海砂混凝土中钢筋锈蚀机理及其防治.pdf

6 低温建筑技术 2 0 1 0年第 1 2期( 总第 1 5 0期 ) 海砂混凝土 中钢筋锈蚀机理及 其防治 周海华 ， 张振文 ， 贺智敏 ， 柳俊哲 ( 宁波大学建筑工程与环境学院。 浙江宁波3 1 5 2 1 1 ) 【 摘要】 通过对宁波地区海砂淡化厂里海砂的调查， 探讨了海砂混凝土中钢筋的锈蚀机理及氯离子扩散 规律， 提出了海砂混凝土中钢筋锈蚀的防治措施。 【 关键词1 海砂； 海砂混凝土； 氯离子； 钢筋锈蚀 【 中图分类号】 T U 5 2 8 0 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 0 ) 1 2 0 0 0 6 0 2 ANALYS I S 0F REBAR CoRRoS I oN M ECHANI S M S E A S AND CoNCRETE AND PREVENT E M EAS URES Z HO U Ha i h u a， Z HA NG Z h e n w e n，HE Z h i mi n ，L I U J u n z h e ( D e p a r t m e n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g， N i n g b o U n i v ， Z h e j i a n g N i n g b o 3 1 5 2 1 1， C h i n a ) Abs t r ac t： Ba s e d o n t h e i n v e s t i g a t i o n o f t h e s e a s a nd i n t h e s e a s a n d d e s a he d p l a n t s i n Ni n g b o，t h i s a r t i c l e d i s c us s e d t he r e b a r c o r r o s i o n me c h a n i s m a n d t he c h l o r i d e i o n d i fl u s i o n r u l e s i n t he s e a s a n d c o n c r e t e，p r o p o s i n g p r e v e nt i v e me a s u r e s f o r t h e r e b a r c o r r o s i o n i n t he s e a s a n d c o n c r e t e Ke y wo r d s： s e a s a n d；s e a s a n d c o n c r e t e；c h l o r i d e i o n；r e ba r c o r r o s i o n 钢筋混凝土的耐久性是一个广受关注的问题， 钢筋锈 蚀是影响混凝 土耐久性的主要 因素之一 。宁波地 区海砂 应用于钢筋混凝上已有很多年的历史。海砂中含有的氯化 物是引起钢筋锈蚀的主因。将于2 0 1 0年 l 2月 1日起执行 的行业标准 J G J 2 O 6 2 o l o ( 海砂混凝土应用技术规范 对混 凝土中海砂氯离子含量有明确规定， 要求少于 0 0 3 的含 量。在这之前， 宁波市地方法规规定海砂中氯离子含量分 三个等级 ， 分别 为 0 0 6 、 0 0 2 、 0 O 1 ， 相应 等级对 应不 同混凝土强度等级 。 1 宁波地 区海 砂特征 海砂各项指标因不同的影响因素而有所差异。课题组 通过对宁波市几家海砂淡化企业取得海砂进行检测 ， 得到 的各项指标见表 l 、 表2 。 表 1 海 砂的级 配及细度模数 表 2 海砂的含泥量 、 贝壳含量及氯离子含量 注： 表小海砂种类取 自部分具有 代表 厂家 。 2氯离子 引起钢筋锈蚀的机理 海砂混凝土中钢筋锈蚀其实是一个多因素藕合的复杂 过程 ， 可分为 内因和外 因。内 因是混凝 土 内部的 氯离子 含 量、 孔隙特征、 水化程度、 C A含量、 保护层厚度、 p H值等； 外 因包括温度、 湿度、 碳化、 受荷特征、 酸碱盐环境等一系列因 素。这些因素不是独立的， 它们之问相互影响相互作用于 混凝土 内部 ， 最终在这些 多因素的藕合 下造成混凝 土劣化 、 钢筋锈蚀 ， 最终导致海砂混凝土的耐久性严重下降， 造成 “ 海砂屋” 这一后果， 也一度造成人们闻海砂屋色变。 