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孙继成等： 多因素耦合作用下混凝土中氯离子传输的研究进展 5 多因素耦合作用下混凝土中氯离子 传输的研究进展 孙继成 ， 姚燕 ， 王玲 ， 吴浩 ( 中国建筑材料科学研 究总院 绿色建筑材料国家重点实验室 。 北京1 0 0 0 2 4) 【 摘要】 实际工程中， 氯离子引起的钢筋锈蚀是多种破坏因素共同作用的结果 ， 其它因素为氯离子的传输 和侵蚀创造了有利条件， 从而加速钢筋混凝土结构的劣化和失效。本文概述了应力、 冻融循环、 干湿循环及碳化 等多因素耦合作用下氯离子在混凝土中传输行为的研究进展 ， 并对进一步的研究进行了展望。 【 关键词】 多因素耦合 ； 氯离子； 传输机制； 混凝土 【 中图分类号】 T U 5 2 8 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 1 ) 0 4 0 0 0 5 0 3 钢筋混凝土中的钢筋锈蚀问题已在高速铁路、 跨江海 大型桥梁、 隧道 以及海港码头等基础设施建设中逐渐引起 钢筋混凝土工程界专家和政府部门的高度重视。氯离子 侵蚀是引起钢筋锈蚀 的主要原因之一 ， 氯离子在混凝土中 传输行为成为国内外学者关注的热点。然而， 混凝土的破 坏常常是各种物理、 化学和力学因素综合作用的结果， 各种 因素促进和加速混凝土的劣化和失效过程。海洋浪溅区和 除冰盐使用地区的混凝土除承受氯盐侵蚀外， 还可能受到 荷载作用、 干湿循环及冻融循环等多因素的破坏作用， 使混 凝土构件的安全性和耐久性下降。本文主要分析评价了应 力、 干湿循环、 冻融循环及碳化等多因素耦合作用下氯离子 在混凝土中传输的研究现状。 1 双因素作用下氯离子传输的研究进展 1 1 应力对氯离子传输的影响 随着人们对混凝土服役条件的认识加深， 应力、 氯离子 侵蚀作用下混凝土耐久性研究 已引起人们的重视 ， 国内外 学者就不同应力、 应力水平作用下的氯离子传输机制做了 大量研究工作。 S a i t o 等 研究发现轴向压力导致的微裂纹对混凝土氯 离子的渗透影响很小 ， 受 9 0 抗压强度应力的混凝土氯离 子渗透性几乎和按 9 0 加载后卸载的试件相同， 但 6 o 抗 压强度的循坏荷载却使氯离子渗透量快速增长。L i m 等 研究了单轴压缩荷载与氯离子渗透性之间的关系， 采用 A S T M C 1 2 0 2方法评价， 结果表明， 卸载后混凝土试件的电 通量受临界应力影响， 当荷载超过临界应力时， 电通量显著 增加 ， 氯离子渗透性增大。S c h n e i d e r _ 4 等通过对高性能混凝 土应力腐蚀的研究认为， 即使是高性能混凝土， 荷载同样会 基金项目】 国家重点基础研究发展计划资助项 目( 2 0 0 9 C B 6 2 3 1 0 6 ) 加速其化学腐蚀速度， 荷载水平越高， 加速作用越强。荷载 水平超 3 0 ( 弯曲荷载) 即有显著的加速作用， 超过 5 0 时 荷载引起的损伤超过化学介质的作用。 邢峰 研究认为荷载引起的氯离子渗透深度增长幅度 与荷载水平之间的关系可以用三次多项式来模拟。混凝土 中氯离子侵蚀速度在外界环境条件下主要取决于氯离子有 效扩散系数。而事实上， 施加应力对混凝土内部的微细裂 缝起到了抑制或扩展的作用。拉应力在混凝土中产生的微 裂缝使氯离子的扩散系数增大 ， 从而加快了氯离子的腐蚀 过程， 减小混凝土结构的使用寿命。相反， 压应力的作用会 使混凝土更加密实， 从而降低了氯离子的扩散速度。 陈好等 针对不同应力水平及服役年限的混凝土构件 进行氯盐渗透试验， 发现应力水平对混凝土中 c l 一 扩散分布 的影响比较明显。在相同服役年限下， 应力水平为0 5的混 凝土构件中其氯离子扩散速度要 比应力水平为 0 3的快得 多。图 1 为不同应力水平和服役年限的氯离子浓度分布。 0 0 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 1 0 渗透深度， m 5 1 0 “ 1 5 2 0 一 2 5 图1 不同应力水平和服役年限的氯离子浓度分布 袁承斌等 试验研究表明， 应力状态下的氯离子扩散 1 1 宋玉普 混凝土结构的疲劳性能及设计原理 M j E 京： 机械 工业 出版社 。 