模拟大气中氯离子在混凝土中扩散的盐雾试验研究.pdf
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1、2 0 1 0 年 第 2期 (总 第 2 4 4 期 ) Nu mb e r 2 i n 2 0 1 0 ( To t a l No 2 4 4) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THE 0RETI CAL RES EAI _H 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 2 0 1 0 模拟大气中氯离子在混凝土中扩散的盐雾试验研究 阎西康。冀轶超 ,李志猛 ( 河北工业大学 土木工程学院 ,天津 3 0 0 1 3 2 ) 摘要: 滨海大气中的钢筋混凝土结构遭受到了氯离子而侵蚀破坏, 但是在国内外都没有
2、引起足够的重视。 根据模拟滨海环境的盐雾腐 蚀试验的研究成果, 阐述了氯离子在混凝土内部的扩散规律, 为正确评估钢筋混凝土结构在滨海环境中的耐久性和制定相关混凝土结构 的耐久性设计规程提供理论依据 。 关键词 : 滨海环境 ; 昆 凝 土结构 ;氯离子 ;腐蚀 中图允类号: T U5 2 8 叭 文献标志码 : A 文章编号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 2 0 0 3 2 0 3 Sa l t f og e x per i men t r es ea r c h on diffus i on o f s i mul a t i on o f a t mos
3、phe r e c hl or i de i on s per me a t i ng i n t o c onc r e t e Y AN Xi - k a n g, J l Yi c h a o, L IZ h i - mc 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 , He b e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , T i a n j in 3 0 0 1 3 2 , C h i n a ) Abs t r a c t : T h e c o n c ls tr
4、u c t u r e s a r c c o r r o d e d a n d e v e n t u a l l y d e s t r o y e d b y t h e c h l o r i d e i o n s i n t h e c o a s l e n v i r o n me n t , wh i c h i s n o t a t t r a c t e d e n o u g h a t t e n tio n s in d o me s t i c a n d e x t e r n a 1 T h i s p a p e r e l a b o r a t e
5、s t h e d i ff us i o n r ul e s o f t he c h l o rid e i o ns p e r me a t i n g i n t o t h e c o n c r e t e int e r i o r a c c o r d i n g t o t h e r e s e a r c h r e s u l t s o f t h e c o r r o s i o n t e s t o f t h e s a l t f o g s i mu l a t i o n, wh i c h wi l l p r o v i d e s u g
6、g e s t i o n s for e v a l u a t i n g the d u r a bi l i t y o f the s t r u c t u r e s i n c o a s t a l e n v i r o n me n t an d wo r king o u t r e l a t e d d u r a b i l i ty c o d e s of c o n c r e t e s t r u c t ur e Ke y wor ds : c oa s t a l e n v i r o n me n t ; c o n c r e t e s t
