混凝土中钢筋腐蚀过程的温湿度综合效应.pdf
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1、第 3 4卷第 1 期 2 0 1 2年 2月 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 J o u r n a l o f Ci v i l Ar c h i t e c t u r a l& E n v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g Vo 1 3 4 N o 1 Fe b2 01 2 混凝土中钢筋腐蚀过程 的温湿度综合效应 姬永 生 , 徐从 宇 , 王 磊 , 申建立 , 张博雅 ( 中国矿业 大学 a 深部 岩土力学与地 下工程 国家重点 实验室 ;b 力学与建筑工程 学院, 江 苏 徐 州 2 2 1 0 0 8 ) 摘 要: 环境的温度和
2、相对湿度是影响混凝土中钢筋锈蚀速度的重要 因素, 这 2个因素对混凝土 中 钢 筋的腐蚀 电流强度 的影 响并 不是 孤 立 的 , 而是 互相 交织在 一 起彼 此 产 生影 响 的 。通过 试 验研 究 了温湿度共同作用下混凝土中钢筋腐蚀速度的变化规律 。研 究表 明, 温度愈高, 钢筋的腐蚀电流强 度达 到 最大峰值 时所对应 的相 对湿度愈 大 ; 相对 湿度 不 同, 温度升 高对钢 筋 的腐蚀 电流 强度提 高的 幅度 也 不 同。 关键 词 : 温度 ; 相对 湿度 ; 孔 隙水饱和 度 ; 钢 筋腐蚀 速度 中图分 类号 : T U3 5 2 3 文献标 志码 : A 文章编
3、号 : 1 6 7 4 4 7 6 4 ( 2 0 1 2 ) 0 1 0 0 1 2 0 5 Co mp r e he n s i v e Ef f e c t s o f Te mpe r a t u r e a nd Re l a t i v e Hu m i d i t y o n Re b a r Co r r o s i o n i n Co n c r e t e J I Yo n g s h e n g , , XU Co n g - y u。, WANG L ei , SHE N J i a n l i 。, ZHANG Bo y e ( rd S t a t e Ke y
4、La b o r a t o r y f o r Ge o me c h a n i c s a n d De e p Un d e r g r o u n d En g i n e e r i n g ;b S c h o o l o f Me c h a n i c s& Ci v i l En g i n e e r i n g,Ch i n a Un i v e r s i t y o f M i n i n g a n d Te c h n o l o g y ,Xu z h o u 2 2 1 0 0 8 ,J i a n g s u ,P R Ch i n a ) Ab s t
5、r a c t Th e c o r r o s i o n r a t e o f s t e e l i n c o n c r e t e i s hi g hl y d e p e nd e n t o n t h e h e t e r o ge n e o u s s t r uc t u r e o f t h e c o nc r e t e a nd t he e n v i r o n me n t a l e x p o s ur e c o n d i t i o ns Te mp e r a t u r e a n d r e l a t i v e hu mi d
6、i t y a r e t WO i mp o r t a nt e n v i r o n me nt a l f a c t o r s t h a t s i mu l t a n e o u s l y i n f l u e n c e t h e c o r r o s i o n p r o c e s s a n d c a n n o t b e s e p a r a t e d o r i s o l a t e d f r o m e a c h o t h e r Th e i nt e r a c t i o n o f t e mp e r a t u r e a
7、 n d r e l a t i v e h u mi d i t y f o r c h a r a c t e r i z i n g t he c o r r o s i o n r a t e h a s b e e n s u f f i c i e nt l y s t u d i e d Th e r e s u l e s s h o w t h a t t he h i g h e r t h e t e mp e r a t u r e i s ,t h e g r e a t e r t he r e l a t i v e h u mi d i t y i s wh e
