干湿循环条件下氯离子对钢筋混凝土材料的影响研究.pdf

2 0 1 0 年 第 2 期 (总 第 2 4 4 期 ) Nu mb e r 2 in 2 o l o ( T o t a l No 2 4 4 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THE0I TI CAL I t ES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 O 0 2 0 0 2 干湿循环条件下氯离子对钢筋混凝土材料的影响研究 卫军 ，王腾 ，董 荣珍 ，向发海 。余 志武 ，徐岳 ( I _中南大学 土木建筑学院 ，湖南 长沙 4 1 0 0 7 5 ；2 长安大学 公路学 院 ，陕西 西安 7 1 0 0 6 4 ) 摘要： 采用室内人工气候环境箱模拟干湿循环作用 ， 以研究氯离子侵蚀对钢筋混凝土材料性能变化的影响。沿氯离子侵蚀方 向， 在混 凝土内部不同深度以及试件侧壁不同高度处 ， 进行取样分析氯离子含量 。 结果表明 ： 沿侵蚀方 向， 距表层一定深度处氯离子含量有一峰值。 随着混凝土试件侧壁高度的下降， 氯离子含量逐渐增大 。在钢筋锈蚀率较低情况下 ， 锈蚀率与钢筋一 混凝土界面处的氯离子浓度成线性关 系， 可由此推算临界氯离子浓度。 关键词： 钢筋混凝土材料；干湿循环；锈蚀；I临 界氯离子浓度 中图分类号： T U5 2 8 O l 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 O ( 2 0 1 0 ) 0 2 0 0 0 4 0 3 I nflue nc i ng r e s e a r ch of c hl or i de on r e i n f or c ed c on c r et e mat e r i al unde r dr y -we t c y cl e WEJ u n ， W ANG T e n g ， DONG Ro n g - z h e n ， XI ANG F a h a i ， YU Z h i - wu ， X U Yu e 。 ( 1 S c h o o l o f C i v i l a n dA r c h i t e c t u r a l E n g in e e ri n go f Ce n tr a l S o u t h Un i v e r s i t y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 7 5 ， C h i n a ； 2 S c h o o l o f H i g h wa y E n g i n e e ri n g o f C h a n g a n U n i v e r s i t y ， Xi a n 7 1 0 0 6 4， C h in a J Abs t r ac t ： I n o r d e r t O s t u d y t he p r o p e r ty c h a n g e o f r e inf o r c e d c o n c r e t e ma t e ria l d u e t O c h l o rid e p e n e tra t io n， i n d o o r a r t i fic i a l c l i ma t e a n d e n v i - r o n m e n t e q ui p me n t wa s us e d t O s i mul a t e d r y - we t c y c l e Al o n g wi t l 1 t h e d i r e c t i o n o f c h l o r i d e p e ne tra t i o n c h l o rid e c o n c e n tra t i o n wa s m e a s u r e d a n d a n a l y z e d a t d i ffe r e n t d e p t h s wi thi n the c o n c r e t e a n d di ffe r e n t h e i g h t s o f s p e c i me n s i de wa l 1 Th e r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t a l o n g wi t h t h e d ir e c t i o n o f p e n e t r a t i o n p a th ， the r e wa s a p e a k o fc h l o rid e c o n c e n t r a t i o n a t a c e r t a i