7、r u c t u r e ; c h l o rid e i o n; c o r r o s i o n 0 引 言 滨海环境 中, 由于海水 的蒸 发 , 潮 湿的大气 中夹带着 大量 的电离态氯离子l l1 。在漫长的使用过程当中, 氯离子会随着海 风、 海雾等方式吸附到混凝土表面, 并通过扩散作用进入到混 凝土内部。一般的钢筋混凝土结构具有良好的耐久性 , 但是当 氯离子渗透到混凝土结构内部后, 会导致结构的承载力破坏和 结构的过早失效 , 由此带来的损失也是十分 的巨大r2 j 。 目前, 国内外学者主要是针对海水中的氯离子腐蚀进行研究, 对于滨海大气中氯离子能够引起混凝土结构腐蚀
8、还没有引起 太多的重视, 但是一些工程实例表明了研究该问题的重要性。例 如浙江舟山某小区 1 楼, 1 9 9 5年 l 2月竣工但在 1 9 9 9年底被拆 除 , 经过调查发现 引起此 次事故的主要原因就是滨海大气所含 氯离子进入混凝土内部造成腐蚀破坏3 _ 。本文采用盐雾模拟手 段 , 研究氯离 子在 混凝土 中的扩 散 , 为 正确 评估钢筋混凝土结 构在滨海大气环境中的耐久性和指导生产实践提供理论依据。 1 试验 简介 1 1 试验 方案 本试验的目的是通过制造盐雾环境腐蚀钢筋混凝土梁试 件 , 对不同水灰 比的条件下的c l 一 扩散加以研究, 建立混凝土结 构在盐雾环境中的侵蚀模
9、型。本次试验共设计了 l 0根试验梁, 梁 的截面尺寸为 1 0 0 mmx l 2 0 rai n 。将试验梁共分为 5 组 , 每组 粱分别由水灰 比 O 5 6和 0 5 0的 2根梁组 成。试验时, 将其 中的 l 组梁留作试验对比梁, 其他 4 组放入盐雾试验箱中进行周期腐 收稿 日期 :2 0 0 9 - 0 9 - 2 4 3 2 蚀。试验梁腐蚀结束之后 , 分层检测不同部位混凝土内的氯离 子总含量进行分析, 研究氯离子在混凝土内部的扩散规律。 1 2 试 验材料 试验采用由天津滨海汉拿混凝土有限公司生产的预拌混 凝土, 其具体的配合比参见表 1 。 表 1 试件混凝土配合 比及
10、强度等级 1 3喷 雾方案 喷雾共分 4个周期, 每个周期 4周。为了加速混凝土试件 的腐蚀速度, 模拟干湿循环的实际环境, 每周六 日开箱晾干 2 d 。 试验时采用间断喷雾的方式, 以 1 h为周期, 喷雾 2 0mi n匍歇 4 0 mi n , 以保持盐雾箱内的盐雾浓度。 参考一年当中沿海地区的 平均气温 , 将试验 时的温度设定为 2 0 。本次试验 的 1 O 根梁根 据腐蚀周期的长短编号如表 2 所示。 表 2 试验梁编号 1 4盐 水浓度 的确定 自1 9 8 6年 5月至 1 9 8 7 年 7 月, 浙江省建筑科学设计研究 院采用湿蚀装置在舟山地区岛屿, 历时 2年多的布点
11、、 采样、 分 析试验过程, 得到临海大气氯离子含量值翻 , 参见表 3 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 3 舟 山地 区的氯离子含量 距海岸距离 m 年月平均值 ( 肛 ( c m d) ) 2 1 0 0 1 4 0 1 1 1 3 O 1 0 8 5 6 3 9 9 8 本试验以距 海岸 1 0 0 m 的氯离 子浓 度为基准 , 模 拟现实 中 被腐蚀近 2 0 年的混凝土结构 , 结合盐雾箱的喷雾速度和盐雾箱 容积 , 经过换算得到试 验用盐水浓 度约 为 1 1 。 1 5试 验 方 法 试验过 程中 , 由于盐雾 会发生沉 降 , 所 以将
12、 试验梁 的侧表 面作为盐雾腐蚀 的研究对象 。试验过程 中, 以 5 n ml 为模量 , 分 别对距梁表 面 5 、 1 0 、 1 5 、 2 0 、 2 5 mm之 内的氯离子总含量进行检 测分析 , 具体 的检测方法参照规 范 J T J 2 7 O 一9 8 水运 T程混凝 土试验规程 的相关条款进行。 2 试验 结果及分析 2 1 混 凝土 的腐蚀 现 象 总体上 看混 凝土的抗 腐蚀性能还是很强 , 只有经过 4个周 期 的腐蚀之 后 , 混凝 土试 件的表层才出现 了由于腐蚀而 产生 的 疏 松破坏现 象。其中有少数严重腐蚀 的混凝 土表面 , 只需用铁 片轻轻刮擦便可以把受
13、腐的混凝土粉末刮下 , 甚至少数表面的 字迹也 町以用手搓掉 。混凝 土试件表 面破坏 的现象 以图 1中的 试块最为突 , 图 1 中的试块 与梁 A 同时放入盐雾箱接受腐蚀 , 是 梁 A 的强度检验试块 之一 。 图 1 被腐蚀的混凝土表面 众所周知 , 水泥经过水化作用 , 将砂子和碎石黏结到了一起 , 形成坚硬的混凝土 , 可以承担很大的作用力 。然 而, 由于水分的 蒸发 、 硬化过程 中收缩 的不均匀 、 混凝土 的徐变 、 温度应力 等原 因会造成混凝 土在微观上存在大量的孑 L 洞和裂隙 。当氯离子通 过这些渠道渗入混凝土时 , 会对混凝土结构产生两种形式的破坏 : 一 种是