8、 n r e b a r c o r r o s i o n r a t e r e a c h e s t h e ma x,a n d a s t o d i f f e r e n t r e l a t i v e h u mi d i t y ,t h e i n c r e a s i n g e x t e n t o f r e b a r c o r r o s i o n r a t e wi t h r i s e i n t e mp e r a t ur e i s d i f f e r e n t Ke y wo r ds : t e mpe r a t u r
9、e; r e l a t i v e hu m i d i t y; de gr e e of p or e s a t u r a t i o n; r e b a r c o r r os i o n r a t e 钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性和使用 寿命的重要 因素 。在对现有钢筋混凝土结构进行使 用寿命 的评估和定量预测 中, 钢筋的锈蚀速度是一 个重要的参数。已有的研究表 明口 : 混凝土内钢筋 的腐蚀速度 由混凝土 自身的材料性质和外部环境 的 气候条件共 同所决定 。混凝土材料方面的性质包括 混凝土的材料组成、 混凝土的密实程度、 混凝土的电 阻率等 , 外部环境气候条件
10、包括环境的温度、 相对湿 度等。学者们在温湿度对钢筋锈蚀速度的影响方面 进行了大量 的研究 。 引, 但这些研究大都是定性分 析 , 或是 单 因素 下 的定 量 研究 。然 而 环境 的 温度 和 湿度这 2个因素对钢筋锈蚀并非单独作用 , 而是互 相 交织 在一起 , 彼此 产生 影响 , 目前 关于 混凝 土 中钢 筋腐蚀过程的温湿度综合效应的研究较少 。 本文通过试验研究了温湿度共同作用下混凝土 中钢筋腐蚀速度的变化规律 , 为建立钢筋锈蚀速度 模型, 从而预测钢筋混凝土结构的使用 寿命提供依 据 。 收 稿 日期 : 2 0 1 1 0 4 2 8 基金项 目: 国家 自然科学基金
11、资助项 目( 5 1 1 7 8 4 5 5 ) 作者简介 : 姬永 生( 1 9 7 0 一 ) , 男 , 博士 , 副教授 , 主要从 事混凝土耐久性研究 , ( E ma i l ) j y s b h 1 2 6 C O IT I 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第3 4 卷 温度相 同。 6 ) 将试件从溶 液 中取 出 , 继续放 于 4 0 C恒 温箱 中 的呈有浓硫酸的干燥皿中恒温干燥, 不断测定其重量 和试件中钢筋的腐蚀电流的变化,
12、 其要求同步骤 3 ) 。 7 ) 将步骤 4 ) 恒温干燥 2 8 d的试件从 4 O 的恒 温箱 中取 出 , 再 放于 l O 的 Na C 1 溶 液 中浸 泡 1 4 d , 使其再 次充 分饱 水 , 然后 连 同容 器 一起 将 试 件 放 于 6 0 的恒 温箱 中恒温 浸泡 2 4 h 。 8 ) 将试 件从 溶 液 中取 出 , 继续 放 于 6 0 的恒 温 箱 中呈有 浓硫 酸 的干燥 皿 中恒 温 干燥 2 8 d , 不断 测 定其重量和试件中钢筋 的腐蚀电流的变化 , 其要求 同步 骤 3 ) 。 9 ) 将 测定 结束 后 的试 件 于 1 0 5 的烘 箱 中
13、恒温 干燥 4 8 h , 称取其绝干重量 G。 。 2 3腐 蚀 电流 J 的测 定 锈蚀 速度 测试 方 法 采 用 线 性 极 化法 ; 混凝 土 内 钢筋锈蚀速率用腐蚀电流强度表示, 测试仪器采用 郑州杜甫仪器厂生产的 D F 一 2 0 0 2电化学分析系统工 作站, 根据线性极化法测试原理, 电化学工作站将测 试到的钢筋锈蚀极化曲线 , 计算 出腐蚀体系 的极化 电阻, 然后用 S t e r n Ge r y公式计算腐蚀 电流 , 用来 表示钢筋的锈蚀速率。测试装置如图 4 所示 。 图 4腐蚀 电流 I 测 量 系统 2 4 混凝 土孔 隙饱和 度的 计算 由公式( 1 ) ,
14、 计算各温湿度条件下混凝土孔隙饱 和度 : 尼一 二 1 0 0 ( 1 ) s O 式中: k为混凝土孔隙水饱和度 , ; G i 为混凝土试 件 的重量 , k g ; G。 为 混 凝 土试 件 烘 干 至恒 重 时 的重 量 , k g ; G 为混凝土孔隙水饱和时的重量 , k g 。 3 试 验结果及分析 3 1 温 度对混 凝 土中钢筋 腐蚀 速度 的影 响 环境温度和混凝土孔隙水饱和度对混凝土中钢 筋腐蚀 电流强度的影响如图 5所示。从图中可以看 出 : 受 氯盐 侵蚀 的钢筋 ? 昆 凝 土结构 , 在 混凝 土 孔 隙水 饱和度相同的情况下 , 温度愈高 , 混凝土中钢筋腐