钢筋锈蚀的过程是一系列的电化学过程， 氯离子在钢 筋的锈蚀过程中扮演了催化剂的作用。混凝土的微观结构 中的硬化水泥浆体 由水泥水化物、 未水化水泥颗粒、 自由 水、 空气等组成， 其中的自由水和混凝土孑 L 隙中由外部侵入 的水分为钢筋锈蚀提供电化学溶液 ， 自由氯离子、 氧分子、 铁离子等反应物质在其中自由反应， 其电化学方程： F e +2 C1 一+4 H2 0 F e Cl 2 4 H2 0 基金项目 国家自然科学基金资助项目( 5 1 0 7 8 1 8 9 ) ； 宁波市自 然科学基金资助项 目( 2 0 1 0 A 6 1 0 0 8 4 ) 用海华等 ： 海砂混凝士 巾钢筋锈蚀机删及其 胁治 7 F e C 1 2 4 l 2 0 F e ( O H) 2 i+2 C 1 一+2 H + 2 H 2 0 F e ( O H ) 2+ 0 2+t t 2 0一 - n F e 2 O 3 mt t 2 0( 红锈 )+F e 3 0 4 ( 黑锈) 其 中的 F e ( O H) 还 可 以 与水 分 中 的氯 离 子 生 成 F e ( O H) C 1 ， F e ( O H) C 1 可以与水和氧气进一步反应生成铁锈： F e ( O H) c l +O 2 +H 2 0 + F 2 O 3 mH 2 0+H C 1 氯离子造成海砂混凝土中钢筋锈蚀可分三步进行 ： 第 一 步是在钢筋表面聚积到一定浓度， 在这一过程 中通过局 部酸化的作用降底钢筋表面附近? 昆 凝土的 p H值， 最终达到 钢筋锈蚀的氯离子临界浓度值， 致使达到这一浓度值附近 的钢筋表面钝化膜破坏； 第二步是在钢筋表面形成锈蚀原 电池， 未破坏钝化膜的位嚣与钝化膜破坏的位置形成 电位 差， 变成原电池 ， 出现坑蚀现象； 第三步是氯离子在这一电 化学反应过程中周而复始， 最终使蚀坑连成 一片， 铁锈积少 成多， 造成海砂混凝= 七出现顺筋开裂等一系列劣化现象。 这一过程中氯离子的催化作用体现在两个方面： 一方 面是参与铁锈生成的化学物质过程， 生成中间产物； 另一方 面是氯离子在电化学溶液中扮演着润滑剂的作用， 它的存 在大大减小了电化学溶液的电阻， 在电化学方程式中可以 看出氯离子在参与反应后会出现 H C 1 形态 ， 它可以进一步 降底钢筋附近的 p H值， 加速了铁锈的生成。 3氯离子扩散特征 在氯离子引起钢筋锈蚀的过程中注意到氯离子在钢筋 表面达到一定浓度才能 出现钢筋 锈蚀 。在海砂 混凝土 中氯 离子的扩散特征也就决定 了它在混凝土中间的浓度分布。 氯离子的扩散特征的影响因子是多方面的。 3 1 湿度对氯离子扩散的影响 湿度包括 混凝 ： 内部湿 度 和外部 湿度。有研 究表 明 j ， 混凝土内部湿度在早龄期内有明显的梯度， 其变化规 律见图 】 。 混 凝 土深 度 ， c m 图 1 不同龄期混凝土内部湿度随深度的变化规律 在海砂混凝土拌合初期， 研究表明 ： 除了海砂在拌合 时溶于水的氯离子外， 还有一部分氯离子被水泥浆体包裹 在海砂表面， 存在一个从海砂表面到水泥凝胶内部的渗透 过程。由此可见海砂? 昆 凝土在成型初期其内部的氯离子浓 度不是均匀分布的 ， 它在海砂颗粒与水泥浆体之间存在梯 度差。在这个梯度差之下 ， 海砂表面的氯离子逐渐扩散开 来， 初步形成一个均匀分布的局面， 尔后 ， 在混凝土内部湿 度变化的影响下开始由外层向里层扩散的过程。 外部湿度主要是养护过程中的水， 在养护的过程中， 水 向混凝土内部渗透， 混凝土内部吸附在孔隙壁上的游离氯 离子溶于自由水中， 部分向附着的水泥浆体内部渗透， 一 部分随水分向混凝土内层渗透。在渗透的过程 中， 部分氯 离子遇到钢筋阻隔聚积在钢 筋附近 ， 形成 氯离子聚集 。 3 2 碳化对氯 离子扩散 的影 响 混凝土碳化时氯离子会从碳化区向未碳化区进行迁 移， 并在碳化区前端的未碳化区域产生浓缩现象 。氯离 子在混凝土水化的过程中形成与 C A结合成 F n e d e l 复盐、 物理吸 附和游离 三种形 态 ， 在混凝 土碳 化区域 F fi e d e l 盐 会 分解出游离氯离子， 游离氯离子在渡度差的推动下向未碳 化 区域 迁移。在碳化的作 用下 ， 氯离 子会 向钢筋 附近聚积 ， 最 终开启钢筋的锈蚀之旅 。 3 3 其它因素对海砂混凝土中氯离子扩散的影响 从钢筋锈蚀的电化学反应方程式中可以得知水和氧气 在其中扮演了至关重要的作用。