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再碱化修复后混凝土微观结构变化及机理研究.pdf

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资源描述

1、第 1 4卷第 2期 2 0 1 1年 4月 建筑材料学报 J 0URNAL OF B UI L DI NG MATE RI ALS Vo 1 1 4。 NO 2 Ap r , 2 0 1I 文章编号 : 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 1 ) 0 2 0 2 6 9 0 6 再碱化修复后混凝土微观 结构变化及机理研究 熊 焱 , 屈 文 俊 , 吴 迪 。 ( 1 华南理工大学 亚热带建筑科学 国家重点实验室 , 广东 广州 5 1 0 6 4 1 ;2 同济大学 土木工程学院 , 上海 2 0 0 0 9 2 ; 3 广州大学 工程抗震中心 , 广东 广州 5 1 0 4

2、5 0 ) 摘 要 :对 电化 学再碱 化后 混 凝土微 观 结构 变化 进行 了试 验研 究 结果表 明 : 电化 学再碱 化 对 混凝 土 的比孔隙率、 平均孔径和平均比表面积有显著影响 电化 学再碱化后混凝土的界面结构 明显改善 , 有害孔隙减少, 密实性和耐久性提高 另外, 对电化 学再碱化后混凝 土微观结构 变化的机理分析研 究表 明 : 电场作 用与 混凝 土的传 输特 性 、 微 观 结 构相 互影 响 、 相 互制 约 关键 词 : 混 凝 土 ; 碳 化 ; 再碱 化 ; 微 观 结构 ; 机 理 中图分 类号 : TU3 7 5 3 文献 标 志码 : A d o i :

3、1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 1 0 2 0 2 4 S t u dy o n t he M e c ha n i s m o f Co nc r e t e M i c r o s t r u c t u r e Cha n g e a f t e r Re a l k a l i z a t i o n Re p a i r XI ONG Ya n , Qu We n - j u n 。 , W己 , D 。 ( 1 S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f S u b t r o p i c a

4、 l Bu i l d i n g S c i e n c e ,S o u t h Ch i n a Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y,Gu a n g z h o u 5 1 0 6 4 1, C h i n a ;2 De p a r t me n t o f Ci v i l En g i n e e r i n g,To n g j i Un i v e r s i t y,S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2,C h i n a ;3 Ke y La b o r a t o r y o f Ea r t h q u

5、 a k e E n g i n g e r i n g a n d Ap p l i e d Te c h n i q u e o f Gu a n g d o n g Pr o v i n c e ,Gu a n g z h o u Un i v e r s i t y ,Gu a n g z h o u 5 1 0 4 0 5 ,C h i n a ) I Abs t r a c t :I n t hi s pa p e r ,t h e c o nc r e t e m i c r os t r uc t ur e c ha n ge a f t e r r e a l ka l i

6、z a t i o n r e pa i r ha s be e n s t u di e d b y e xpe r i m e nt The r e s ul t s i n di c a t e t h a t r e a l ka l i z a t i on h a s l a r ge i mpa c t o n p o r e s i z e di s t r i bu t i o n a n d p or o s i t y o f t h e c o n c r e t e Af t e r r e a l k a l i z a t i o n t h e t o t a

7、l p o r e v o l u me i s d e c r e a s e d,g e l p o r e s c o v e r ma j o r i t y o f t h e t o t a l ,a n d t he c o nc r e t e mi c r o s t r uc t ur e b e c ome s ve r y c omp ac t I t i nd i c a t e s t ha t r e a l ka l i z a t i on c a n i mpr o v e mi c r os t r uc t ur e a n d i mpr o v e

8、t he du r a bi l i t y o f c o nc r e t e Ac c o r di n g t o t he a n a l ys i s a nd s t ud y o f t h e m e c h a ni s m of c on c r e t e m i c r os t r uc t u r e c ha ng e a f t e r r e a l ka l i z a t i o n r e p a i r ,i t i ndi c a t e s t h a t t h e r e a r e mut u a l i n f l ue nc e , m

9、 u t ua l r e s t r i c t i o n a nd i n t e r a c t i o n a m o n g e l e c t r i c f i e l d, t r a ns m i s s i on c h a r a c t e r i s t i c s a nd c o n c r e t e mi c r o s t r u c t u r e ,wh i c h s h o ws t h a t e l e c t r o c h e mi c a l r e a l k a l i z a t i o n i s a v e r y c o mp