2 0 0 6 1 2 肖建庄， 等 高性能混凝土简支梁正截面的抗弯疲劳性能 J 建筑科学与工程学报， 2 0 0 8 ， 2 5 ( 1 ) ： 9 6 1 0 1 收稿日期】 2 0 1 0一 l 2 1 4 作者简介】 仲伟秋( 1 9 7 4一 ) ， 男， 长春人， 讲师， 博士。 研究方 向： 钢筋混凝土结构耐久性和水下不分散混凝土 性能。 6 低温建筑技术 2 0 1 1 年第 4 期( 总第 1 5 4 期) 系数与无应力状态下的氯离子扩散系数及所加名义应力值 存在相关关系， 经验公式如下： D = D + Al or + A 2 o r ( 1 ) 式中， D 为应力状态下氯离子扩散系数， 1 0 一m m2 s ； D 。 为无应力状态下氯离子的有效扩散系数 ， 1 0 m m s ； 为名义应力值 ， MP a ； A ， ， A 为经验系数。对压应力状态下受 压试件上表面分别为 0 0 8 4 4 6和 一 0 0 1 1 ， 受压试件下表面 分别 为 0 0 9 2 9 5和 一0 0 1 8 9 6 ， 拉应力 状态 下分 别为 一 0 0 1 2 5和 0 2 0 8 2 。 1 2 干湿循环对氯离子传输的影响 混凝土表层的干湿交替导致氯离子在混凝土中传输机 理十分复杂， 暴露条件不同， 氯离子侵入机理也不同。 姬永生等 研究发现， 干湿循环作用下混凝土表层的氯 离子含量远大于氯盐溶液浸泡混凝土表层的氯离子含量， 这 是由混凝土毛细管孔隙的吸收作用引起的， 且随着侵蚀龄期 的延长而不断增大。在干湿循环状态下， 氯离子在混凝土中 的传输速度取决于侵蚀介质的氯盐浓度、 干湿循环次数以及 湿润过程结束时与风干过程结束时的含水率差。 陈伟 通过对干湿循环过程的分析 ， 提 出了计算毛细 管吸入作用影 响深度和受影响区边界点 氯离子浓度的方 法， 在此基础上 ， 对 F i c k扩散模型的边界条件进行了修正， 并利用有限差分法对模型数值求解。实验证明， 该模型较 F i c k模型更为合理。 张奕等 通过实际工程检测结合基于机理分析数值模 拟研究干湿交替区域混凝土中氯离子分布随高程的变化规 律， 结果表明， 随高程增加， 氯离子侵蚀程度呈先加剧后缓 解的趋势， 在某一高程处氯离子侵蚀达到极值， 该区域应该 作为混凝土结构耐久性设计和维护的关键部位。 李春秋等 在干湿交替下表层混凝土内水分的不同传 输机理的基础上， 建立了干湿交替下表层混凝土内氯离子 传输模型。研究表明： 干湿交替下混凝土内氯离子入侵 比 永久浸没于氯盐溶液中的混凝土要严重得多。同时， 由于 混凝土对氯离子的强吸附性， 干湿交替下混凝土中氯离子 传输的影响深度小于水分传输。 金伟 良等 研究海水干湿交替区氯离子对混凝土结构 的侵入规律， 结果表明， 海水年浸润时间比例在 0 30 5之 间时， 平均表面氯离子含量和平均氯离子扩散系数都较大 ， 将可能对混凝土结构造成严重的侵蚀。 1 3 冻融循环对氯离子传输的影响 冻融循环作用既会使混凝土结构表面剥蚀， 同时也会 在混凝土内部产生微裂纹损伤。从而影响氯离子在混凝土 中的传输机制。 G 6 r a r d等 的试验结果表明， W C为0 4 5的非引气混 凝土经 3 l 、 6 l 、 9 5次冻融循环后， 混凝土的相对氯离子扩散 系数分别增大了约 1 5 、 3 5 、 7 5倍。这表明冻融损伤作用 会加速混凝土的氯离子扩散速度。余红发 通过盐冻和常 温下盐溶液浸泡的对 比试验研究了冻融作用对混凝土氯离 子扩散性能的影响， 认为冻融能够抑止氯离子的扩散 ， 因为 混凝土的氯离子扩散速度受温度影响明显 ， 温度越低 ， 氯离 子扩散速率越慢。H o n g等 副甚至认为混凝土中的氯离子 扩散作用在 一 1 8 C 会停止， 相比于冻融损伤的加速作用， 低 温对混凝土氯离子扩散的抑制作用占主导地位。 王锋 研究认为冻融循环使混凝土孔隙率增大， 它是混 凝土损伤的动力源， 为氯离子侵蚀创造更为有利的条件。冻 融次数越多， 氯离子侵蚀越严重。李毅等 引入冻融损伤因 子的概念， 利用损伤因子对氯离子扩散系数加以修正， 得到一 种同时考虑混凝土质量损失和内部损伤对氯离子传输影响的 冻融循环后混凝土中氯离子浓度分布的预测方法。 