腐蚀环境下混凝土火灾后的化学成分分析.pdf

2 0 1 5年 第 7期 (总 第 3 0 9 期) Nu mb e r 7 i n 2 0 1 5 ( T o t a l No ． 3 0 9) 混 凝 土 Co n c r e ~ 理论研究 T HEOI 迁『 r I 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 5 ． 0 7 ． 0 0 6 腐蚀环境下混凝土火灾后的化学成分分析 王剑，高立堂， 范宏 ( 青岛理工大学 土木工程学院，山东 青岛 2 6 6 0 3 3 ) 摘要 ： 腐蚀环境下的混凝土在遭受火灾时 ， 烟气往往含有大量的强腐蚀性物质 ， 并极易在混凝土表面结露形成强酸液 ， 大量氯 离子、 硫酸根离子和硝酸根离子入侵而引起钢筋锈蚀， 继而导致混凝土膨胀开裂对整个结构造成危害。 针对这一 问题， 以受火灾 影响后的海水脱硫吸收塔为背景， 通过实际取样 ， 并分层研磨 ， 对其进行化学分析， 研究各化学成分对混凝土结构的影响。 结果 表明： 碳化对高温腐蚀环境下的混凝土影响较大 ， 容易发生疏松或脱落情况， 相对于硫酸根离子和硝酸根离子 ， 氯离子的侵入量 较大 ， 采取相应的防腐处理措施 ， 可以有效的减少火灾对腐蚀环境下混凝土的破坏。 关键词 ： 火灾； 混凝土； 碳化； 氯离子； 硫酸根离子； 硝酸根离子 中图分类号： T U 5 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 5 ) 0 7 — 0 0 2 2 — 0 4 Co r r o s i v e e n v i r o n me n t a n a ly s i s o f c h e mi c a l c o mp o s i t i o n o f t h e c o n c r e t e a f t e r f i r e WANG J i a n，GAO Li t a n g，F AN Ho n g ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， Qi n g d a o T e c h n o l o g i c a l Un i v e r s i t y ， Qi n g d a o 2 6 6 0 3 3， C h i n a ) Ab st r a c t ： Co n c r e t e c o r r o s i v e e n v i r o n me n t a f t e r s u f f e r i n g fir e ． Th e flu e g a s o f t e n c o n t a i n s a l o t o f s tro n g c or r o s i v e s u b s t a n c e s a nd i t i s e a s y t O f o r m s tro n g a c i d c o n d e n s a tio n o n t h e s u r f a c e o f c o n c r e ~， a l a r g e nu mb e r o f c h l orid e i o n s， s u l f a t e i o n s a n d n i t r a t e i o ns c a us e t h e c o r r os i o n o f s t e e 1 ． wh i c h i n t u r n r e s u l t s i n t h e e x pa n s i o n a n d c r a c k o f t h e c o n c r e t e t ha t ma k e s h a r m t o the e n t ir e s t r u c t u r e ． To s o l v e t h i s p r o b l e m ， t h r o u g h the p o we r p l a n t a b s o r pti o n t o we r a f f e c t e d by fir e， t a k e the a c tua l s a mp l i n g a n d l a y e r e d g r i n d i n g， c he mi c a l a n a l y s i s， s tud y O il the i n flu e n c e o f the c h e mi c a l c o mpo s i ti o n o f c o n c r e ~ s t r u c t u r e． Th e r e s u l t s s h o w that e f f e c t o f h i g h t e mp e r a t u r e o n c a r b on a tio n o f c o n c r e ~ i s l arg