n d e p t h f r o m t h e s p e c i me n s u r f a c e Al o n g the s i d e wa l l h e i g h t r e d u c t i o n o f c o n c r e t e s p e c i me n s ， c h l o ri d e c o n c e n t r a t i o n i n c r e a s e d g r a d ua l l yI n t h e c a s e o f l o w r a t e o f s t e e l c o r r o s i o n， t h e l i n e a r r e l a t i o n s h i p wa s p r o v e d b e - t we e n t h e c o r r o s i o n r a t e a n d t h e c h l o rid e c o n c e n t r a t i o n i n s t e e l c o n c r e t e i n t e r f a c e， wh i c h c a n b e e x t r a p o l a t e d t h e c rit i c a l c h l o rid e c o n c e n t r a t i o n Ke y WOt dS ： r e inf o r c e d c o n c r e t e ma t e ria l ； d r y we t c y c l e ； c o rro s i o n； c rit i c a l c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n 0 引言 钢筋混凝土是由钢筋和混凝土组成的复合材料， 由于混凝 土材料具有孔隙结构 ， 周边环境中的氯离子会通过孔隙侵入材 料， 形成累积。当氯离子含量达到一定程度后， 混凝土中的钢筋 开始锈蚀 ， 不断生成的锈蚀物导致混凝土开裂， 从而影响到钢 筋混凝土材料的使用寿命。 本研究采用室内人工气候环境模拟箱试验技术， 通过模拟 干湿循环作用， 研究氯离子对钢筋混凝土材料性能变化的影响。 重点研究氯离子的侵蚀规律以及钢筋的锈蚀条件。 1 试件制作及试验 方案 1 1 试 件制作 试件尺寸为 1 8 0 m mx l 8 0 m mx 4 0 0 r n n l ， 下部配置 2根 +1 6 钢筋， 钢筋端头焊接导线。 试件脱模后在室内洒水养护 2 8 d 。 对 试件表面采用环氧树脂做密封处理， 只留下一个侧面和底面作 为侵蚀面进行试验研究。 配制试件的混凝土强度等级为 C 3 0 ， 配合比为水泥： 水： 砂： 石= 1 ： 0 5 5 ：2 8 ： 1 6 5 。采用湖南湘乡水泥厂生产的 P O 4 2 5级水泥； 湖南湘江河砂 ， 细度模数为 2 4 ， 最大粒径 3 mm； 湖南长沙市郊 产碎石 ， 最大粒径 1 0 F f u n 。 导 4 、 到 400 密 盐溶液 图 1 试 件制作示意图( 单位： mm) 1 2 试 验制度 在人工气候环境模拟箱内进行干湿循环。干湿循环制度 ： 1 2 h 为一个循环， 湿时用 5 的Na C 1 溶液从上向下均匀喷淋4 h ， 温度控制在( 2 5 5 ) ； 干时电加热 8 h ， 温度控制在( 6 0 5 ) ， 收藕 日期：2 0 0 9 一 1 0 1 6 基金项目：交通部西部交通科技项目( 2 0 0 6 3 1 8 2 2 3 0 2 0 4 ) ； 铁道部重大科技项目( 2 0 0 8 G 0 3 l 一 1 8 ) ； 国家自 然科学基金重点资助项目( 5 0 5 3 8 0 7 0 ) 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 湿度控制在( 5 0 5 ) 。环境箱示意如 图 2 。 图 2人工气候环境模拟箱 1 3试件 取样 及测 试 以干湿循环 1 0 d为取样周期 ， 沿 氯离 子侵蚀方 向 ， 测 量距 试件表面不同深度处的氯离子 含量 。用岩石 切割机进行切 片 ， 依次 从 0 5 mm、 5 1 0 mm、 1 0 2 0 mm、 2 0 3 0 r n l i l 、 3 0 - 4 0 n -l l -l l 、 4 0 5 0 mm六层取样。 收集各层粉末作为该层的代表样品， 研磨 至全部通 过 0 6 0 r n m 的筛 。 然 后将样 品置 于( 1 0 5 5 )烘箱 中烘 2 h ， 取H 。 后放人 干燥 器中冷却 至室 温。参照 J T J 2 7 0 9 8 水运T程混凝土试验规程 l 1 l 中的相关规定 ， 测定混凝土中砂 浆的水溶性氯离子含量 。 