1 4 碳化对氯离子传输的影响 碳化与氯离子侵蚀是钢筋混凝土中引起钢筋锈蚀的两 种主要原因。正常环境下， 当 C O 和氯离子到达钢筋表面 后 ， 钢筋表面的钝化膜开始破坏， 钢筋开始锈蚀。目前 ， 关 于碳化和氯离子侵蚀双重作用对混凝土性能影响方面的研 究也已引起人们的注意。 白轲等_ l 副研究了 c 0 ： 对粉煤灰混凝土氯离子渗透性 能的影响。结果表明， 碳化作用提高了粉煤灰混凝土 2 8 d抗 压强度， 在标准养护条件下， 粉煤灰对混凝土抗氯离子渗透 性有改善作用， 而碳化作用使混凝土抗氯离子渗透性能明 显降低， 且此时粉煤灰的掺入更加增强了对混凝土抗氯离 子渗透性能的不利影响。 T u m i d a j s k i 等 研究表明， 硫酸盐 一 氯盐复合溶液中充 入 C O 气体， C O ：延缓了氯离子在普通混凝土中的渗透速 度 ， 但却加速了氯离子在矿渣混凝土 中的渗透速度。G o n i 等 通过掺加3 氯离子的静浆碳化实验表明， 碳化促进 了 F r i e d e l 盐分解， 但静浆中的自由氯离子并没有大量增加。 柳俊哲 、 P a p a d a k i s 等 通过掺入一定量氯盐的砂浆( 或 混凝土) 碳化实验表明， 碳化促进了 F r i e d e l 盐分解， 加速了 氯离子在混凝土中的渗透。 金祖权等 研究表明， 混凝土碳化后浸泡到腐蚀溶液中， 增加了混凝土中的氯离子含量， 提高了混凝土表观氯离子扩散 系数， 降低了混凝土对氯离子的结合能力。降低了混凝土中 F r l e d e l 生成量， 以及混凝土对氯离子的化学结合能力。 2 多因素耦合作用下氯离子传输的研究进展 在混凝土实际服役条件下， 除应力因素外， 影响混凝土 耐久性的因素还包括干湿循环、 冻融循环等其它因素， 而这 方面的研究相对较少， 对氯离子进入混凝土内部的机制还 没有取得完全令人信服的结论。 慕儒 对冻融循环与外部弯曲应力、 盐溶液复合作用 下混凝土进行了耐久性的研究， 结果表明外部弯曲应力加 速了混凝土在冻融循环过程中的相对动弹性模量损伤速 度， 应力比越高， 损伤速度越快。1 0 、 2 5 和 5 0 的外部 弯曲应力作用下， N P C混凝土的抗冻融循环次数为冻融循 环单一因素作用时的 3 0 、 8 和 4 左右。5 0 外部弯曲 应力与冻融循环同时作用下， 各水灰比混凝土几乎都处于 不稳定的状态， 经过很少次数的冻融循环就发生断裂破坏。 同时他还发现应力与冻融同时作用下混凝土的破坏形态与 冻融循环单独作用时有很大区别， 尤其应力比较高时， 大部 分混凝土试件都从中部断裂 ， 表现为突然的脆性破坏。多 孙继成等： 多因素耦合作用下混凝土中氯离子传输的研究进展 7 因素耦合加速了混凝土的失效过程， 且动弹性模量下降和 重量损失都有可能达到破坏标准 ， 引起破坏。 余红发等 基于除冰盐冻融、 火灾作用、 硫酸盐腐蚀、 海浪 冲刷或盐湖风沙磨蚀等其它耐久性因素对混凝土的叠加破坏 作用使结构表面发生的剥落现象， 推导出了考虑多种耐久性因 素作用下的混凝土表面剥落氯离子扩散理论模型。 c f = c o + ( c 。 一 C o ) l 1 一 e 4 k a lg ( b N + 1 ) ( 1 ) 2 K Oo T t o 丽 e q ( 七 一 十 。 m ) 。 ( 2 ) 式中， c 为自由氯离子浓度； c 。 为混凝土内初始氯离子 浓度； c 。 为混凝土暴露表面的氯离子浓度， 等于暴露环境介 质的氯离子浓度； D为氯离子扩散系数； m为经验常数； r 为温度； c t ， b ， C t 和d是由实验确定的材料特性参数。 上述模型公式可以看出， 在冻融循环和氯离子扩散渗 透共同作用下， 氯离子对混凝土的扩散渗透作用除了取决 于扩散深度、 混凝土特性和暴露条件以外 ， 还与冻融介质和 冻融循环次数有关。 以上研究根据混凝土材料所处的环境进行了一些多因 素的模拟试验及理论探讨， 在研究方法和试验手段上都有 了很多创新， 与混凝土材料在实际情况下所处的环境有了 一 些相似， 目 前多因素耦合条件下混凝土耐久性研究 日益 受到人们的重视。 