混凝土劣化与渗透性相关性研究.pdf

第 3卷第 1 期 2 O O 6年 2月 铁道科学与工程学报 J OURN AL OF R AI l W A Y S ClENCE AND ENGI NEE RI N G V O 1 3 NO 1 F e b 2 0 o 6 混凝土劣化与渗透性相关 性研究 刘运华 ( 郴州市建设工程安全管理监督站， 湖南 郴州 4 2 3 0 0 0 ) 摘要： 针对混凝土劣化的主要原因与机理， 研究了混凝土碳化、 水和盐溶液备件下的冻融破坏、 硫酸盐物理结晶破坏与混 凝土渗透性之间的相关关系 研究结果表明： 混凝土的劣化与混凝土的渗透性能密切相关， 以混凝土渗透特性作为基本参 数评价和预测混凝土的劣化行为具有可行性。 关键词 ： 混凝 土劣化 ； 渗 透性 ； 耐久性 中图分类号： T U 5 2 8 0 1 文献标识码： A 文章编号： 1 6 7 27 0 2 9 ( 2 【 x 】6 ) 0 1 0 0 8 0 0 3 S t u d y o n t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n c o n c r e t e p e r me a b i l i t y a n d d e t e r io r a t i o n U U Yu n h u a ( S t a t i o n o f l n s p e c l i o n a n d S u p e r v i s e o f Q u a l i t y o i 。 C o n s t ruc t i o n E n g i n e e rin g ，C h e n z h o u 4 2 3 0 0 0 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n d a m a g e s o f c o n c r e t e s s u c h a s c a r b o n a t i o n，t h a w a n d f r e e z e u n d e r w a t e r a n d s a l t S O l u t i o n c o n d i t i o n ，s u l f a t e c r y s t a l l i z a t i o n c o r r o s i o n a n d a b r a s i o n a n d p e r me a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s w e re ana l y z e d i n d e t a i l R e s u h s i n d i c a t e t h a t t h e r e e x i s t s a c l o s e r e l a t i o n s h i p b e t we e n c o n c ret e d e t e ri o r a t i o n and i t s p e r me a b i l i t y I t f o l l o w s t h a t p e n e t r a t i o n c h a r a c t e ri s t i c p a r a me t e r c a n b e u s e d t o e v a l u a t e t h e d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e Ke y wo r d s ： c o n c r e t e d e t e r i o rat i o n； p e rm e abi l i t y ； d u r abi l i t y 混凝土是应用最广泛的建筑材料之一 ， 混凝土 与钢筋的独特结合使混凝土材料的应用领域大大 拓宽。然而 ， 由于缺乏对混凝土长期性能的了解 以 及恶劣环境条件的影响 ， 混凝土结构出现了严重问 题。全世界每年对混凝土工程的维修费用难以估 计 I 。引起混凝土结构劣化的原因很多l l I 6 J ， 如由 于碳化和氯离子的渗透使钢筋发生腐蚀， 冻融破坏 作用， 硫酸盐侵蚀， 碱骨料反应等； 此外， 材料使用、 设计不当， 没有足够的质量保证 ， 养护不足等都会 使混凝土结构的使用寿命减少。目 前， 用以估算已 有结构的剩余服务年限或新建结构的耐腐蚀性能 研究， 都把有害介质进入混凝土中的渗透特征作为 混凝土劣化过程的控制因素l 。