水灰比和矿物掺合料对混凝土结构中钢筋极化电阻的影响.pdf

2 0 1 2 年 第 8期 (总 第 2 7 4 期 ) Nu mb e r 8 i n 2 0 1 2 ( T o t a l No 2 7 4 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORETI 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 2 0 8 0 0 1 水灰比和矿物掺合料对混凝土结构中 钢筋极化电阻的影响 张鹤 。赵炜璇 z 。巴恒静 z ( 1 北京城市学院 城市建设学部，北京 1 0 0 0 8 6 ；2 哈尔滨工业大学 土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 1 5 0 0 0 1 ) 摘要 ： 采用加速渗透试 验方法 和埋入式 自制 C B型氯离子传感器和 MB型参 比电极研究 了水灰 比和矿 物掺合料 组合 对 6组混凝 土结 构 中钢筋极化电阻 R 。 的影响。 研 究表 明 ： 当水灰 比为 0 3 5时 ， 混凝土在 2 5 h内可保持较高 的极化 电阻钢筋 ， 钢筋严重锈蚀要 6 0h， 而水 灰 比为 0 4 0 和 0 4 5 混凝土中的钢筋极化电阻则持续下降， 特别是对于水灰比较高的混凝土试件 ， 氯离子渗透时间超过 1 8 h 后 ， 钢筋已严重 锈蚀。 矿物掺合料有助于减缓钢筋的锈蚀， 且复掺粉煤灰和硅灰效果最佳， 复掺粉煤灰和矿渣次之 ； 且掺有矿物掺合料混凝土试件中钢筋 极化电阻都大于未掺矿物掺合料混凝土试件。 当钢筋极化电阻下降至 2 7 x l O f l e n l 2 时， 继续加速， 钢筋极化电阻R 。 值会突然下降， 钢筋 开始锈蚀， 钢筋钝化膜发生了破坏 ， 结论认为钢筋极化电阻 风值为 2 7 x 1 0 Q c l n z 是钢筋在混凝土中钝化膜破坏的临界点。 关键词： 混凝土；水灰比；矿物掺合料；极化电阻 中圈分类号 ： T U 5 2 8 0 6 2 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 8 0 0 0 1 0 4 E ffe c t of wa t er - c emen t r a t i o an d mi ne r al a dmi x t u r es on t h e s t e el pol ar i z a t i on r es i sta nc e of c onc r e t e s t r uc t ur e r e i n f or c e d Z H ANGHe 1 ， Z H AO We l - x u a l l 2 , B AHe n g -fi n g ( 1 P e p a r t me n t o f Ur b a n C o n s t r u c t i o n ， B e ij i n g Cit y Un i v e r s i ty， B e i j i n g 1 0 0 0 8 6 ， 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 r i n g ， Ha r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， Ha r b i n 1 5 0 0 0 1 ， C h i n a ) Abs t r act： 1 1 1 e a c c e l e r a t e d p e n e t r a t i o n t e s t me t h od a n d b u r i e d s e l ma d e CB t y p e d s e n s o r f o r c h l o rid e i o n are a p p l i e d t o i n v e s t i g a t e the e ffe c t o f w a t e r - c e me n t r a t i o and mi n e r a l a d mi x t u r e s o n p o l a r i z a t i o n r e s i s t a n c e R 。 