既有建筑混凝土中氯离子固化比例的试验研究.pdf

2 01 2年 6月第 9卷第 2期 深 圳 十 木 与 律 筇 既有建筑混凝土中氯离子固化比例的试验研究 何春凯 ( 中国建筑科学研究院) 【 摘要】我国近海和沿海地 区既有混凝土结构 广泛存在的氯 离子拌制掺入和渗透侵蚀 问题严重威胁结构耐 久性。 目前工程实践 中由于忽视部分氯离子固化 的影响 ，多直接将测得的游 离态氯离子含量与规范中的总 掺入量限值进行比较来评定，从而低估 了既有建筑的实际耐久性风险。本文通过试验研究得出了氯离子 固 化 的大致比例 范围，对既有钢 筋混凝土结构的耐久性评定可起到重要的参考作 用。 【 关键词】既有建筑混凝土氯离子检测 固化 比例 耐久性评定 1 钢筋混凝土中氯离子含量的限值要求 我 国近海和沿海地 区既有混凝土结构广泛存 在 的氯离子拌制掺入和渗透侵蚀 问题严 重威胁 结 构耐久性 。解决这一问题最好 的方法是在造成钢筋 锈蚀之前及早发现 ， 及早采取阻断防护措施。 因此 ， 准确的检测出混凝土中的氯离子含量，并进行正确 的耐久性评定是非常重要的。 研 究认为，进入混凝土 内的氯离子中的一部分 将被水泥水化产物 固化 ，这部分被混凝土固化 的氯 离子称作结合氯离子，而另一部分氯离子溶解于混 凝土孔 隙溶液 中，以渗透、扩散和毛细作用三种形 式在混凝土中迁移 ，这部分氯离子称作 自由氯离子。 研究发现 ，只有当钢筋周 围的 自由氯离子达到一定 的质量分数，才能破坏钢筋的钝化膜使钢筋锈蚀 ， 而结合氯离子并不直接 引起钢筋锈蚀。 鉴于上述原理，国际上对混凝土 内氯离子含量 的限值分为两种方式，一种是以掺入量作为控制因 素 ，便于在施工阶段进行质量控制；另一种是 以水 溶性氯离子的实际测得量为控制因素，便于直观判 断是否超过了引起钢筋锈蚀的阈值 。我国的规范采 取 了前者的方式，并且在混凝土用砂 、石 、拌合用 水方面都有具体的规定。在混凝土设计规范中，更 是将施 工 中各阶段 引入 的氯离子统一折算到 占水 泥重量的比例，从而实现 了氯离子掺入的总量规定。 2当前氯 离子评 定工作所面I临的问题 我 国规范是 以施 工控制 的角度 出发来进行氯 离子含量 的规定，当进行 已硬化混凝土中氯离子含 量超标与否的判定工作时就遇到了困难 。 当前 的测试方法 ，无论是实验室还是现场检测 的方法，检测 出的都是水溶性氯离子 ，即游离态的 何春凯，中国建筑科学研究院 地址：深圳市南山区高新南一道富诚大厦7 层 E - m a i l ：h e c h u n k a i c a b r t e c h c o rn ，电话：0 7 5 5 8 6 0 2 2 7 2 0 氯离子，以此指标来衡量腐蚀的危险性是非常合适 的，但国内目前的规范中都是以总量来控制氯离子 含量的，如果以占总量一部分的游离态氯离子含量 值直接与规范中的控制量相比较，来判断氯离子含 量是否超标 ，就存在着低估的风险。 本研 究的 目的是研 究混凝 土 中氯离子的固化 比例问题，为氯离子超限评价提供明确的依据，避 免实际工程检测 中的低估错判。 3 已硬化混凝土中氯离子固化问题的研究现 状 对于混凝土中氯离子的固化机理问题，国内外 学者进行了一定 的研究。 施惠生、王琼从混凝土暴露时间、胶凝材料 吸附作用、环境温度、应力和裂缝状态等方面考察 了上述因素对混凝土中氯离子迁移的影响，结果表 明胶凝材料对氯离子有一定的吸附作用，矿物掺合 料对氯离子的吸附结合能力要比水泥强胶凝材料 对氯 离子 的吸附结合 能力与环境 中的氯离子浓度 有关，混凝土中吸附氯离子浓度与 自由氯离子浓度 线性相关。 王立成等【2 认为混凝土的氯离子结合能力包括 3个 方 面 ： 氯 离 子 被 一 3 H 一 6化 学 合 成 C 一3 A C a C l E一 2E 1 2 H 一 2 0 ：进入C S H凝胶 结构；被混凝土的内部孔隙表面物理吸附。