然而， 混凝土的耐 久性是一个非常复杂的课题。在此， 作者针对混凝 土劣化的主要原因 ， 研究混凝土碳化 、 冻融循环破 坏、 硫酸盐结晶侵蚀破坏以及磨蚀性能与混凝土渗 透性能的相互关系， 分析混凝土孔隙率与渗透系数 之间的相关性 。 1 混凝土碳化深度与其渗透系数之 间关系 碳化不仅导致混凝土内部孔溶液中的 p H值下 降， 而且还可能会造成钢筋表面的保护层溶解， 引起 钢筋发生腐蚀。C 也可以与混凝土中的铝酸盐及 CS H产物反应， 使凝胶分解成 C a C O s 以及无定 型硅胶的多孑 L 结构。混凝土碳化后的孔结构改变， 影响混凝土与侵蚀离子的化学结合能力。可能导致 混凝土中化学结合和物理吸附的 C l 一 能释放出来， 增加了自由 C l 一 的数量。混凝土碳化很可能是大多 数严重腐蚀问题的主要原因之一。 碳化是 C O 2 通过混凝土表面向内部扩散的过 程。混凝土碳化速率主要受扩散到孑 L 系统中的 收稿 13期 ： 2 0 0 51 2 2 5 作者简介： 刘运华( 1 9 6 8 一) ， 男。 湖南衡南人 ， 高级工程师， 从事建筑材料研究 维普资讯 http:/ 第 1 期 刘运华 ： 混凝土劣化与渗透性相关性研究 8 1 c 0 2 影响 ， 混凝土中 c 0 2 的浓度梯度可以作为 c f h 迁移的驱动力。显然 ， 碳化过程与t 昆 凝土渗透性有 密切联系。图 1 所示为混凝 土渗透性能与按现行 国家标准中加速碳化 2 8 d 条件下普通水泥混凝土 碳化深度之间的相关性结果。可见， 用 2 8 d 氯离 子渗透系数( R C M方法， 以下同) 表示的混凝土渗 透性能与混凝土碳化深度存在 良好 的线性关系， 随 着渗透系数的增大 ， 混凝土碳化深度逐渐增加。另 有资料表明， 气体渗透 系数测定 的? 昆 凝土渗透性能 同样与混凝土快速碳化条件下碳化深度存在显著 的线性关系， 这表明不管是采用气体渗透系数还是 氯离子渗透系数表示的混凝土渗透性能均与混凝 土碳化深度存在良好的线性关系。这可从混凝土 碳化的机理得到合理的解释， 混凝土的渗透系数增 大， 表明 C O ， 在混凝土中的扩散速度加快， 因而其 碳化深度增加。 2 混凝土冻融破坏性能与渗透系数 之间的相关性 混凝土在冻融作用下的破坏是一个非常复杂 的现象， 混凝土冻融破坏的作用机理主要有以下几 方面： 毛细孔在冻害作用下引起的水压力差； 凝胶 水向毛细管的扩散 ； 局部收缩及膨胀而产生的应变 差； 毛细管孔中盐溶液部分受冻而产生的渗透压。 冻害作用的发展 主要取决于毛细管孑 L 中水的饱 和 程度以及混凝土 内部孑 L 结构特征l 7 j 。混凝土中孔 径分布控制冻融循环条件下的破坏程度， 存在于毛 细管孔中可冻水的数量也起着非常重要的作用。 试验研究表明， 在盐溶液下的冻融循环造成的混凝 土破坏更为严重。因此 ， 从混凝土冻害引起的因素 及其发生机制 ， 混凝土的冻害与其 内部孔结构参数 密切相关 2 1 雠 聪 1 舔 1 2 3 4 5 氯离子渗透系 ( 1 O m 2 8 ) 图 l 混凝士渗透系数与碳化深度之间的关系 F i g 1 R e l a t i o n s h i p b e t w ee n p e r me a b i l i t y c o e ffi c i e n t a n d d e p th o f c a r b o n a t i o n o f c o i l c l t e 图 2所示为普通混凝土和掺矿物掺合料混凝土 在水和盐溶液 中快速冻融循环条件( 现行国家标准 快冻法) 下 ， 混凝土相对动弹模量损失率与2 8 d时混 凝土渗透l生 能相关性的试验结果。可见， 不管是在 水中还是在盐溶液中快速冻融循环， 随着混凝土氯 离子渗透系数增大， 混凝土冻融前后 的相对动弹模 量损失率逐渐增加 ， 即混凝土的抗冻融循环破坏的 能力降低。表明混凝土的抗冻性能与其氯离子渗透 系数存在较好的相关关系。混凝土氯离子渗透系数 大， 表明在饱水过程中混凝土中的含水量多， 即混凝 土中的可冻水多， 因而在冰冻条件下产生的冻融破 坏作用大。因而， 混凝土的抗冻性能下降。 3 混凝土抗硫酸盐结晶破坏性能与渗 透系数之间的关系 在混凝土孔中硫酸盐盐类结 晶的纯粹物理作 用( 不包括对水泥的化学作用) 可以引起严重危害。 