3 待进一步研究问题 ( 1 ) 除了少数研究中是在加载过程中测试混凝土的 氯离子渗透性外， 其它都是在卸载状态下进行的， 或者没有 考虑干湿循环、 冻融循环对氯离子渗透的影响。 ( 2 ) 应力加载方法过于简单 ， 无法保持恒定应力； 或 者加载过于复杂， 难以进行多因素耦合试验。 ( 3 ) 多因素作用条件下侵蚀性介质传输机制不清晰， 仅从试验结果上进行简单描述。 ( 4 ) 目前还没有关于应力、 干湿和冻融循环共同作用 下的氯离子渗透试验研究， 对多因素作用下氯离子渗透的 机制分析和探索更是空白。 参考文献 施锦杰， 孙伟 弯曲荷载与氯盐耦合作用下混凝土中钢筋锈 蚀程度评估 J 硅酸盐学报， 2 0 1 0 ， 3 8 ( 7 ) ： 1 2 0 1 1 2 0 8 S a i t o M ， L s himo r i H C h l o ri d e p e r me a b i l i t y o f c o n c r e t e u n d e r s t a t i c a n d re pea t e d c o m p r e s s i v e lo a d i n g J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h， 1 9 9 5， 2 5( 4 ) ： 8 0 38 0 8 Li m C C，Go wr i p ala n N，S i ri v i v a t n a n o n VMi c r o c r a c k i n g a n d c h l o ri d e perme abi l i t y o f c o n c re t e u n d e r u n i a x i al c o m p re s s i o n J C e me n t a n d C o n c ret e R e s e a r c h ， 2 0 0 0， 2 2 ( 6 ) ： 3 5 33 6 0 。 S c h n e i d e r U。Ch e n S W B e h a v i o r of h i g h p e r f o r ma n c e c o n c ret e u n d e r a mm o n i u m n i t r a t e s o l u t i o n a n d s u s t a i n e d l o a d J A C I Ma t e ri Ms J o u rna l ，1 9 9 9 ， 9 6 ( 1 ) ： 4 7 5 0 邢锋， 冷发光， 冯乃谦长期持续荷载对素混凝土氯离子渗透 性的影响【 J 混凝土， 2 0 0 4 ， ( 5 ) ： 3 8 6 陈好， 刘荣桂 ， 付凯 冻融循环下海工预应力混凝土结构的耐 久性 J 建筑材料学报， 2 0 0 9 。 ( 2 ) ： l 7 2 1 7 袁承斌， 张德峰， 刘荣桂。 等 不同应力状态下混凝土抗氯离子 侵蚀的研究 J 河海大学学报， 2 0 0 3 ， ( 1 ) ： 5 O一 5 4 8 姬永生， 袁迎曙 干湿循环作用下氯离子在混凝土中的侵蚀过 程分析 J 工业建筑， 2 0 0 6 ， ( 1 2 ) ： 1 6 1 9 9 陈伟 ， 许宏发 考虑干湿交替影响的氯离子侵入混凝土模型 J 哈尔滨工业大学学报， 2 0 0 6 ， 3 8 ( 1 2 ) ： 2 1 9 1 2 1 9 3 1 O 张奕 ， 姚昌建 ， 金伟良干湿交替区域混凝土中氯离子分布 随高程的变化规律 J 浙江大学学报( 工学版) ， 2 0 0 9 。 4 3 ( 2 ) ： 3 6 0 3 6 5 1 1 李春秋， 李克非干湿交替下表层混凝土中氯离子传输： 原 理、 试验和模拟 J 硅酸盐学报， 2 0 1 0 ， 3 8 ( 4 ) ： 5 8 1 5 8 9 1 2 金伟良， 金立兵， 延永东， 等海水干湿交替区氯离子对混凝 土侵入作用的现场检测和分析 J 水利学报， 2 0 0 9 ， 4 0 ( 3) ： 3 6 43 7 0 1 3 G & a r d B ， M a r c h a n d J I n fl u e n c e of c r a c k i n g o n t h e d i ff u s i o n p r o p