o f s ix r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s T h e r e s u l t s s h o w t h a t the p o l a r i z a t i o n r e s i s t a n c e o fs t e e l C a l l b e k e p t h i g h v a l ue d u r i n g 2 5 h o u r s wh e n the wa t e r - c e me n t r a t i o i s O 3 5 a n d t h e s e r i O U S c o r r o s i o n h a p p e n e d a f t e r 6 0 h o u r s Ho we v e r ， wh e n the wa t er- c e me nt r a tio i S 0 4 0 an d 045 ， the po l a r i za t i o n r e s i s t an c e c o n t i n u e s t o d e c r e a s e Es p e c i a l l y for r e i n f o r c e c o n c r e t e wi t h h i g h wa t e r - c e me nt r a t i o the s t e e l i s s e v e r e l y c o r r o d e d whe n c h l o r i d e i o n p e n e t r a t i o n p e rio d i s mo r e t h a n l 8 hM ine r a l a dm i x t u r e s are b e n e fi c i a l t o d e l a y s t e e l c o r r o s i o nTh e c o mbi n a t i o n o f f l y a s h and s i l i c a f ume h a s t h e b e s t e f f e c t o n r e d u c i n g the s t e e l c o rros i o n the c o mb ina t i o n o ff l y ash a n d s l a g i s b e Re r I n a d d i t i o n th e s t e e l po l a r i za t i o n r e s i s t a n c e v a l u e o f c o n c r e t e、 v i t l l m ine r a l a dm i x t u r e s i s b i g g er than tha t of c on c r e t e wi tho u t mi ne r a l a d mi x t u r e s Ad di t i o n a l l y， wh e n the s t e e l p o l a l i zafio n r e s i s t a n c e d e cre a s e s t o 2 7xl O n c m2 ， i fthe a c c e l e r a t e d p e n e a t i o n t e s t me t ho d i S c o n tin u e d， the p o l a r i z a t i o n r e s i s t a n c e Rp h a s a s h a r p d e c l i n e ， i nd i c a t ing tha t the s t e e l b ar b e g in t o r u s t a n d the p a s s i v e fil m o f s t e e l i s d e s t r o y e dTh e r e for e， c o n s i d e r e dt h eRp v a l u eof 2 7 xl O n。 