10、 l e x p r o c e s s o f p h y s i c s a n d c h e mi s t r y Ke y wo r ds :c o nc r e t e;c a r b on a t i o n;r e a l ka l i z a t i on;mi c r o s t r u c t u r e;me c ha n i s m 混凝土是一种典型的多孔介质材料 , 孔 隙分布 错综复杂 , 孔径分布较广 1 , 其宏观力学性能由孔隙 率和孔径分布等微观结构决定 。 文献E 4 研究表 明 , 混凝土的渗透性 由孔隙率、 孔径分布以及 骨料一 基体界面区的矿物组成等

11、决定 文献E 5 研究表 明, 混凝土损伤与细观孔洞结构之间存在明显的对应关 系, 有害孔洞尺寸与分布因冻胀 而产生的改变将直 接导致结构松散恶化 在对遭受碳化侵蚀破 坏的钢 筋混凝土进行电化学再碱化( 以下简称再碱化) 修复 时 , 由于 它 是一 种 非 均 质 、 复杂 的多 相材 料 , 其 保 护 层中 自由离子会发生迁移, 导致硬化水泥浆体 的孔 结构发生变化 , C S - H凝胶 、 钙矾石 晶体 ( AF t ) 等组 收稿 日期 : 2 0 0 9 1 2 0 7 ;修订 日期 : 2 0 1 0 0 1 1 8 基金项 目: 国家 自然科 学基 金资助项 目( 5 0 9

12、 0 8 0 8 8 ) ; 国家重点基础研究发展计划 ( 9 7 3计划) 项 目( 2 0 0 9 C B 6 2 3 2 0 4 ) ; “ 十一五 国家科技 支撑 计 划项 目( 2 0 0 6 B A J 0 3 A0 7 0 4 ) 第一作者 : 熊焱( 1 9 7 8 一 ) , 女 , 江西南 昌人 , 华南理工大学讲师 , 博士 E - ma i l : x y a n s c u t e d u c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 7 0 建筑材料学报 第 1 4 卷 分发 生分 解 , 同时 钢 筋 发生 阴极 反应 产 生 OH,

13、 电 解质溶液在电位差和浓度差的作用下发生电渗和扩 散运动 , 这些都会影响该材料 的微观结构 因此 , 研 究再 碱化 后 钢 筋 混 凝 土 的 微 观 结 构 特 征 具 有 现 实 意义 本文 通过 改变 再碱 化过 程 中的控制 参数 对 完全 碳化后的钢筋混凝土试件进行 了再碱化修复 , 比较 了不 同控制参数对钢筋周围混凝土孔隙液中碱度的 修复 效 果 , 并 用 压 汞 测 孔 法( MI P) 和 扫 描 电镜 ( S E M) 对 比分析了再碱化前后 钢筋混凝土 的微 观 结构变化, 对再碱化后钢筋混凝土微观结构变化的 机理进 行 了探讨 1 试 验概 况 1 1试件 制

14、备 4 2 5 普通硅酸盐水泥 ; 河砂; 粒径小于 1 5 mm 碎石 ; 直径为 8 IT I 1T I 的光 圆钢筋 采用强度 等级为 C 2 O的普通混凝土, 其配合 比为: m( 水泥) : 7 7 ( 水) : m( 砂 ) : m( 石 ) 一1 O 0 : 0 6 5 : 2 2 5 : 3 6 8 为 了易 于碳 化 , 缩短碳化时间 , 并且保证试件完全碳化, 试 件采 用如图 1所示 的圆柱 体 , 其 直 径为 5 8 mm, 高 为 2 5 0 mm, 沿 轴心 布 置 了直 径 为 8 mm 的 光 圆钢 筋 试件共 1 O组 , 每组 3 个 辅助试件几何尺寸相同