e r u n d e r c o rros i v e e n v i r o n me n t ， pr o ne t O l o o s e o r f a l l o f f the s i tua ti o n， wi th r e s p e c t to t h e s u l f a t e i o n and n i t r a t e i o n s ， the i n t r u s i o n o f c h l o rin e i o n s i s l a r g e r ． Us e the a p p r o pria t e c o rros i v e p r e s e r va tiv e t r e a t me n t ， C an e f f e c t i v e l y r e d u c e the dam a g e o f c o n — c r e t c a f t e r fir e t h a t i n c o r r os i o n e n v i r o n me n t ． K e y WO r d s： fi r e ； c o n c r e ~； c arb o n i z a ti o n； c h l o ri d e i o n s ； s u l f a t e i o n s ； n i tr a t e i o n 0 引言 海水脱硫吸收塔通过气 、 液相接触吸收烟气 中的二氧 化硫等有害气体， 进入该吸收塔内的烟气有以下特点： ( 1 ) 烟气 中水分含量高 ， 湿度很大 ； ( 2 ) 烟气温 度低 ； ( 3 ) 烟气 中含氯化物 、 氟化物 、 硫酸和亚硫酸等强腐蚀性物质 ， 具有 很强 的腐蚀性 ； ( 4 ) 烟气极容易在吸收塔内壁结 露形成 腐 蚀性很强的酸液。 由于吸收塔采用海水冷却 ， 海水 中同时 存在大量腐蚀性离子。 该类工程若发生火灾， 便会使混凝土处于高温下的腐 蚀环境 ， 高温 同时加速 了有 害介质 的扩散 ， 对结构 的危害 更严重 。 本研究通过对某经过防腐处理火灾后吸收塔实际 取样 ， 并分层研磨 ， 对其进行化学分析 ， 为火灾后 吸收塔的 防腐处理提供数据支持。 1 混凝 土碳化深度的分析 1 ． 1 火灾中混凝土碳化机理 混凝土材料本 身含有高碱性胶 凝材料 c a ( O H) ， 在 收稿 日期 ： 2 0 1 4 — 1 0 — 1 4 基金项 目： 国家 自然科学基 金项 目( 5 1 1 7 8 2 3 2 ) 2 2 受到高温影响后会分解成 C a O 和水蒸气。 火灾 中产生 的 各种酸性气体 如 C a C O ， 、 H e 1 、 S O 、 C 1 ： 等 ， 也 降低 了混凝 土的碱性 ， 特别是燃烧产生的大量 C O ： 气 体 ， 在高温下很 容易和 C a ( O H) 分解物 C a O反应产生中性的 C a C O ， 试 验表明 ， 在温度达到4 0 0 o C 时 C a ( O H) 就开始分解， 到 了 5 0 0 o C 其分解基本完毕 ， 在 4 0 0℃至 5 0 0℃这个温度 区 间内混凝土内部的 C a ( O H) 胶体大量转化为 C a C O ， ， 即 高温环境加速了混凝 土的碳化 。 钢筋钝化膜破坏 主要有 两种， 即混凝土的碳化和氯化物侵人 j 。 碳化降低混凝 土的碱度 ， 破坏钢 筋表面的钝化膜 ， 使混凝土失去对钢 筋 的保护作用 ， 导致混凝土 中钢筋发生锈蚀。 1 ． 2测 量 方 法 试验所用仪器为德 国 G MH 3 1 5 0数字压力测量器 ， 它 是利用化学反 应方程式 ： C a C O 3 + 2 H C 1 - - - ~ C a C 1 十C O ，+ H O获得 C O ： 气体 的压力值 ， 再 根据恒温下标 定的压力 值与 C O 含量的对应关 系计算 C a C O ， 的含量。 通过对照 未碳化 区域 ( 即较深位置处) 的 C a C O 的含量 ， 可计算 出 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 因表层混凝土碳化而增加的 C a C O 含量 。 1 ． 3 碳化检测结果及分析 混凝土的碳化分为碳化 区和部分碳化 区 ， 在部分碳化 区混凝土的 p H值 由外至 内逐渐升高 ， 未碳 化区混凝土 的 p H值大 约为 l 2 ． 5左 右 ， 完 全碳 化 区混凝 土 的 p H值 为 8 ． 5 。 从碳化对钢筋锈蚀影 响的角度看 ， 当钢筋位于 p H> 1 1 ． 5的区域 ， 钢筋处于钝化状态 ， 不发生锈蚀 ； 当钢筋位 于 p H<1 1 ． 5区域 ， 钢筋 处于 活化状 态。 在 一定 的环 境条件 下， 当混凝土的p H值下降到某一值p H 。 时钢筋开始锈蚀。 实际工程调查结果表 明， 由于环境条件 的差异 ， 满足钢筋 开始锈蚀对应 的 p H 。 