c m as the c rit i c a l p o i n t o fs t e e l i n c o n c r e t e s t r u c t u r e s Key WOr ds ： c o n c r e t e； wa t e r - c e me n t r a t i o： mi n e r al a d mi x t u r e； po l a r i zat i o n r e s i s ta n c e O 引言 综观国内外混凝土科学与技术的发展历程 ， 国际上重大基 础工程的耐久性和服役寿命过早衰减和失效已引起国内外混 凝土科学与工程界的密切关注， 如何保证又如何预测结构混凝 土 的耐久性 、 服役寿命 已是世界性 难题 】 - 2 。 在 意识到混凝 土的 耐久性和寿命预测问题的重要性， 长寿命 、 高耐久结构混凝土 已经被许多重大工程提到重要地位。 钢筋腐蚀是导致钢筋混凝土结构过早破坏的主要原因， 已 成为世界普遍关注并 日益突出的一大灾害3 】 。 钢筋腐蚀的先决 条件是表面去钝化 ， 碳化和氯离子的侵蚀是引起钢筋去钝化的 两种主要途径 。 高性能混凝土的推广使混凝土致密程度得到 收稿 日期 ：2 0 1 2 - 0 2 - 2 1 基金项 目：国家 自然科学基金( 5 1 0 7 9 0 3 6) 很大提高， 碳化过程得到有效控制。 与碳化相比， 氯离子引起的 钢筋腐蚀速度更陕， 破坏性更大， 是引起钢筋锈蚀的主要因素6 - 7 。 极化电阻即是会引起极化的电阻， 而这种在 电极表面上 生成 的使欧姆电阻增加的物质正是钢筋表面的钝化膜 ， 所 以极化 电阻主要就是指钢筋表面钝化膜的电阻【 8 。 由于钢 筋腐蚀从钝化膜破坏开始， 而极化电阻恰好是反映钢筋钝化 膜状态的物理量 ， 研究钢筋的极化电阻， 可以分析钢筋钝化 膜的状态 ， 进而得到钢筋腐蚀的信息。 为此， 本研究采用加速渗 透试验方法 、 埋人式 自制 C B型氯离子传感器和 MB参比电 极， 选用 6 组不同水灰 B ( w c = o 3 5 、 0 4 0和0 4 5 ) 和矿物掺合料组 合( 单掺粉煤灰、 复掺粉煤灰和矿渣、 复掺粉煤灰和硅灰) 的混凝 土， 研究了混凝土结构中钢筋极化电阻的影响规律。 1 原材料、 配合 比设计及试验方法 1 1 原材料及配合 比设计 试验 中选用哈尔滨水 泥厂生产的天鹅牌 P 0 4 2 5 R级 水泥 ；粉煤灰为哈尔滨第三火电厂出品 I 级优质粉煤灰 ， 密 度和比表面积分别为 2 4 3 g ， c m3 和 6 5 5 m2 k g ； 选用辽宁鞍 山 钢铁公司生产高炉矿渣 ， 其密度和比表面积分别为 2 8 6 g c m3 和 5 0 1 m2 k g ； 硅灰选用挪威埃肯公司生产的中密质硅灰， 其比 表面积和密度分别为 1 5 x 1 0 m2 k g和 2 2 6 g ， c m3 ； 粗骨料的粒 径为 5 O i n i i 连续级配， 表观密度为 2 6 6 0 k g m 3 ， 压碎指标为 4 8 ， 含泥量小于 0 2 ； 细骨料的细度模数和密度分别为 2 8 2 和 2 6 0 0 k g m3 ； 减水剂为上海花王公司生产的 IV l i g h t y - 1 0 0高效 减水剂 。 为了研究水灰比和矿物掺合料对混凝土结构中钢筋极化 电阻的影响， 试验中选用了 3组不同水灰 比( W C = o 3 5 、 O 4 0和 0 4 5 ) ， 矿物掺合料组合选用了单掺粉煤灰、 复掺粉煤灰和矿渣 以及复掺粉煤灰和硅灰。 为确保本试验系列的可对比性， 3种掺 合料配合比方案均在同一水灰比水平( W C = 0 3 5 ) 下进行。 固定 矿物掺合料总量为 3 0 ， 按照等强度原则设计 3 种配合比中的 掺合料掺入量。 混凝土配合比设计详见表 1 。 表 1 混凝土配合 比设计 1 2试验 方法 1 2 1 加速渗透试验方法 采用外加电场加速渗透法是实验室通过对 AS T M C 1 2 0 2 法 了一种多通道变电压氯离子渗透装置。 该装置在 AS T M C1 2 0 2试验装置基础上增大了阴极室和阳极室 的面积， 降低了焦耳热对试验结果的影响， 也使得阴极室溶液可以 在更长时间内保持基本恒定； 电压在 0 6 0 V范围内可调； 用耐腐 蚀的纳米电极取代铜网电极， 避免了因为铜网电极电解或由于电 极反应而产生的气泡在铜网聚集造成电 差。 