15、, 不 配置钢筋 ; 立方体抗压强度测试试件尺寸为 1 0 0 mm 1 0 0 ml n 1 0 0 mm 试 件 拆 模 后 在 ( 2 0 3 ) , 相 对湿度大于 9 0 的标准养护室 中养 护 2 8 d , 其立方 体 抗 压强 度 为 2 5 8 MP a 试 件 养 护好 后 放 在 6 O 烘箱 中烘 4 8 h, 然后置于碳化箱 中加速碳化 碳化箱 中二氧化碳浓度保持在( 2 0 3 ) ( 质量分数) , 相对 湿度 控制 在 ( 7 0 士5 ) , 碳 化 温 度 为 ( 2 O 5 ) , 至 试件 完全 碳化 ( 喷洒 酚酞 试剂 后 , 辅 助试 件剖 切 面

16、完 全 保持无 色 ) 为止 将 碳 化 后 的 1 0组 试 件 按表 1中 的再碱化参数进行再碱化试验 再碱化试验装置示意 图如图 2所示 将试件 和 钢丝 网浸泡于 Na C O。电解液中, 以试 件中的钢筋 为阴极 , 钢丝网为辅助阳极 , 用导线将 3 个试件以串 联形 式 与直流 电源 连接 在试 验过 程 中 , 每两 天 更换 一 次电解质溶液 , 以保持其碱性 0 n 0 V 、 图 1 试 件 示 意 图 Fi g 1 De t a i l e d dr a wi ng o f c y l i n dr i c a l mo r t a r s p e c i me ns

17、( s i z e : mm) 表 1 再碱化试验参数 Ta b l e 1 P a r a me t e r s o f r e a l k a l i z a t i o n t e s t Co n c e n t r a t i o n Cu r r e n El e c t r S p e c i me n S t a t u s o f s p e c i me n o f e l e c t r o l y t e d e n s i t y ,i , : ( too 1L一 )( A m。 ) t 。 d 图 2 再碱化试验装置示意图 Fi g 2 S k e t c h ma

18、 p o f t e s t e q u i p m e n t P o we r s u p p l y 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 建筑材料学报 第 1 4卷 3 分析 与讨论 3 1 压 汞测 孔 法结果 分析 由试验结果可以看 出, 再碱化试件 的孑 L 结构与 未碳化标准试件相比, 其比孔隙率 、 平均孔径和平均 比表 面积均 有所 减 小 这 是 由于 碳 化 对混 凝 土 的影 响主要是 C O 。与混凝土水泥石 中的 C a ( OH) 反应 形成 C a C O 。 ,它对毛细

19、孔的填充堵塞是造成孑 L 隙率 降低和孔径细化的主要原因_ 6 j 3 1 1 再碱 化 时间对 孔结 构 的影 响 在 电解液 浓度 一 定 的情 况 下 , 试 件 微 观结 构 参 数 随再 碱化 时 间变化趋 势 如 图 4所示 蕤 图 4 试件微观结构参 数随再碱化时 间变化趋势 Fi g 4 Ev o l ut i o n o f mi c r os t r u c t ur e pa r a me t e r s c ha nge wi t h r e a l k al i z a t i o n t i me 由图 4可 以看 出, 当电流密 度为 3 , 1 0 A m。 时

20、, 随着再碱化时间的增加 , 试件的比孔隙率呈先增 大后减小趋势 ; 当电流密度为 5 A m 时, 随着再碱 化时间的增加 , 试件的 比孔 隙率呈先减小后增 大趋 势 当 电流 密 度 为 3 , 5 , 1 0 A m 时 , 随着 再 碱 化 时 间的增加 , 试件的平均孔径呈逐渐减小的趋势 当电 流密度为 3 , 1 0 A m。时, 随着再碱化 时间的增加 , 试件的平均比表面积呈增大 的趋势 ; 当电流密度为 5 A m。时, 随着再碱化时间的增加, 试件的平均 比 表 面积呈 先减 小后 增大 的趋 势 在再碱化过程 中, 恒定 电流条件下两电极间的 电压呈典型的电化学振荡曲线

21、变化趋势_ 7 因此 , 当 电流恒定时 , 电压的起伏变化必然引起电场的变化, 在 电场作用下的电解液 的电渗和正、 负离子 的电迁 移等传输速度也必然随着 电场作用 的强 弱发生变 化 混凝 土碳 化 时 , 毛 细孔被 C a C O。 填 充堵 塞 , 使孔 隙率降低 , 孑 L 径细化 当碳化试件再碱化时, 在 电场 作 用下 电解 液 和混凝 土 中 的正离 子 ( Na , Ka , C a 抖 ) 向钢 筋 迁 移 , 负 离 子 ( 0H一, C 2 一 ) 向 阳极 迁 移 由于碳化产物 C a C O 。是难溶 电解质 , 当离子 向 两电极迁移聚集时, 混凝土孔隙液中的