2 试验 结果与分析 2 1 干湿循环作用下氯离子含量分布 图 3为不同侵蚀周期下混凝土内部不同深度处氯离子浓 度分 布 ， 从各时期分布叮看 ， 随时 间增加 ， 各层氯离子含 量递 增 。在距 离混凝土 表层约 1 c m处 ， 氯离子浓度会出现 峰值。从 峰值向内， 氯离子含量递减。 姜 毛 0 1 0 20 3 0 40 50 60 深度 mtn 图 3 氯离子含量随试验周期的变化 这是因为处于干湿交替环境下的混凝土构件， 氯离子向其 中的渗透主要靠直接接触外界溶液的混凝土毛细管吸收作用。 当风干时水分向外蒸发， 使混凝土表层孔隙液中盐分浓度增高， 从而驱使盐分在浓度差作用下向内部扩散。氯离子就在这种混 凝土反复干湿过程 中不断 向混凝土 内部迁 移【2 】 。故在表层对流 区和内部扩散区之间， 会出现一个峰值。峰值前， 表层氯离子的 渗透主要受对流和扩散的耦合作用， 其中反复干湿过程中的毛 细管吸收作用是主导因素 ； 峰值后 ， 内部氯离子的渗透浓度差 扩散是 主导 因素 3 。 本试验所测得的结果较相关文献【 4 氯离子含量偏高 ， 是因 为本试验干湿循环制度为每天 2个循环， 循环次数多， 干时温度 可达 6 0， 作用强度大。风干程度越高， 毛细管吸收作用就越 大 ， 使表层孔隙液中盐分浓度增高， 从而促进了内部扩散作用， 造成了更深的氯离子分布。 H u n k e l e r 在 1 9 9 4年 对暴露于去冰盐水 中的交通廊道后墙 的氯离 子分布做了调查 ， 发 现混凝土的干湿循环加速 了氯离 子 的侵入， 并且在离表面一定深度处氯离子浓度有一个峰值四 。这 与本试验取得的试验曲线吻合， 说明本研究采用的试验方案能 很好的模拟实际工程环境 。 2 2 沿试 件侧 壁 高度 氯 离子分 布 沿试件侧壁上部( 2 c m) 、 中部( 9 c m) 、 角部( 1 6 c m) 处， 分 别取 样 ， 测试 沿侧 壁 高度方 向氯 离子 含量分 布 。测试结 果如 图 4、 5所示 。 深度 mm 图 4 干湿循环 3 0 d试件侧壁沿高程氯离子分布 深度 mm 图 5 干湿循环 6 0 d试件侧壁沿高程氯离子分 布 对比3 0 d和 6 0 d干湿循环作用下， 试件侧壁沿高度氯离子 含量分布， 发现上部氯离子最少， 角部氯离子最多。从上到下 ， 各层含量递增。 特别是峰值氯离子， 3 0 d上部达 0 5 0 7 ， 中部达 0 5 4 6 ， 角部达 0 5 8 8 。原因是在喷淋过程， 滴水顺着试件侧 壁从上而下流过 ， 越往下会有短暂的堆积停留过程。混凝土表 面有一个液压水头， 压力梯度作为驱动力， 促进了氯离子以压 力渗流方式进入混凝 土。结构下部的孔隙液含量大于上部 ， 渗 流及扩散等作用都得到加强， 促进了氯离子的侵入。角部是氯 离子侵 蚀最严重 的部位 ， 因为此处遭受 氯离子二 维侵蚀 ， 故角 部钢筋 的防锈应该予以重视。 2 3 临界氯 离子浓度 钢筋附近混凝土孔 隙液中的游离氯离子超过一定含量 时 ， 钝化膜发生破坏 ， 钢筋开始锈蚀， 该阈值称为临界氯离子浓度。 有害离子浓度达到钢筋临界锈蚀的状态作为混凝土构件极限 破损状态之一 ， 常被认为是构件耐久性寿命终结的标志。故临 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 界氯离子浓度对于预测结构的使用寿命和剩余寿命具有十分 重要的意义。 但现实中， 因为钢筋起锈时刻难以判定， 故临界氯 离子浓度不易精确测量。 本试验假定混凝土 内钢筋表面处 的氯离子聚集均匀 ， 且钢 筋产生均匀锈蚀。选取钢筋发生锈蚀但锈蚀率较低的试件， 通 过取样测试钢筋一 混凝土界面处氯离子浓度 ， 破型后测试钢筋锈 蚀率 ， 统计 了不同钢筋锈蚀率下的钢筋一 混凝土界面处氯离子含 量 ， 如 图 6 所示 。 誊 瞧 吡 键 赠 蟥 钢筋 锈蚀率 图 6 钢 筋锈蚀率与钢筋周 围氯离子含量关系 根据试验结果， 在本试验条件下( 钢筋锈蚀率较低， p 1 5 ) ， 钢筋锈蚀率与钢筋表面氯离子含量存在着较好的线性关系， 相 关系数为 0 9 1 ， 估算离差为 0 O 1 3 。根据数据拟合， 钢筋一 混凝 土界 面处氯离子浓度与钢筋锈蚀率存在 以下关系 ： C = 0 1 2 6 2 0 + 0 2 4 ( 1 ) 式中： G 一钢筋一 混凝土界面处氯离子含量 ， 占混凝土质量百 分 比， ； p 一钢筋锈蚀率， 钢筋质量损失率， 。 由此， 可计算钢筋初锈时刻的临界氯离子含量， 即线性方 程的截距 ， 钢筋锈蚀率为 0时， 临界氯离子含量约占混凝土质 量的 0 2 4 ， 即占水泥质量的 1 4 4 。 此外 ， 在试验过程 中， 还测试 了混凝土 中钢筋的 自然电位 。 当循环进行 了 2 0d左右时 ， 钢筋 自然电位达到一 3 5 0mV。