15、蚀 电流强度愈大 。这是 因为随着温度升高 , 不仅大气 环境中的 O 和水分在混凝土内的扩散速度 、 钢筋腐 蚀电池阴极、 阳极腐蚀产物的迁移速度加快 , 而且 昆 凝土的电导率增大, 影响腐蚀的阻力 阳极极化 率 P 、 阴极极化率 P 和混凝土电阻 R 。 普遍 降低 , 混凝土中钢筋的腐蚀速度增大。 孔隙水饱和厦, 图 5不 同 温 度 钢 筋 腐 蚀 电流 强 度 随 混凝土子 L 隙水饱和度的变化 3 2 混凝 土孔 隙 饱 和度 对 混 凝 土 中钢 筋 腐 蚀 速 度 的影 响 从 图 5中可 以看 出 , 环境 温度 不 变 , 在 开 始 的饱 水 阶段 , 钢 筋 的腐
16、蚀 电 流最 大 。随着 干 燥 过 程 的进 行 , 混凝土孔隙水饱和度不断下降, 然而混凝土中钢 筋的锈蚀速率依 然维持在较高的水平 , 没有发生显 著降低。直至试件 中孔隙水饱和度下 降到一定值 , 钢筋 的腐蚀 电流 强度 才发 生明显 转 变 。随着 混凝 土 孔隙水饱和度的进一步降低 , 钢筋的锈蚀速率急剧 下降。所 以在恒 温条件下, 混凝土 中钢筋 的锈蚀速 率随混凝土孔隙水饱和度的降低分为 2个 阶段 : 平 稳阶段和大幅的下降阶段 。 目前的研究普遍假定, 混凝土 中钢筋 的锈蚀过 程 主要受 氧 扩散 的 阴极 反应 所 控 制 , 也 就 是 f 。 主 要取决于氧在混
17、凝土中扩散速率的大小_ l 。依照 这种观点 , 在整个干燥过程 中, 随着混凝土孔 隙水饱 和度 的不断下降 , 氧在混凝土 中的扩散速率也不 断 增大, 阴极极化率 P 降低, 混凝 土中钢筋锈蚀速率 应 该不 断增 大 , 这 种 假 定 显 然 和 实 际情 况 不 符 。从 图 4中可以看 出, 钢筋锈蚀速率与 中氧在混凝土中 的扩散 速率 的变化趋 势是 截然 相反 的。这充 分 说 明 氧虽然是钢筋持续锈蚀 的重要 因素之一 , 却绝对不 是钢筋锈蚀过程的控制因素 , 即使在高湿环境供氧 困难的条件下 , 钢筋锈蚀速率不但没有降低反而变 得更大 , 氧对混凝土 中钢筋锈蚀过程也没
18、有起到控 制作用 。其内在的变化机理还有待于进一步研究。 3 3温度和 混 凝 土孔 隙 饱 和 度对 混 凝 土 中钢 筋 腐 蚀 速度 的影 响 环境温度和混凝土孔隙水饱和度对钢筋 的腐蚀 电流强度均是通过影响钢筋腐蚀的阻力 阳极极 化率 P 、 阴极极化率 P 和混凝 土电阻 R 。 来 实现 , 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第1 期 姬 永 生, 等 : 混 凝 土 中钢 筋腐蚀 过程 的温 湿度综合 效 应 但是这两者对钢筋腐蚀 电流强度的影响并不是孤立 的。从 图 5中可以看出, 2 O 。C时 , 混凝土孔 隙水饱和 度约在 7 O 时钢筋 的
19、腐蚀 电流强度最大, 随着温度 升高 , 钢筋的腐蚀电流强度达到最大 的峰值 向混凝 土孔隙水饱 和度增 大方 向移动, 4 O 时, 约在 8 0 钢筋的腐蚀 电流强度最大, 而 6 O C时 , 混凝 土孔 隙 水饱和度约在 9 O 钢筋的腐蚀电流强度最大。 另外, 混凝土孔隙水饱和度不同时 , 温度升高对 钢筋 的腐蚀电流强度提高 的幅度也不相 同, 混凝土 孔隙水饱和度愈大, 温度对钢筋的腐蚀电流强度 的 提高幅度愈 大。混凝 土孔 隙水饱 和度 为 5 0 时 , 6 0 的钢 筋 腐蚀 电流强 度 是 2 0 的 4 O 2倍, 是 4 O 的 1 7 5 倍 , 而孔 隙水饱和度
20、为 8 5 时 , 6 0 。 C的 钢筋腐蚀 电流 强度 是 2 O 的 7 8 3倍 , 是 4 0 的 3 4 3 倍 。 , 因此 , 高温高湿是加速钢筋混凝土结构耐 久性退 化 的一种 非常有 效 的方法 。 4 环境相对湿度和温度对混凝 土 中钢 筋腐蚀速度 的影响 从严格意义上讲, 钢筋混凝土耐久性能的退 化 由混凝土内部的微环境气候条件所决定, 而混凝 土 内部的微环境气候条件则取决于混凝土所处的外部 环境气候条件。由于混凝土内部的孔隙水饱和度相 对难 以准确地测定 , 而外部环境气候条件( 温度和大 气 相对湿 度 ) 的测 定 能 够 较 为方 便 、 准确 地 进 行 ,
21、 当 混凝土内部的微环境 与外部环境 达到平衡 时, 混凝 土 的孔 隙水饱 和 度 趋 于恒 定 。因此 , 可 以 通过 测 定 外部环境的温度和大气相对湿度来研究温湿度对混 凝 土 内钢 筋腐蚀 速度 的影 响 。 4 1 混凝土孔 隙水饱和度和环境 相对湿度定量 关系 文献 1 8 pJ 定不 同温度和相对湿度环境下 c 2 o 混凝 土 的孔 隙 水 饱 和 度 如 图 6 。从 图 中可 以看 出 , 在混凝土孔 隙结构确定 的情况下 , 混凝 土中的孔 隙 水饱 和度 和环境 的温 湿度相 对应 。在 温 度不 变 的条 件下 , 环境相对湿度愈大, 混凝土中的孑 L 隙水饱和度
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- 混凝土 钢筋 腐蚀 过程 温湿度 综合 效应
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