14、溶于水 中的游 离态 氯离子在水分蒸发后 , 以结 晶的形 式 析 出, 随着析出氯盐 晶体 的增多 , 其产生的结晶应力会超出混凝 土 的极限抗拉承载力, 造成混凝 土表面的剥蚀与开裂。另一种则 是游离态氯离子与水化产物铝酸三钙通过化学 反应 生成 F r i e d e l 盐 , 不仅改变了混凝土内部的结构 , 而且会 由于 F r i e d e l 盐体积 比 qA大数倍而引起混凝土的破坏 。正是这两种破坏 的共同作用 , 导致了试验试件表层混凝土发生氯盐腐蚀破坏。 该现象说 明处在滨海 大气 环境 中的表层混凝 土 , 会 随着 时 间的推移而发生腐蚀破坏 ,从而使得结构中钢筋的保
15、护层变 薄 , 进 而威胁到结构 的整体耐久性 。 就本次试验的结果看 , 2 0年 后 的混凝土结构表 面混凝 土会变得疏松易剥落 , 轻者必定影 响 结构的外观, 重者则会导致钢筋的锈蚀而使结构的承载力下降。 如果想使结构的寿命达到 5 O 年甚至更长, 就必须要给处于滨海 环境的混凝土建筑物做外部防腐处理, 并定时进行检修。 2 2 混凝土 中的氯离子总含量变化特征 处于滨海 大气 中的混凝 土 , 其 内部的氯离子总量会随着时 间的增长不断积累。本次试验采用化学方法, 分别测取了距离 试验梁表面不 同深度处的氯离子含量 , 见图 2 、 3 。 薹 血l 抽 : 幽 H 褪 8 0 距
16、 梁表面距 离 mm 图 2梁 A的氯离子总含量 图 距 梁 表 面距 离 mm 图 3 梁 B的氯离子 总含量 图 从 图 2 、 3中可 以看 到混凝 土内 的氯 离子总量 随着腐 蚀周 期的增多 而呈 现 出增长 的趋势 ( 含量 曲线 与坐标 轴 围成 的面 积增 大 ) , 并且 总量随着距 离梁 表面位 置的加 深而减 少 。 如果 出去 0 5 mm这层氯离子含量 , 总体上看氯离子 的含量曲线近似 于一条直线变化 , 且这种线性趋势随着混凝土 内部 氯离子总含 量的增加而越发 的明显。目前 混凝土的腐蚀研究普遍采用 F i c k 第二扩散定律 , 而该定律的一个主要假设就是氯
17、离 子是按照线 性扩散的方式进入到混凝土内部。由于基于本次试验数据的氯 离子 含量 曲线 图展现 出 了线性 变化趋 势 , 所 以就可 以得 出结 论, 研究滨海大气中的混凝土氯离子腐蚀同样可以采用 F i e k第 二扩散定律 。由于本次试验得 到的数 据并 不是很多 , 还不能够 建立出像受海水浸泡条件下的混凝土氯离子腐蚀模型, 但作为 对滨海大气条件 下的有益探讨 , 为今后研究提供参考 。 2 3 氯离子扩散深度特性 对于混凝土的氯离子腐蚀研究 , 氯离子 的扩散深 度是一个 十分重要的研究内容, 还是判断钢筋锈蚀时间的主要依据。目 前, 国内现行的 G B 5 0 0 1 0 -2
18、 0 0 2 ( 混凝土结构设计规范 中规 定: 对于普通混凝土结构, 其内部的氯离子含量最高限值为 O 1 , 所以将 0 1 作 为氯离子渗透深度 的前沿。 通过对试验数据的整 理 , 运用线性 插值法 , 可 以得到氯离 子在混凝 土内部 的扩散深 度 , 如 图 4所示 。 35 g 3 0 黑2 5 2 O 送 1 5 蚓 1 0 5 0 腐 蚀J 剞期 次数 图 4氯离子渗透深 度图 图 4中可以看到, 氯离子的渗透深度随着腐蚀周期的增长 而逐渐加深。而渗透深度的增长总体上可以分为两个阶段: 第 一 阶段为渗透深度越变阶段 , 该阶段的持续时间大约是 1 个腐 蚀周期 。 图 中显
19、示 , 在盐雾箱 中放置 1 个周期以后 , 梁 A和梁 B 3 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 的氯离子渗透深度从腐蚀之前的 0 n l n q 突变到 1 5 I 1 I l l 。第二个 阶段为渗透深度平缓发展阶段 , 该阶段的持续时间很长, 本次 试验并没有得到其限值时间, 有待于进一步研究。本I 殳 的特 点是, 各个周期之间的氯离子渗透深度差异不大, 基本呈现线 性增长的趋势, 这也从另一个角度应证了前一个小节的结论。 氯离子的渗透深度之所以会出现两个发展阶段, 主要与混 凝土内部的微观结构有关。腐蚀前期, 混凝土内部存在大量的裂 缝和孔隙, 所
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