不是用来测混凝土的渗透陛能， 不需要定时电通量的计算， 而 是利用外加电场加速渗透法在电场的作用下加速氯离子在混凝土 中的渗透速度的原理， 研究水灰比和矿物掺合料对钢筋极化电 阻的影响。 基于不同水灰比和掺合料的混凝土抵抗氯离子渗透的 性能不同， 如果采用相同的加速电压会导致致密性稍差的试件 氯离子渗透速度过快， 在短时间内大量的氯离子渗透进混凝土内 部会导致钢筋无法承受I t 氯离子的侵蚀而极化电阻迅速下降， 使之无法准确掌握钢筋极化电阻的变化规律， 所以针对不同水 灰比和掺合料的混凝土试件要采用不同的加速电压。 在自然环境下氯离子渗透进混凝土内部是个缓慢的过程， 为了最大限度与实际情况相接近， 既缩短试验时间又能让氯离 子缓慢进入混凝土， 采取每天加速 3 - - 4h ， 其余时间静置的方式。 针对不同水灰比水平和掺合料组合方案的混凝土试件采取不 同的加速电压和加速时间， 如表 2所示。 2 表 2 混凝土渗透试验时的加速制度 1 2 2 极化电阻的测定 图 1 是以极化电流密度 ， 为纵坐标 ， 以极化值 A E为横坐 标的双向极化曲线图。 对稳态极化曲线在 处， 即 A E = 0做 极化曲线的切线， 可以求出斜率， 如式( 1 ) 所示。 ：f 1 ， R a E ( 1 ) 式中： R 。 极化电阻； E 电极电位； E 腐蚀电位。 这种以很小的极化值的极化测量称为线性极化测量。 所测 得的直线的斜率与电位为腐蚀电位时的切线的斜率接近。 因此 利用极化曲线在 E 附近的直线段可以近似测量极化电阻 。 。 目 吕 AE， mV 图 1 双向极化 曲线 本试验选用 C S型 电化学测试系统基于测量微分极化电阻 的方法进行测量钢筋的极化电阻， 该系统不仅测试精度高， 具有 电阻补偿的功能， 而且还可以自动完成极化电阻R 。 值拟合， 能 够完全满足钢筋极化电阻测试的需求。 2 结果与分析 2 1 水灰比对混凝土中钢筋极化 电阻的影响 不同水灰 比的混凝土试件从饱水完成到钢筋严重锈蚀整 个加速阶段的极化电阻与时间的变化规律分别如图 2 4所示。 t h 图 2 水灰 为 O 3 5混凝土中的 中钢筋极化电阻曲线 由图 2 可知， 水灰比为 O 3 5的两个混凝土试件的钢筋极化 电阻随着时间的延长总体上呈减小趋势。 两个混凝土试件中的 最初钢筋极化电阻分别为 3 5 x 1 0 n c m2 和 1 2 1 x l 0 5 Q c r n 2 ， 两 者相差 8 6 1 0 s n c m2 。 但是 ， 在最初的 1 0 h ， 试件 WB 0 3 5 1的 钢筋极化电阻随着时间的增加呈直线下降， 试件WB 0 3 5 2 的钢 筋极化电阻则随着时间的增加而略有增加； 当氯离子渗透时间 超过 2 0h后， 随着时间的继续增加 ， 两个混凝土试件中的钢筋 极化电阻变化浮动很小； 当氯离子渗透时间达到 4 5 h时， 试件 WB 0 3 5 1和 WB 0 3 5 2的钢筋极化电阻分别 为 7 1 0 Q e m2 和 4 1 0 Q c m 2 , 两者钢筋极化电阻分别突降至 2 7 x 1 0 Q e m2 和 2 1 0 s Q c mz ； 随后仍呈减小趋势变化。 当氯离子渗透时间超过 6 0 h后 。 钢筋极化电阻几乎不变 ， 且两者的钢筋极化电阻都接 近 1 x l 0 Q c m2 。 t h 图 3 水灰 比为 0 4 0混凝土试件中的钢筋极化 电阻曲线 由图 3可知， 水灰比为 0 ； 4 0混凝土试件中的钢筋极化电阻 随着时间的延长而呈减小趋势。 与水灰比为 O 3 5混凝土中的钢 筋极化电阻变化规律相比， 水灰比为0 4 O 混凝土试件的钢筋极 化电阻变化规律相近， 更为一致。 水灰比为 0 4 O两个混凝土试件 的最初 钢筋极化 电阻分别 为 7 2 x 1 0 n c m2 和 8 3 1 0 Q c m2 ， 两者相差 1 1 1 0 0 c m2 。 但是， 在最初的 1 5 h ， 试件 WB 0 4 1 和 WB 0 4 2的钢筋极化电阻都随着时间的增加呈直线下降； 当氯离 子渗透时间超过2 0 h后， 随着时间的继续增加， 两个混凝土试件 中的钢筋极化电阻变化浮动很小； 当氯离子渗透时间超过 2 5 h 时， 混凝土试件中的钢筋极化电阻约为 4 1 0 Q c m2 ， 极化电阻突 降至 2 7 1 0 Q c m2 左右； 当氯离子渗透时间超过 3 0 h后， 钢筋极 化电阻几乎不变， 且两者的钢筋极化电阻都接近 1 1 0 s Q c m2 。 