当 自 然电位小于一 3 5 0 mV时 ， 可认为钢筋有 9 0 的锈蚀可能性 。 此 时测得 的钢筋周围氯离子含量为 1 7 6 ， 但 电化学测量得到的阈 值比实际偏高。 按照 Gl a s s 的研究成果， 认为临界氯离子含量分 布范围较广， 以氯离子含量占水泥用量的百分比表示， 从 0 1 7 到 2 5 t lc 综合各方面看， 本试验通过数据拟合推算出的氯离子临界 含量值是合理的 ， 结合 电化学测试 ， 可用 于混凝 土 内钢筋状态 0 的判断 。 3结语 ( 1 ) 干湿循环， 在混凝土表层一定深度处， 氯离子含量有一 峰值。峰值前， 表层氯离子渗透， 毛细管吸收作用是主导因素； 峰值后， 内部氯离子渗透， 浓度差扩散是主导因素。试验结果与 实际情况吻合， 说明本试验所采用的人工气候环境箱能很好的 模拟实际工程干湿交替环境下的氯离子侵蚀。 ( 2 ) 随混凝土试件侧壁高度 ， 越往下， 氯离子含量越高。角 部尤 突出， 属二维侵蚀。 ( 3 ) 假定氯离子均匀达到钢筋表面， 在钢筋锈蚀率较低时 ( 本试验条件下p 1 5 ) ， 钢筋锈蚀率与钢筋一 混凝土界面处氯 离子含量存在着较好的线性关系。由此可推算临界氯离子浓 度 ， 结合电化学测试结果 ， 可对未出现宏观破损的混凝土内部 钢筋状态给出判断。 参考文献 ： 1 J _r J 2 7 O 9 8 ， 水运工程混凝土试验规程 s 1 9 9 8 2 洪定海 混凝土中钢筋的腐蚀与保护【 M 】 北京 ： 中国铁道出版社， 1 9 9 8 3 张奕氯离子在混凝土中的输送机理研究 D 】 杭州： 浙江大学， 2 0 0 8 4 卫军， 余壕， 董荣珍， 等 干湿循环条件混凝土内氯离子输运试验拟 合与分析 IJ 1 东南大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 6 ， 3 6： 1 5 0 - 1 5 3 5 Ha n s B o h n i C o r r o s i o n i n 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 【 M】 L o n d o n： Wo o d h e a d c o mp a n y 6 J G J T 1 5 2 -2 0 0 8 ， 混凝土中钢筋检测技术规程【 s 】 北京： 中国建筑工 业 出版社 ， 2 0 0 8 7 GL A S S G K， B U E A F E L D N R C h l o r e d e p e n e t r a t i o n i n c o n c r e t e M P a ris ： RI L EM ， 1 9 9 7 8 宋晓冰， 孔启明， 刘西拉普通硅酸盐混凝土中临界氯离子浓度的试 验研究 土木工程学报， 2 0 0 7 ( 1 1 ) ： 5 9 6 3 作者简介 ： 单位地址 ： 联系电话 ： 卫军( 1 9 5 7 一 ) ， 男， 教授， 博士生导师， 研究方向： 混凝土结 构基本理论和结构 耐久性 。 长沙韶山南路2 2 号( 4 l 0 o 7 5 ) 0 7 3 1 8 2 5 3 9 7 5 2 墨四圃 中联重科加入欧洲工程机械租赁协会 今年 1 月初， 中联重科成功加入欧洲工程机械租赁协会( E u r o p e a n R e n t a l As s o c i a t i o n ， 简称 E R A) ， 这是国内工程机械制造企业 首次成功加入 E R A。 随着中联欧洲子公司的成立， 中联重科进一步加强对欧洲市场的投入， 作为 目前为止第一家， 也是唯一一家加入欧洲工程机械 租赁协会的中国工程机械制造企业， 中联重科将与卡特彼勒( C AT ) 、 凯斯( C AS E) 、 J C B、 纽荷兰( NE WHO L L AN D) 、 阿特拉斯科普柯 ( A T L A s C O P C O) 等全球工程机械著名品牌一起， 为欧洲丁程机械租赁市场提供优质服务。在欧洲市场， 工程机械的世界级高端市 场 ， 设备租赁业尤为发达， 中联重科成功加人欧洲工程机械租赁协会， 将大大拉近中联重科与设备租赁业客户群体的距离， 推动中 联重科在欧洲市场的拓展。 据悉， 欧洲工程机械租赁协会( E RA ) 是以欧盟范围内工程机械租赁商为主， 包括全球优秀工程机械制造商的行业组织， 旨在推进 欧洲工程机械租赁行业的发展， 制定行业标准并推动欧盟相关立法， 目前共有 1 0 0多家来自欧洲和美国等地区与国家的会员单位。 中联欧洲子公司于 2 0 0 9年在比利时安特卫普成立。中联重科欧洲子公司的成立， 为中联重科欧洲物流中心的建设 ， 也为未来 欧洲售后服务中心、 代理商培训支持中心的建设奠定了良好基础。 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m