羹 藿 羹 藿 40 20 0 C l 一 渗透系 ( 1 O i n - s l 1 1 2 3 4 5 6 C l 渗透系数 l 0 m ) 图2 混凝土在不同条件下冻融循环后其相对动 弹模损失率与混凝土渗透系数的关系 ( 其中渗透系数为4 8 91 0 。 。 r n 2 s 的混凝 土冻融 1 7 5次， 其余均为3 (3 0次) F i g 2 R e l a t i o nsh i p b e t w e e n p e r me a b i l i t y c o e f fi c i e n t an d r e l a t i v e d y n a mi c m o d u l u s l o s s r a t i o o f c o n c r e t e u n d e r v a r i o us f r e e z et h a w c y c l e s c o n d i t i o n s 维普资讯 http:/ 8 2 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 O 6 年 2 月 在潮湿状态 下， 混凝土通过毛细作用吸收可溶性盐 溶液 ， 在干燥条件下， 盐溶液经蒸发浓缩而析晶。 该过程使毛细管产生很大结晶压力而导致混凝土 破坏。这种主要由物理作用引起 的侵蚀破坏 ， 其速 度远比化学侵蚀破坏的大。表明混凝土内毛细管 孔的结构参数是影响混凝土抗硫酸盐结晶破坏的 主要因素之一。混凝土盐类结晶物理膨胀侵蚀具 有普遍性的特点。图 3 所示为采用现行砂石坚固 性试验方法配制饱和硫酸钠溶液， 于室内干湿循环 ( 一个干湿循环为 2 4 h ) 9 o次前后混凝土相对抗折 强度变化率与 2 8 d 混凝土氯离子渗透系数之间的 相关关 系。结果表明 ， 随着混凝 土 2 8 d龄期氯离 子渗透系数的增加， 混凝土的相对抗折强度变化率 线性增大。混凝土的氯离子渗透系数与混凝土抗 硫酸盐物理结晶破 坏性能之间具有明显的线性相 关性 。 C l 一 渗透系数， ( 1 0 m 2 B 一 ) 图3 C 1 。 渗透系数与混凝土抗硫酸盐结晶破坏 性能之间的关系 F i g 3 Re l a t i o n s h i p b e t w e e n p e r me a b i l it y c o e ff i c i e n t a n d r e s i s t a n c e t o s u l f a t e c r y s t a l l i z a t i o n o f c o n c ret e 研究结果表明， 混凝土碳化深度、 抗冻融循环 破坏、 抗硫酸盐物理结晶侵蚀均与混凝土渗透性能 存在明显的相关性， 这种相关性可从混凝土的微观 结构分析得到合理解释 8 。另有研究结果表明： 混 凝土的其他劣化行为， 如磨蚀深度也与混凝土的渗 透特性存在密切关系_ 9 J 。混凝土是一个多孑 L 系统， 外部环境中液体、 气体或离子等有害介质能够进入 混凝土体内， 这些侵蚀性介质进入混凝土体内的难 易程度主要取决于混凝土自身的渗透特性。进入 混凝土结构内部的液、 气以及离子会与混凝土组分 或空隙中的水分发生物理化学作用。这种作用与 混凝土材料( 结构) 性能的退化或劣化密不可分。 分析混凝土单因素破坏作用与混凝土渗透性关系 的结果进一步证明混凝土渗透特性与其耐久性之 间的密切联系。因此， 渗透特性参数能够较为充分 地体现混凝土的耐久性能。 4 结论 1 )结合外部介质在混凝土的迁移特征和混凝 土的内部结构参数， 分析各腐蚀作用与混凝土特征 参数之间的关系， 对于合理评价混凝土结构的耐久 性并寻求表征混凝土耐久性的综合参数具有重要 意义。 2 ) 混凝土抗碳化、 抗冻融破坏、 抗硫酸盐物理 结晶侵蚀性能均与混凝土的渗透性能密切相关。 采用以混凝土渗透特性作为评价其耐久性的综合 参数具有可行性。 