影响混凝土内部水分和氧 气含量的因子很多， 包括周围环境的影响； 混凝土内部的孔 隙率 ， 孔隙率大的， 连通孔多的， 结构构件受力情况越复杂， 产生的裂缝越多， 水汽、 氧气和氯离子向钢筋附近渗透的量 就越 多 ， 渗透 的时 间也就越 短。 4防治措施 造成海砂混凝土中钢筋锈蚀原因是多方面的， 防治措 施可以依据其各种因素提出不同的对策。 4 1 海砂 的处理措施 海砂处理的 目的就是降氯， 根椐 国家规范的要求使海 砂中氯离子含量达到规范要求。降氯方法有海砂 自然放置 法 、 淡水冲洗法、 机械法和混合砂法 ， 目前沿海地区， 尤其在 宁波地区， 海砂基本上是通过淡水冲洗法进行降氯。 4 2 混凝土的处理措施 混凝土的处理措施有： 混凝土施工质量， 尽量降低孔 隙率， 减少水汽、 氧气的入侵； 煤灰、 矿渣 和硅灰等掺合 料 ， 这些掺加料有两个作用， 一是提高混凝土的密实度， 二 是 C A含量较普通水泥高 ， 化学结合氯离子数量多， 有利于 海砂混凝土内部游离氯离子含量的减少； 掺加阻锈剂。 这一方法实际工程证 明是一种有效遏制钢筋锈蚀的手段 ， 不过因其造价较高， 对于一般性的建筑工程来说 ， 许多建设 单位对其不进行选用。混凝土表面涂抹防腐层。通过混 凝土表面的处理 ， 阻隔空气中的水汽、 氧气及氯离子等一些 腐蚀性的物质进入混凝土内部。 4 3 钢筋的处理措施 钢筋处理后主要是隔绝氯离子等一些有害物质与钢筋 的接触。处理方法常见的主要有两种 ： 钢筋表面涂防腐涂 料和钢筋表 面镀锌处理 。 4 ， 4 其它的处理措施 生物方法处理海砂中的氯离子。这一方法只是一个美 好的愿景， 据美国 探索 杂志报道， 有科学家发现脱氯菌， 它能够吞噬含氯化合物， 我们可以这样想象， 在未来的某一 天我们不用再为海砂含氯离子而苦恼 ， 在一堆海砂 中我们 只要加一些脱氯菌， 过不了几天 ， 海砂就会变成“ 河砂” 。 5结 语 嗫 8 低温建筑技术 2 0 1 0年第 l 2期 ( 总第 1 5 0期 ) 膨润 土在高碱环境 中的反应变化特征 陈 ( 1 同济大学 岩土工程重点 实验室 。 上海 陈萍 2 同济大学 地下建筑与工程系 ， 上海2 0 0 0 9 2 ) 【 摘要】 膨润土具有高膨胀性、 低渗透性以及优良的核素吸附能力， 被选为高放废物处置库的缓冲回填材 料。然而， 作为处置库主要建造材料的混凝土会随着时间衰退分解产生高碱性溶解物， 与地下水形成高碱性孔隙 水， 膨润土会与之反应， 使得孑 L 隙结构和性能发生较大的变化而影响处置库的封闭性。本文分析了膨润土和高碱 性孔隙水的反应过程以及两者之间反应的主要影响因素， 总结出高碱性环境中膨润土的反应变化特征。 【 关键词】 膨润土； 高碱性孔隙水； 膨胀性 ； 渗透性 【 中图分类号】 T U 4 4 3 【 文献标识码】 A 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 0 ) 1 2 0 0 0 8 0 3 THE VARI ATI ON oF BENToNI TE S UBM I T I ED To HYPER ALKALI NE ENVI RoNM ENT CHEN Ba o _ CHEN P i n g ( 1 K e y L a b o r a t o r y o f G e o t e c h n i c a l a n d U n d e r g r o u n d E n g i n e e r i n g o f Mi n i s t ry o f E d u c a t i o n ， T o n i U n i v ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ， C h i n a ； 2 D e p t o f G e o t e c h n i c a l E n g i n e e ri n g ， T o n g j i U n i v ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： Be n t o n i t e wa s c h o s e n a s t h e b a c k fil l a n d bu f f e r ma t e ria l f o r h i g h l e v e l r a d i o a c t i v e wa s t e i n d e e p g e o l o g i c a l d i s p o s a l ， for