0 5 10 l 5 Z 0 25 t h 图 4 水灰 b 为 0 4 5混凝土试件 中的钢筋极化 电阻曲线 由图4可知 ， 水灰比为0 4 5混凝土试件中的钢筋极化电阻 随着时间的延长整体呈减小趋势。 试件 WB 0 4 5 1和WB0 4 5 2 的最初钢筋极化电阻分别为 7 1 1 0 Q c m 和 8 7 1 0 o c m2 ， 两 者相差 1 6 x 1 0 s Q c m2 。 在氯离子渗透的最初 5 h ， 试件 WB 0 4 5 1 和 WB 0 4 5 2的钢筋极化电阻都随着时间的增加而略有增加； 随后两者的钢筋极化电阻都平稳减小； 当氯离子渗透时间超过 1 0 h后 ， 试件 WB0 4 5 1 和 WB0 4 5 2的钢筋极化电阻分别为 7 1 1 0 5 n c m2 和 7 2 1 0 Q c m2 ， 随着时间的继续增加， 两个混 凝土试件中的钢筋极化电阻都急剧减小， 降至 2 7 x 1 0 Q c m 2 ； 氯离子渗透时间超过 1 8 h后 ， 钢筋极化电阻变化很小， 且两者 的钢筋极化电阻都小于 1 1 0 n c m 。 对比图 2 4可知 ， 随着混凝土中氯离子的不断渗入 ， 钢筋 极化电阻不断下降， 依据混凝土致密程度， 孔隙结构等的不同， 极化电阻有不同的表现， 水灰比较小 ， 混凝土结构比较密实的 试件可以在开始的一段时间内随着氯离子的渗入仍保持较高 的 R 值 ， 并可以在此范围内稳定一段时间， 随后发生R 的迅速 下降， 如 O 3 5 水灰比的混凝土试件 ； 当试件水灰比较大时， 钢筋 在高 R 。 值范围内波动的时间明显变短， 图 4中水灰比为 0 4 5试 件的R 。 值几乎就是一直在下降。 2 2 矿物掺合料对混凝土 中钢筋极化 电阻的影响 单掺粉煤灰、 复掺粉煤灰和矿渣以及复掺粉煤灰和硅灰混凝 土试件中的钢筋极化电阻与试件的关系曲线分别如图5 7 所示。 t ， h 图 5 单掺粉煤灰混凝土试件中的钢筋极化 电阻曲线 由图5可知， 单掺粉煤灰混凝土试件中钢筋极化电阻的变 化趋势与图 2 相近。 试件 F A 1 和 F A 2中最初的钢筋极化电阻 分别为 8 0 1 0 Q e m2 和 1 0 2 1 0 Q c m2 o 在最初的 1 2 h内， 试 件 F A 1中的钢筋极化电阻变化不稳定， 先减小后增加 ， 而试件 F A 2中的钢筋极化电阻则逐渐增加； 当氯离子渗透时间超过 1 2 h 后， 试件F A 1 和F A 2中钢筋极化电阻则急剧减小， 试件 F A 1 中 的钢筋极化电阻由9 0 1 0 n c m2 下降至 6 4 1 0 5 n e m2 ， 而试件 F A 1 的钢筋极化电阻则由9 5 x 1 0 n c m2 下降至 5 8 x 1 0 5 Q c m ； 随后的 2 0 h内， 两者的钢筋极化电阻则缓慢减小， 且当氯离子渗 透时间达到 4 4 h时， 两者的钢筋极化电阻均为 4 4 x 1 0 5 Q c m2 ； 随 后的 1 4 h内， 试件 F A 1 和 F A- 2的钢筋极化电阻再次突然下降， 极化电阻下降至 2 7 1 0 s Q e m2 左右。 当氯离子渗透时间超过 4 8 h后 ， 两者 的极化 电阻变化较小 。 t h 图 6 复掺粉煤灰和矿渣混凝土试件中的钢筋极化电阻曲线 由图 6可知， 试件 S F 1和 S F 2中最初的钢筋极化电阻分 别为 8 0 1 0 n c m2 和 8 8 x 1 0 o c m2 。 在最初的 1 0 h内， 试件 S F 1 和 s F 2中钢筋极化电阻的减小幅度较大 ； 当氯离子渗透 时间超过 1 0 h后， 虽然试件 s F 1 和 s F 2中钢筋极化电阻的变 化规律较为复杂， 但是两者的钢筋极化电阻的变化范围都介于 4 8 x 1 0 s n c m 2 ； 当氯离子渗透时间超过 5 8 h 时， 两者的钢筋极 化电阻值突然下降。 3 O 9 8 7 6 5 4 3 2 1 一 g?a bH 一 、