参考文献： 1 Me h t a P K， Mo n t e r i o P J C o n c r e t e s t r u c t u r e ，p r o per ti e s a n d m a t e r i a l s ( s e c o n d e d i t i o n ) M N e w J e r s e y ：P r e n t i c e H a l l ， 1 9 9 3 2 】 索默 高性能混凝土的耐久性： 高强混凝土一 微观特征 及有关耐久I生问题 M 北京： 科学出版社， 1 9 9 8 ： 9 1 7 S o m o D u r a b i l i t y of h i s h perf o r m a n c e c o n c r e t e ：hi s h s t r e 啦；t h c o n c r e t e - c h a r a c t e ri s t i c ofmi c r o s t mc t u r eand d u r a b i l i t y p mb - l e ml M J B e i j i n g ： S c i e n c e P r e s s ，1 9 9 8 ： 9 一l 7 3 覃维祖 混凝土耐久性研究的现状和发展动向 J 建 筑技术 ， 2 0 0 1 ， 3 2 ( 1 ) ： 1 2 1 5 Q I N We t Z U S t a t e of t h e a r t of c o n c re t e d u n ,b i l i t y r e s e a wh J C o n s t r u c t i o n T e c h n o lo g y ， 2 0 0 1 ， 3 2 ( 1 ) ： 一1 5 4 J G a r b o c z i E J P e rme abi l i t y ，d i ff u s i v i t y and m i c ros t r u c t u r a l p a t a me t e m，a c ri ti c a l rev i e w J C e me n tC o n c r e t e R e s e a r c h， 2 O： 5 9 16 0 1 5 B a s h e e r L A s s e s s m e n t ofth e d u r a b i l i t y of c o n c r e t e f ro m i t s per m e a t i o n p roper t i e s ： a rev i e w J Const r u c ti o n and B u i l d - i n g Ma t e r i a l s 。2 0 0 l 。1 5 ： 9 3 1 0 3 6 K r o p p J R e l a ti o nsh i p s bet w een t m mp o r t c h a r a c t e ri s t i c s a n d d u r a b i l i t y ，per f o r m a n c e c ri t e ri a f o r c o ncre t e d u r a b i h t y M 1 9 9 5： 1 2 7 1 2 8 1 7 J F a g e r l u n d G T h e i n t e r n a t i o n a l c o o per a ti v e t e s t o f the c r i ti c al d e g r e e of s a t u r a ti o nme tho dof a s s e s s i n gthef r e e z e t h a w r e s t s t a i l c e of c o n c re t e J M a t e r i al s and S t r u c t u r e ，1 9 7 7 ，1 0 ： 5 8 8 李淑进， 赵铁军， 吴科如 混凝土渗透性与微观结构关 系的研究 J ? 昆 凝土与水泥制品， 2 o o 4 ( 2 ) ： 6 8 L t S h u - j i n ， Z H A O T i e - j u n ， WU K e m R e l a ti o n s h i p betwe e n c o n c ret e per m e abi l i t y a n d m i c r o s t mc t u r e J C o n c re t e a n d C e m e n t P r o d u c t s ， 2 0 o 4 ( 2 ) ： 68 9 j D hi r N e a r s u r f a c e c h a r a c t e ri s t i c s o f c o n c re t e ： abr a s i o n re s i s t a n c e J M a t e ri a l s and S t r u c t u r e ， 2 4 ： 1 2 21 2 8 枣、 瞥水辑 释辖档智罂 维普资讯 http:/