22、 C a 抖 , C O; 赶 纽 浓度减小 , 这时反应 C a C O。 c a 抖 +c 0; 一 向 L 疋 溶解方向进行 因此, 当再碱化电流密度为 3 A m , 通电时间为 1 4 d时, 填充堵塞于毛细孔 的C a C O 。 分 解 , 使混凝土 比孔 隙率增加 随着再碱化 时间的增 加 , 混 凝 土 孑 L 隙 液 中 的 C a 抖 , C O; 一浓 度 发 生 变 化 , 赶 韫 使反应 C a C O。 C a +c o; 一 向沉淀方 向进 行 因此 , 当再 碱化 电流 密度 为 3 A m , 通 电 时 间为 2 1 d时, 混凝土的比孔隙率降低 试 件

23、L B 3 , L B 4以及 L B 6 L B 8的平 均 比表 面 积相对 试件 L B 2呈增 大趋 势 , 是 由于再 碱 化 后混 凝 土的比孔隙率变化幅度不大 , 平均孔径减小 , 孔隙细 化, 导致孔隙的表面积增大 而试件 L B 5的平均 比 表 面积相 对 L B 2呈减 小趋 势 , 则 是 由于再 碱 化 后混 凝土的比孔 隙率 明显降低 , 平均孔径减小 , 孔 隙细 化 , 同时孔隙数量明显减少所致 3 1 2 再碱化电流密度对孔结构的影响 在 电解液 浓 度一 定 的情 况 下 , 试 件 再 碱 化 后 比 孔隙率 、 平均孔径 和平均 比表面积随电流密度变化

24、趋 势如 图 5 所 示 由图 5可以看出, 当再碱化时间为 1 4 , 2 1 d时 , 随着电流密度的增加 , 试件 的比孔隙率 和平均 比表 面积呈 先增 大后 减 小 再 增 大 的 趋 势 , 而平 均 孔 径 呈 先减小后增大的趋 势 这里 比孔 隙率 的变化 趋势 同 样可以用电流变化引起电压呈典型的电化学振荡 曲 线变化趋势来解释 因为两电极 电压呈波浪起伏 变 化 7 , 从 而引起 电场相 应变 化 , 最终 导致混 凝 土 比孔 隙率波浪起伏变化 试验表明, 再碱化后混凝土 的平均孔径 比完全 碳化混凝土的平均孔径小 , 说 明再碱化有助于减小 混凝土的平均孑 L 径 ,

25、 提高混凝土抗渗透 和耐久性 的 能力 由于平均 比表 面积 的变化受混凝土 比孔 隙率 和平均孔径等因素的影响 , 因此 , 混凝土 比孔隙率和 平均孔 径 的起伏 变化 将影 响平 均 比表 面积 I I I I I QNH o 04 o J 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 7 4 建筑材料学报 第 1 4卷 4 结论 1 在恒 定 电流条 件 下 , 外 电压 随着 再 碱 化 时 间 增加呈现典型的电化学振荡曲线变化趋势 , 从而影 响了电场作用下混凝土 的传输特性 , 最终致使混凝 土

26、的微观结构发生变化 而 电场作用与混凝土的传 输 特性 、 微 观结 构相互 制 约 , 相 互影 响 同时 , 这三 者 也 是影 响再 碱化 过程 和效 果 的重要 因素 2 与标 准试 件相 比 , 再 碱 化混凝 土 的大孔 、 有 害 孔明显减少 , 比孔隙率大幅度降低, 平均孔径 、 平均 比表面积明显减小 再碱化可 以改善混凝土的界面 结构 , 有利于保护钢筋 , 提高抗渗性和耐久性 3 再碱 化 电流 密 度 、 时 间和 电 解 液浓 度 对 混 凝 土的比孔隙率 、 平均孑 L 径和平均比表面积有明显 的 影响 当采用 1 0 mo l L的 Na C O。电解质溶液再 碱