值是不相 同的。 通 常取 p H 。 1 1 ． 5的 区域 时 ， 处 于钝 化 状 态 ， 不 发 生锈 蚀 ； 钢 筋 位 于 p H< 1 1 ． 5区域时 ， 处于活化状态。 碳化对高温腐蚀环境下 混凝土产生 的破坏较显著。 ( 2 ) 通过对 比分析发现 ， 确定 由于火灾造成 构件表面 混凝土碳化深度为 3 - 5 m i l l ， 其 中深度为 2 — 3 m i n的混凝 土易发生疏松或脱落情况。 ( 3 ) 腐蚀环境下 ， 受火灾影响的混凝土氯离子含量有所 增加， 若在火灾后重做防腐处理， 能有效抑制氯离子的侵入。 ( 4 ) 当混凝土保护层厚度为 4 0 m m 时 ， 可以有效阻止 氯离子渗入 到钢筋所处位 置 ， 火灾后 ， 在此处重新 做防腐 处理 ， 该位置的钢筋在服役期 内不会发生腐蚀 。 ( 5 ) 在高温腐蚀环境下 ， 硫酸根离子 和硝 酸根离子 的 侵入量和侵入深度都比较小 ， 在做好防腐处理的情况下不 会对混凝土造成实质性破坏。 参考文献 ： [ 1 ]MO R S Y M S ， G A L A L A F ， A B O E I E N E I N S A ． E f f e c t o f t e m — p e r a t u r e o n ph a s e c o mp os i t i o n a n d mi c r o s t mc t ur e o f a r t i fic i a l p o z z o l a n a —c e me n t p a s t e s c o n t ~ n i n g b u r n t k a o l i n i t e c l a y [- J ] ． C e ． m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a c h ， 1 9 9 8 ， 2 8 ( 8 ) ： 1 1 5 7— 1 1 6 3 ． 下转第 3 0页 2 5 0 5 O 5 O 5 哪 吣 眦 童 ； 叫 萎丑 咖越譬刊 研 0z 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 迫 暖 透水 系数 图 8强度 一透水系数关系 最重要的两个指标， 二者呈反比例相关。 配合比设计时需 要控制再生骨料 的用量和 目标孔隙率 的设定 ， 使配制 的多 孔混凝土同时满足强度和透水性的要求。 利用最小二乘法 对试验结果进行线性和幂指数 回归 ， 发现二次线性函数进 行拟合均可得到较好的相关性。 式( 3 ) 给出了孔混凝土透 水系数与孔隙率的回归方程。 K =4 4 2 ． 6 3 P。一1 3 4P+1 4 ．1 7 ( R = 0 ． 9 5 8 6) ( 3 ) 3 结论 本研究通过对再生 骨料 多孔混凝 土强度和透水性试 验 ， 得到以下主要结论 ： ( 1 ) 再生骨料取代率对多孑 L 混凝 土强度值影 响较大。 取代率越高 ， 强度值越低 。 为满足多孔混凝土强度使 用要 求 ， 再生骨料取代率在 5 0 ％以内为宜。 ( 2 ) 孔 隙率对 多孔混凝土强 度和透水性 有直接 的影 响。 强度值与孔隙率反相关， 随孔隙率的增大而降低。 透 水系数与孔隙率正相关 ， 随孔 隙率 的增大而增大 。 为同时 达到强度和透水性的要求 ， 目标孔 隙率控制在 0 ． 2为宜。 ( 3 ) 强度和透水性是再生骨料多孔混凝土两个主要技 术指标 ， 二者呈反相关关系。 为配制满足各项性能要求的 混凝土， 需在配合比设计阶段， 综合考虑再生骨料取代率、 水灰 比及 目标孔 隙率等 因素的影响。 参考文献： [ 1 ]霍亮． 透水性混凝土路面材料的制备及性能研究[ D] ． 南京： 东 南大学， 2 0 0 4 ． [ 2 ]N E I T H A L A T H N， B E N T Z D P ， S U MA N A S O O ~Y A M S ． A d — v an c e s i n p o r e s 缸 uc nl r e c ha r a c t e riz a tio n a nd pe r f o r ma n c e p r e d i c — t i o n o f p e r v i o u s c o n c r e t e s [ J ] ． C o n c r e t e I n t e rna t i o n a l ， 2 0 1 0 ， 3 2 ( 5 ) ： 3 5- 4 0 ． I- 3 ]H A S E L B A C H L ， B O Y E R M， K E V E R N J T ， e t a 1 ． C y c l i c h e a t i s — l a n d i mp a c t s o n t r a d i t i o n al v e r s u s p e r v i ou s c o n c r e t e p a v e me n t 上接第 2 5页 r 2 - 1 张奕， 金伟良． 