由于只 有溶解在混凝土孔隙溶液 中的氯离子( 自由氯离子) 对钢筋的腐蚀起作用 ，因此氯离子的结合作用将有 效地延缓钢筋的腐蚀。 王仁超等f 3 】 分析 了影响氯离子在混凝土中扩散 迁移过程的各种机制，引入 了混凝土对氯离子 “ 结 合能力”的概念，认 为氯离子的固化是 由具体的水 泥组分确定的，并对应用F i c k 二定律进行预测的 模型进行了推广与修正。 Ne v i l l e 综合分析了氯离子侵蚀钢筋混凝土的各主 要因素 ， 认为氯离子固化的主要反应是与C 一 3 形成 59 3 C a O f 一2o E一 3 C a C l Y一 2 O HY一 20，有 时称之为F r i e d e l 盐。还有一种与之相似的反应是与 C4AF 3 C a 0 皤F e 日 一2 OY一3 g cn c t 3 2-1 H 2 0 拌合物 中的C 一 3 越多， 对氯离子的固化能力就越强。 已有的研究结果表明，混凝土对氯离子的固化 作用主要与水泥组分、 C 一 3 A 数量、 及矿物掺合料有 关 。 4氯离子 固化 比例 的试验研 究 试验 的 目的是探索检 出的氯 离子 与实际存在 的全部氯离子的比例关系，为更准确地进行符合性 评判提供依据。拌制掺入 已知量 Na C 1溶液的砂浆 试块或混凝土试块，并考虑材料和强度等可能的主 要影响因素，研究这些影响因素对于氯离子固化 比 例的敏感程度 。 4 1粉煤灰掺量对氯离子含量检测 ( 固化 比例 ) 的影 响 最初设想考察不 同水泥 品种对氯离子 固化 比 例的影响。但购买制样材料时发现很难买到矿渣水 泥、火山灰水泥等 ，实际工程中也较少应用 。因此 调整试验方案，考虑工程实际情况，采用基准水泥 掺加不 同比例 的粉煤灰进行比较 。 4 1 1 试验设计 采用砂浆试块，试块规格为 7 0 ram立方体抗压 试块和 1 0 0 mm立方体试验试块 。试块采用基准水 泥 、中砂、 I I 级粉煤灰，掺加化学纯Na C l 。 表 1 试验工况 掺入的 f 一占水 编 号 粉煤灰 试块试块数量 泥含 量 l l l 5 0 3 l 8块 1 0 0 1 2 1 5 1 0 l 8块 1 0 o 3 2 一 l 2 O 0 3 l 8块 1 0 0 2 2 2 O 1 O 1 8块 1 0 0 3 1 2 5 0 3 1 8块 1 0 0 3 2 2 5 1 0 l 8块 1 0 0 4 1 0 O _ 3 l 8块 l 0 o 3 4 1 2试验结果 表 2 实测游离态 _c I 一占总 l n一的比例 编号 平均值 标准差 变异系数 1 1 04 4 8 0 0 6 8 0 1 5 2 1 2 05 3 7 O 1 3 2 0 2 4 6 2 1 0 5 3 7 0 0 9 8 0 1 8 2 2 2 O 41 5 0 0 8 1 0 1 9 5 3 1 0 4 3 7 0 0 9 4 O 21 5 3 2 0 6 0 4 0 1 2 3 0 2 o 4 4 1 0 68 0 0 1 O 2 O 1 5 0 摘 录粉 煤灰掺 量 2 0 时的试 验结 果 ，见 图 4 1 1 4 1 2 ， 检出的氯离子 比例大致范围在 图中标出。 6 0 O O 尊 Oe O7 誊O6 鼙O5 簿 芷O4 O 3 O 2 O， OO 甚 强 - 一 - - - O 2 4 6 8 O 2 轿 般黪八 2 0 。 瑰 r绱八 O 图 1 试样组 2 - 1 1_0 。 庸 。 8 。7 善。 a 艺 霞O 5 冬 0 盎 O 3 。2 。l 0_。 蕾 挣 陂 - - - 一 O 2 _ $ $ I O 2 粉 捧 ； 2 O ， 离 r 挎 1 O 图 2 试样组 2 - 2 图 3以粉煤灰掺量为基准对各组检测结果平均 值进行了比较 。 0 1 S 20 2 5 粉 微掺 图 3 不同粉煤灰掺量的试验结果 比较 从以上结果可看 出： ( 1 )粉煤灰掺量在 1 5 一 2 5 之间时，检 出的 氯离子比例平均值在 4 0 一 6 0 之 间， 不同的氯离子 掺量对检 出比例没有规律性的影响。 ( 2 )掺入粉煤灰对氯离子 的固化有一定影响， 2 0 1 2年 6 月 第 9卷第 2期 粲圳 十 木 与律 箭 至少使检出比例降低 1 0 。 4 2混凝土强度对氯离子含量检测 ( 固化比例 ) 的影响 4 2 1 试验设计 采用 混凝土试块 ，抗压及试验试块规 格均为 1 0 0 ram立方体试块。 试块采用 P 0 4 2 5水泥、 中砂、 2 5 mm碎卵石，掺加化学纯Na C l 。 表 3 试块配比和强度 编号 等级 N a C 1 6个月强度 5 一 l 0 5 23 5M P a 5 2 C2 O 1 7 2 2 6M P a 6 1 0 5 4 1 0M P a 6 2 C3 O 1 7 3 7 7M P a 7 1 0 5 5 1 2M P a 7 2 C 4 0 1 7 5 0 2M P a 4 2 2试验结果 表 4 游离态 cl 一 占总 c l _ 的比例 编号 平均值 标准差 变异系数 5 1 0 6 2 9 0 1 41 O 2 2 4 5 2 05 0 5 0 1 3 7 0 2 7 2 6 1 08 2 5 0 0 5 6 0 0 6 8 6 2 07 0 2 0 1 0 6 O 1 5 l 7 1 0 5 4 0 0 0 5 8 0 1 0 7 7 2 0 5 5 0 0 ，0 81 0 1 4 7 摘录混凝土强度等级为 C 4 0时的检测结果， 见 图 4 一 图 5 ， 检出的氯离子大致 比例范围在图中标 出。 照燕 强蜷捧燕髋 I 一 I t t C ,4 0 随 ，棒I 0 3 图 4 试样组 7 - 1 l ： 殛 照 t i C4 0 瓤 r棒 I O 图 5 试样组 7 - 2 图 6以混凝土强度为基准对各组检测结果平均 值进行比较。 辞 目 簪 匿 皇 罟 砉 鼍 7 诵丽j _ r 播M 1 O ! C2 O C3 0 C4 0 滗 凝 l ： 强度等级 图 6 不 同混凝 土 强度 的试验 结 果 比较 试验结果表明： ( 1 )对应不同的混凝土强度和氯离子掺量， 检出的氯离子 比例多在 4 0 一 7 0 之间； ( 2 )混凝土实 际强度为 4 0 MP a 时，其检出的 氯离子比例较高， 其平均值比其他强度对照组高 2 0 左右 ： ( 3 )氯离子掺量较大时 ，检 出比例的平均值 降低约 1 0 。 5结论 通过多组掺入不同比例的混凝土试块 ，考虑粉 煤灰含量、混凝土强度等因素的影响，对 已硬化混 凝土中氯离子固化 比例进行试验研究。结果表 明， 总体来看 ，固化氯离子含量 占总掺入量的比例为 4 0 一 6 0 左右，这一比例可作为工程实践中的参考 依据。当现场发现钢筋锈蚀等可疑现象时，可按固 化率 6 0 进行折算，即将测试结果乘以 2 5倍来判 断总掺入量；当现场未发现可疑现象时，可按固化 率 4 0 进行折算，即将测试结果乘以 1 7倍来判断 总掺入量。 6工程实例验证 在 既有建筑混凝土氯离子检测 的工程实践中， 经常发现某些构件使用年限较短即发生严重锈蚀， 根据经验判断是氯离子超标引起，但检测结果却显 示， 尽管能够检测出一定量的氯离子， 却并未超标 。 根 据本研究的结果对多项工程 实测氯离子结果进 行修正，其结果基本能够与现场现象相吻合。 ( 转下页) 61 嚣譬 点 建筑工业化技术答 问专栏 【 编辑部按l 2 0 1 1年 1 1月 3日，深圳市住宅和建设局召开了一次 建筑工业化技术讲座 ，会后编辑部收 到与会人 员提 出了一些 问题 ，希望在刊物上给予解答。编辑部应读者的要求，邀请在建筑工业化 方面的资 深研 究人 员，我国大专学院混凝土及建筑制品专业缔造者之一，陈振基博士开设一个建筑工业化 专栏 ，专 门解答有关问题。读者如有希望 了解的)- 1 题，可发电子邮件或写信到本刊编辑部 ，本刊将联 系陈博士陆续 解 答 。 ( 续上期) 7建筑工业化的房屋和过去装配式房屋的差别 一 提到工业化的房屋，人们总会联想到过去的装配式房屋，两者有什么不同呢? 半个世纪前我们在前苏联影响下推行过装配式房屋 ，那时多种工业化体系带动 了建筑设计、构件预制 和运输安装等专业的技术进步 。但是在随后的 “ 大跃进 ” 、“ 解放思想 ”的思潮下，预制件质量越来越差 ， 安装要求越来越低 ，节点没有任何可靠连接 ，以致在唐 山大地震中预制楼板倒塌，造成居民伤亡。 目前提倡的工业化房屋的构件确实和装配式房屋一样是预制 的，但并非像过去那样把预制构件简单地 拼装 ( 组装 )在一起。现代的装配式房屋在梁和柱、柱和墙板、梁和楼板的联接处都有可靠 的钢筋连接 ， 再用现浇混凝土浇成整体 ，达到与现浇混凝土结构 “ 同性化” 。这有两个好处：一是整个结构体系和各个 部件的设计可 以沿用 目前整体现浇混凝土的规范，回避 了因缺少规范而难以通过设计审查 的困局；二是把 现代住宅不可与缺的“ 风火水 电” 的管线预埋在预制构件 中， 只在节点处集 中连接， 大大节约 了现场人工。 8工业化的房屋抗震性能好吗? 目前设计界业内普遍认为 ， 工业化建筑就是简单的装配式建筑， 其整体性差， 抗震性能不好。 事实上， 前节已经提到，现代的装配式房屋可以达到与整体现浇结构相同的抗震性能。 2 0 0 8年汶川地震以后国内抗震规范 建筑抗震设计规范 G B 5 0 0 1 卜2 0 1 0 ) )3 5 4条修订增加了 “ 多、 高层的混凝土楼、屋盖宜优先采用现浇混凝土板。当采用预制装配混凝土楼、屋盖时，应从楼盖体系和构 造上采取措施 ，确保各预制板之间连接的整体性 ”的条文。实际上该规范并没有否定预制构件的采用 ，只 是要求保证连接 的整体性 。 2 0 1 1 年 1 1 月，美 国知名结构专家 Al fr e d A Y e e 博士应邀来深圳，就预制结构的抗震问题讲 了课 。 Y e e 博士在太平洋周边地区设计过多栋高层建筑 ， 经历了多次强烈地震而无损， 包括马尼拉 1 9 6 8 、1 9 7 2和 1 9 9 0 年 的三次里氏 7 2 7 7级以上的强地震。 用他的技术在日本神户建的高层办公楼 ， 经历了 1 9 9 5年 1 月的 7 2 级阪神大地震而没有损坏，Y e e 博士因而在同年 4月获得了美国夏威夷州参议院全体议员的署名祝贺。 大量资料证明，工业化房屋在合理选择设计体系和节点处理 后是抗震的，详细资料可参阅深圳市住房 和建设局与亚洲混凝土协会合编的 国外工业化建筑的经验文集一书 。 亭亭亭亭亭亭亭亭亭亭亭亭亭车亭亭亭亭亭亭亭亭亭亭亭亭亭亭亭亭亭亭亭亭亭亭亭亭亭亭亭亭亭亭亭亭 ( 接上页 ) 睛崮稚祷吐F F 积 坷 坳曲 勺 阅 ：表 5 氯离子固化比例研究成果有效性在工程中的验证 参考文献： I 】 施惠生、 王琼， 混凝 十 ： 中氯离子迁移的影响凶素研究， 建筑材料学报， 2 O O 4 ， 7 ( 3 ) ，2 8 6 2 9 0 2 王立成，氯盐环境条件下混凝土氯离子侵蚀模型及其研究进展， 水运 I 稗，2 0 0 4，3 6 3 ( 4) ，5 - 9 62 3 王仁超，朱琳，李振富， 混凝土氯离子综合机制扩散模型及敏感性研 究，哈尔滨工业大学学报，2 0 0 4 ，3 6( 6 ) ，8 2 4 8 2 8 4 N e v i l l e ，A C h l o r i d e a t t a c k o f r e i n f o r c e me n t c o n c r e t e ：a n o v e r v ie w , M a t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s ， 1 9 9 5 2 8 6 3 7 0 【 5 】 混凝土结构设计规范 G B 5 0 0 1 0 - 2 0 0 2