i t s h i g h s we l l i n g ， l o w p e r me a b i l i t y a n d e x c e l l e n t r a d i o n u c l i d e a d s o r p t i o n c a p a c i t y Ho we v e r ， a s t he ma i n c o n s t r u c t i o n ma t e ria l ， c o n c r e t e wi l l d e c l i n e o v e r t i me， pr o d u c e h y p e r a l k a l i n e s o l u t e， a n d form h y p e r a l k a l i n e p o r e wa t e r wi t h u n d e r g r o u nd wa t e r Be n t o n i t e wi l l r e a c t wi t h the p o r e wa t e r ， a n d l e a d t o s i g n i fi c a n t a l t e r a t i o n i n s we l l i ng， pe rm e a b i l i t y a nd p o r e s t r u c t u r e Th e r e a c t i o n be t we e n b e nt o n i t e a n d h y p e r a l k a l i n e p o r e wa t e r c a n b e d i v i d e d i n t o t h r e e s t a g e s ， a nd c o mp o s i t i o n a n d c o n c e n t r a t i o n o f p o r e wa t e r a r e t h e k e y f a c t o r s wh i c h ha v e g r e a t i n flu e nc e s o n t he r e a c t i o n Ke y wo r d s： b e n t o n i t e； h y p e r a l k a l i n e p o r e wa t e r ； s we l l i n g； p e r me a b i l i t y 0 前 言 深地质处置被国际上公认为处置高放废物最有效可行 的方法。我国深地质处置的概念模型拟采用多重工程屏障 系统， 包括废物固化体、 废物容器、 外包装和缓冲材料。在 多重工程屏障系统 设计 中 ， 废 物 罐埋进 巷道后 回填 膨 润土 目前， 海砂混凝土在我们国家并不是一个陌生的词汇， 国家 出台的 海砂混凝土应用技术规范 也既将实施 ， 这些证明 我 国对海砂应用于混凝 土有了一套 成熟的处 理机制 。但海 砂在实际应用的过程中我们许多的建造商在良心与利益面 前选择了利益。所 以更先进更行 之有效 的海砂混凝 土应用 技术有待我们科研工作者的努力与创新。 参考文献 1 洪乃丰 海砂对钢筋混凝 土的腐蚀 与对策 J 混 凝土 ， 2 0 0 2 ， ( 8 ) ： l 2一l 4 作为缓冲材料 ， 利用其高膨胀、 低渗透以及优良的核素吸附 等特性保障处置库的封闭性， 同时在处置库的建设中需要 使用大量混凝土， 以确保处置库封闭性的有效发挥。 然而 ， B e r n e r ( 1 9 9 2 ) 、 S a v a g e ( 2 0 0 2 ) 和 O l a K a r n l a n d ( 2 0 0 7 ) m 研究发现 ， 混凝土 会随 着时 间逐步衰退 分解产生 2 黄瑜 ， 祁锟， 等 早龄期混凝土内部湿度发展特征 J 清华大 学学报 ( 自然科学版 ) ， 2 0 0 7 ， 4 7 ( 3) ： 3 0 9 3 l 2 ( 3 刘军， 邢锋， 等 模拟海砂混凝土中氯离子扩散研究 J 混凝 土 ， 2 0 0 8 ， ( 3 ) ： 3 3 3 5 4 柳俊哲 混凝土碳化研究与进展( 3 ) 一腐蚀因子的迁移 J 混凝土 ， 2 0 0 6 ， ( 1 )： 5 1 5 4 收稿 日期 2 0 1 0一 O 8 2 3 作者简介 周 海华 ( 1 9 8 6一) ， 男 ， 湖南邵 阳人 ， 硕士研究 生， 研究方 向： 混凝土耐久性 。 卫 ， O 宝嬲