火灾后混凝土结构耐久性的若干研究I] J - ] ． 工业 建筑 ， 2 0 0 5 ， 3 5 ( 8 ) ： 9 3 — 9 6 ． [ 3 7 S H I N C B， K I M E K ． Mo d e l i n g o f c h l o r i d e i o n i n g r e s s i n c o a s t a l c o n c r e t e [ J ] ． C e me n t and C o n c r e t e R e s e arc h ， 2 0 0 2 ， 3 2 ( 5 ) ： 7 5 7 — 7 6 2． [ 4 3 L I L ， S A G U E S A A ． C h l o ri d e c o r r o s i o n t h r e s h o l d o f r e i n f o r c i n g s t e e l i n a l k a l i n e s o l u ti o n— c y c l i c p o l a r i z a ti o n b e h a v i o r [ J ] ． C o rr o — s i o n ， 2 0 0 1 ， 5 8 ( 4 ) ： 3 0 4— 3 1 6 ． 30 s y s t e m s [ J ] ． T r ans p o r t a ti o n R e s e ar c h R e c o r d ： J o u rna l o f t h e T r ans p o r t a ti o n R e s e arc h B o ar d ， 2 0 1 1 ， 2 2 4 0 ( 1 ) ： 1 0 7 —1 1 5 ． [ 4 - 1 K E V E R N J T ， H A S E L B A C H L， S C H A E F E R V R ． H o t w e a th e r c o mp ara t i v e h e a t b a l d ac e s i n pe r v i o us c o n c r e t e an d i mp e rvi o u s c o n c r e t e p a v e m e n t s y s t e ms [ J ] ． J o u rnal o f H e a t I s l a n d I n s ti t u t e I n t e m a t i o n a l ， 2 01 2， 7： 2 ． [ 5 ] S C H A E F E R V R， K E V E R N J T ， I Z E V B E K H A I B， e t a 1 ． C o n — s t r u c t i o n an d p e r f o rm a n c e o f pe r v i o u s c o n c r e t e ov e r l a y a t mi n n e — s o t a r o a d r e s e a r c h p r o j e c t [ J ] ． T r ans p o r t a t i o n R e s e a r c h R e c o r d ： J o u rna l o f the T r ans p o r t a ti o n R e s e ar c h B o ard ， 2 0 1 0 ， 2 1 6 4 ( 1 ) 82—8 8． [ 6 ]K E V E R N J T ， S C H A E FER V R， WA N G K ． P o r t l a n d c e m e n t p e r — v i o u s c o n c r e t e ： A fi e l d e x p e ri e n c e f r o m s i o u x c i t y [ J ] ． O p e n C o n — s t mc t i o n a n d Bu i l d i n g Te c h no l o g y J o u r n a l ， 2 0 08， 2： 8 2—8 8． [ 7 7 C H I N D A P R A S I R T P ， H A T A N A K A s ， C H A R E E R A T T ， e t a 1 ． C e m e n t p a s t e c h a r a c t e ri s ti c s and p o r o u s c o n c r e t e p r o p e r t i e s [ J ] ． C o n s t r u c ti o n a n d B u i l d i n g Ma t e ri a l s ， 2 0 0 8 ， 2 2 ( 5 ) ： 8 9 4— 9 0 1 ． [ 8 ]R U S H T O N B T ． L o w— i mp a c t