时测得 的数据 ， 实 际工 程中也完全可以达到) 时， 其预测使用寿命只有 8 O年左右 ， 不 足 1 0 0年； 当 I -I P C的氯离子扩散系数为 1 0 ． 0 ~ 1 0 mV s ( 试验研 究时测得的数据， 实际工程中也完全可以达到) 时， 其预测使用 寿命在 1 6 0 年以上； 当L P C的氯离子扩散系数为 3 ． 0 x l 0 mV s ( 试验研究时测得的数据， 实际工程中难以达到 ) 时， 其预测使 用寿命在 2 5 0 年以上。 可见， 在氯离子侵蚀环境下， HP C和 L P C 的使用寿命能够满足设计基准期 1 0 0 年的设计要求。 4结论 ( 1 ) 氯离子侵蚀引发钢筋锈蚀的机理主要包括破坏钝化膜、 形成腐蚀电池和阳极去极化作用。 ( 2 ) 本试验设计的普通混凝土( 简称 OC) 、 商l生 能混凝土( 简 称 唧 c) 和低渗透混凝土( 简称L P C) 的强度等级均为C 5 0 ， 其 6 h 导电量和氯离子扩散系数的排列顺序均为 ： O C > HP C > L P C， 其 抗氯离子渗透性能排列顺序为： L P C > H P C > O C。 ( 3 ) 采用考虑多种因素作用下的氯离子扩散理论模型预测 氯离子侵蚀环境下混凝土使用寿命表明， HP C和 L P C在氯离 子侵蚀环境下的使用寿命能够满足设计基准期 1 0 0年的设计 要求 ， 而 O C不能达 到设计基准期 1 0 0年的设计要求 。 参考文献 ： [ 1 】K H AN D A K E R M A H， S AI D M E， MOH A ME D L ． E v a l u a t i o n o f t h e e ff e c t o f n l 习 lr i n e s a l t s o n u r b a n b u i l t i n f r a s t ruc t u r e [J ] ．B u i l d i n g a n d E n v i — r o n me n t ， 2 0 0 9 。 4 4 ( 4 ) ： 7 1 3 — 7 2 2 ． f 2 】T R O C O NI S DE R I N C O N 0， S A NC HE Z M， MI L L A N O V， e t a 1 ．E f f e c t o f t h e ma r i n e e n v i r o n me n t o n r e i n f o r c e d c o n c r e t e d u r a b i l i t y i n i b e r o a — me r i c a n c o u n t r i e s ： D U R A C O N P r o j e c t ／ C Y T E D[ J 1 ． C o r r o s i o n S c i e n c e ， 30 2 0 0 7 ， 4 9 ( 7 ) ： 2 8 3 2 — 2 8 4 3 ． [ 3 ]ME DE I R O S M H F， H E L E N E P ．S u r f a c e t r e a t m e n t o f mi n f o me d c o n - c r e t e i n ma rin e e n v i r o n me n t ： i n nu e n c e o n c h l o ri d e diffu s i o n c o e ffi c i e n t a n d c a p i l l a r y w a t e r a b s o r p t i o n [ J ] ． C o n s t r u c t i o n and B u i l d i n g Ma t e ri a l s ， 2 0 0 9 ， 2 3 ( 3 ) ： 1 4 7 6 — 1 4 8 4 ． [ 4 ] 吴中伟， 廉慧珍．高性能混凝土[ M ] ． 北京： 中国铁道出版社， 1 9 9 9 ． [ 5 】 贾红梅， 阎贵平， 闰光杰． 混凝土中钢筋锈蚀的研究[ J 】 ．中国安全科学 学报 ， 2 0 0 5 ， 1 5 ( 5 ) ： 5 6 — 5 9 ． [ 6 ] 支 荣桂， 陈妤， 颜庭成．氯盐环境条件下预应力混凝土氯离子侵蚀模 型研究『 J ] ． 混凝土 ， 2 0 0 6 ( 9 ) ： 1 - 4 ． [ 7 ] 郝晓丽． 氯腐蚀环境混凝土结构耐久性与寿命预测[ D 】 ． 西安： 西安建 筑科技大学 ， 2 0 0 4 ． [ 8 ]A S T M C 1 2 0 2 - 9 7 ， S t a n d a r d t e s t me t h o d f o r e l e c t ri c a l i n d i c a t i o n of c o n - c r e t e s a b i l i t y t o r e s i s t c h l o ri d e i o n p e n e t r a t i o n [ S ] ． 1 9 9 7 ． [ 9 】L U X i n — y i n g ．A p p l i c a t i o n of t h e n e ms t - e i n s t e i n e q u a t i o n t o c o n c r e t e [ J ] ． C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 7 ， 2 7 ( 2 ) ： 2 9 3 — 3 0 2 ． [ 1 O 】 余红发， 孙伟， 鄢良慧， 等． 混凝土使用寿命预测方法的研究 卜—理 论模型『 J 1 ．硅酸盐学报， 2 0 0 2 ， 3 0 ( 6 ) ： 6 8 6 — 6 9 0 ． 【 1 1 ] 余红发， 孙伟 ， 麻海燕， 等． 混凝土使用寿命预测方法的研究 I 卜 一 模型验证与应用l J 1 ．硅酸盐学报， 2 0 0 2 ， 3 0 ( 6 ) ： 6 9 1 — 6 9 5 ． [ 1 2 ] 余红发， 孙伟， 麻海燕， 等． 混凝土使用寿命预测方法的研究 I I I —— 混凝土使用寿命的影响因素及混凝土寿命评价【 J 】 ． 硅酸盐学报， 2 0 0 2 。 3 0 ( 6 ) ： 6 9 6 — 7 0 1 ． 作者简介 单位地址 联系电话 王睿( 1 9 8 0 一 ) ， 男， 讲师。 江西省南昌市红谷滩新区学府大道 9 9 9 号 南昌大学建筑 工程学院 1 5 1 号信箱( 3 3 0 0 3 1 ) 1 3 5 1 7 0 9 3 8 5 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m