e r t i e s of c e me n t b a s e d ma t e ria l s P a r t I ：I n fl u e n c e of n ti n u - o u s c ra c k s o n t h e s t e a d y - s t a t e re g i m e J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h， 2 0 0 0， 3 0 ( 1 )： 3 7 4 3 1 4 余红发盐湖地区高性能混凝土耐久性、 机理与使用寿命预 测方法 D 南京： 东南大学， 2 0 0 4 1 5 H o n g K ， H o o t o nRD E ff e c t s of c y c l i c c h l o ri d e e x p o s u r e o n pen - e t r a t i o n of c o n c ret e c o v e r J C e me n t a n d C o n c ret e R e s e a r c h。 1 9 9 9 2 9 ( 9 ) ： 1 3 7 9 1 3 8 6 1 6 王锋 冻融作用对混凝土氯离子侵蚀影响的研究 J 国防 交通工程与技术， 2 0 0 9 ， ( 3 ) ： 2 42 5 1 7 李毅， 王显利， 马德宝， 等 混凝土冻融损伤后的氯离子浓度 分布预测 J 北华大学学报( 自 然科学版) ， 2 0 0 9 ， 1 0 ( 2 ) ： 1 5 31 5 5 1 8 白轲， 杨元霞碳化作用对混凝土强度及氯离子渗透性能的 影响 J 粉煤灰综合利用， 2 0 0 8 ， ( 6 ) ： 2 3 2 6 1 9 T u m i d a j s k i P J ， C h an GW E ff e c t of s u lf a t e and c a r b o n d i o x i d e o n c M o r i d e d iff u s i vi ty J C e me n t and C o n c ret e R e s e a r c h ， 1 9 9 6，26 ：5 5 1 2 0 G o n i S ， G u e r re re A A c c e l e r a t e d c a r b o n a t i o n ofF r i add 8 s a l t i n c a l c i u m al u m i n a t e c e m e n t p a s t e J C e m e n t a n d C o n c re te Re s e a r c h，2 0 0 3，3 3：21 2 1 柳俊哲 混凝土碳化研究与进展( 3 ) ： 腐蚀因子的迁移 J 混凝土 ， 2 0 0 6， 1 9 5 ( 1 ) ： 5 1 2 2 P a p a d a k i s V G， V a y g e n a s C G ， F a r d is M N F u n d a m e n ta l m ed- r i n g a n d e x p e ri m e n t a l i n v e s t i g a t i o n of c o n c re t e c a r b o n a t i o n J A C I Ma t e ri als J o u r n al，1 9 9 1 ， 8 8 ( 4) ： 3 6 3 2 3 金祖权， 孙伟 ， 李秋义碳化对混凝土中氯离子扩散的影响 J 北京科技大学学报， 2 0 0 8 ， 3 0 ( 8 ) ： 9 2 1 9 2 5 2 4 慕儒 冻融循环与外部弯曲应力、 盐溶液复合作用下混凝土 的耐久性与寿命预测 D 南京： 东南大学， 2 0 0 0 2 5 余红发， 孙伟 ， 麻海燕， 等 混凝土在多重因素作用下的氯离 子扩散方程 J 建筑材料学报， 2 0 0 2 ， 5 ( 3 ) ： 2 4 0 2 4 7 收稿日期】 2 0 1 0 1 2 1 1 作者简介】 孙继成( 1 9 7 6一) ， 男， 工程师， 博士研究生， 从事 水泥基复合材料的研究。 1 J 1 J 1 -1 J 1 J n