p ar i n g l o t d e s i g n r e d u c e s r u n o f f a n d p o l l u t a n t l o a d s [ J ] ． J o u r n a l o f Wa t e r R e s o u r c e s P l a n n i n g a n d Mana g e m e n t ， 2 0 0 1 ， 1 2 7 ( 3 ) ： 1 7 2 ～1 7 9 ． [ 9 ]V O L D E R A， WA T S O N T， V I S WAN A T H AN B ． P o t e n ti a l u s e o f p e r v i o u s c o n c r e t e f o r ma int a i n i n g e x i s t i n g m a tur e t r e e s d urin g and a f t e r u r b an d e v e l o p me n t [ J ] ． U r b an F o r e s t r y&U r b an G r e e n — i n g ， 2 0 0 9 ， 8 ( 4 ) ： 2 4 9— 2 5 6 ． [ 1 0 ] Y AN G J ， Y l AN G G L ． E x p e ri me n t a l s tud y o n p r o p e r t i e s o f p e r v i — O t i S c o n c r e t e p a v e me n t m a t e r i al s [ J ] ． C e me n t a n d C o n c r e t e R e — s e a r c h ， 2 0 0 3 ， 3 3 ( 3 ) ： 3 8 1— 3 8 6 ． [ 1 1 ] t r t J AN GB S ， WUH， S H UX， e t a 1 ． L a b o r a t o r y e v a l u a ti o n o f p e r m e — a b i a t y a n d s tr e n g t h o f p o l y m e r —m o d ifi e d p e r v i o u s c o n c r e t e E J ] ． C o n s t r u c ti o n and B u i l d i n g Ma t e ri a l s ， 2 0 1 0 ， 2 4 ( 5 ) ： 8 1 8 — 8 2 3 ． [ 1 2 3 郑木莲． 多孔混凝土的渗透系数及测试方法[ J ] ． 交通运输工程 学报， 2 0 0 6 ， 6 ( 4 ) ： 4 1 — 4 6 ． [ 1 3 ] K E V E R N J T， S C H A E FER V R ， WAN G K ． Mi x t u r e p r o p o rt i o n d e v e l o p me n t an d p e r f o r ma n c e e v a l ua ti on o f p e r v i ou s c o n c r e t e for o v e r l a y a p p l i c a ti o n s [ J ] ． A C I Ma t e ri al s J o u r n a l ， 2 0 1 1 ， 1 0 8 ( 4 ) ． [ 1 4 ] 王琼， 严捍东． 再生骨料透水性混凝土初步研究[ J ] ． 安徽理工 大学学报： 自然科学版， 2 0 0 4 ， 2 4 ( 1 ) ： 3 2 — 3 8 ． 第一作者 联系地址 联系电话： 王玉梅( 1 9 8 5一) ， 女 ， 博士 ， 主要研究方向： 混凝土结 构。 厂西南宁市大学东路 1 0 0号 广西大学土木建筑工程 学院( 5 3 0 0 0 4 ) l 8 6 9 7 9 66 6 9 7 [ 5 ] C L I ME N T— L L O R C A M A， P E R E Z E ． C h l o ri d e c o n t a mi n a t i o n o f c o n c r e t e b y i n t e r a c ti o n w i thP V C c o m b u s ti o n g a s e s ， e n g i y ( J ] ． Ce me n t a n d Co n c r e t e Re s e arc h， 1 9 98： 2 0 9—21 9． 第一作者： 王剑( 1 9 8 9 一) ， 男， 硕士研究生， 主要从事异形柱的抗 火试验研究。 联 系地 址 联系电话 1 5 9 5 3 2 6 1 4 8 5 l 1 号 青岛理工大学( 2 6 6 0 3 3 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m