27、化时, 最优 再碱化 电流密度 为 5 A m。 , 时 间为 1 4 d 4 再碱化后 , 试件中层混凝土最为致密, 外层混 凝土次之, 而钢筋附近混凝土则较疏松 参 考文 献 : I- 2 3 4 5 6 E l i 金南国 , 金 贤玉 , 郭剑 飞 混凝 土孔结 构与 强度关 系模 型研究 E J 浙江大学学报 : 工学版 , 2 0 0 5 , 3 9 ( 1 1 ) : 1 6 8 0 1 6 8 4 E 7 3 J I N Na n - g u o, J I N Xi a n - y u, GUO J i a n f e i Re l a t i o n s h i p mo d

28、 e l i n g o f p o r e s t r u c t u r e a n d s t r e n g t h o f c o n c r e t e J J o u r n a l o f Z h e j ia n g Un i v e r s i t y : E n g i n e e r i n g S c i e n c e , 2 0 0 5 , 3 9 ( 1 1 ) : 1 6 8 0 1 6 8 4 ( i n Ch i ne s e ) 金南 国, 金 贤玉 , 郑砚 国, 等 早 龄期混凝土断裂性 能和微观结 构的试 验 研 究 J 浙 江 大 学 学 报 :

29、 工 学 版, 2 0 0 5 , 3 9( 9 ) : 1 3 7 4 1 3 7 7 J I N Na n - gu o , I 1 N Xi a n y u, ZHENG Ya n g u o, e t a 1 Ex p e r i me n t a l s t u d y o n f r a c t u r e p r o p e r t i e s a n d m i c r o s t r u c t u r e o f e a r l y a g e c o n c r e t e J J o u r n a l o f Z h e j i a n g Un i v e r s

30、i t y : E n g i n e e r i n g S c i e ne e , 2 0 0 5, 3 9( 9 ): 1 3 7 4 1 37 7 ( i n Ch i n e s e ) NEVI LLE A M Pr o p e r t i e s o f c o n c r e t e, f o ur t h a n d f i n a l e d i t i o n E M Ne w Yo r k : Wi l e y , 1 9 9 6 : 3 0 0 3 0 1 S TEI CHER P E ALEXANDER M GA c h l o r i d e c o n du

31、c t i o n t e s t f o r c o n c r e t e J C e me 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 ( 6 ): 1 2 8 4 1 2 9 4 罗 晓辉 , 卫军 , 罗昕 混凝土劣化与有 害孔洞 的物理关系E J 华 中科技大学学报 : 自然科学 版, 2 0 0 6 , 3 4 ( 3 ) : 9 4 9 6 LU0 Xi a o h u i , WEI J u n, LUO Xi n Ph y s i c s r e l a t i o n b e t we e n c o

32、n c r e t e d e t e r i o r a t i o n a n d h a r mf u l p o r e E J J o u r n a l o f Hu a z h o n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a nd Te c hn o l o g y: Na t u r e S c i e n c e , 2 0 0 6, 3 4( 3 ): 9 4 9 6 ( i n Chi n e s e ) 方 永浩, 张亦 涛, 莫祥银 , 等 碳 化对水泥石和砂浆 的结构及砂 浆渗 透性 的影响E J 河海大学学报 : 自然科学

33、版 , 2 0 0 5 , 3 3 ( 1 ) : 1 O 4 1 O 7 FANG Yo n g h a o。 ZHANG Yi t a o, M 0 Xi a ng y i n, e t a 1 I nf l u e n c e of c a r b o n a t i o n o n t h e mi c r o s t r u c t u r e a n d p e r me a bi l i t y o f h a r d e n e d c e me n t p a s t e a n d mo r t a r J J o u r n a l o f He h a i Un i v

34、 e r s i t y: Na t u r e S c i e n c e , 2 0 0 5, 3 3 ( 1 ): 1 0 4 1 0 7 ( i n Ch i ne s e ) ANDRADE C, CAS TELL0TE M , S ARRI A J , e t a 1 Ev o l u t i o n o f p o r e s o l u t i o n c h e m i s t r y, e l e c t r o - o s mo s i s a n d r e ba r c o r r o s ion r a t e i n d u c e d b y r e a l k a l i s a t i o n E J Ma t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s , 1 9 9 9, 3 2 ( 6 ) : 4 27 4 3 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m

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