碳化及氯离子交互作用下混凝土内钢筋的锈蚀行为.pdf

第 1 7 卷第 5期 2 0 1 4年 l O月 建筑材料学报 J OURNAL OF B UI LDI NG MATERI ALS Vo1 1 7 No 5 Oc t ， 20 1 4 文章编号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 4 ) 0 5 0 8 9 2 0 4 碳化及氯离子交互作用下混凝土 内钢筋 的锈蚀行 为 宋学锋 ， 张县云 ， 高 瑞 ( 西 安建 筑科技 大学 材 料与矿 资学 院 ，陕西 西安 7 1 0 0 5 5 ) 摘要 ： 试 验研 究 了加 速碳 化和 氯 离子 诱 导 交互作 用 下 混凝 土 中钢 筋 的锈 蚀 行 为 利 用 电化 学工作 站 测试 了混凝 土 中预 埋钢 筋加速 腐蚀 过程 中的腐 蚀 电位 和腐 蚀 电流密度 结合 钢 筋周 围氯 离子 浓 度及 p H值的变化， 分析了碳化和氯离子对钢筋锈蚀 的影响规律 结果表 明： 氯 离子 的渗入可快速 导致 钢 筋锈 蚀 ； 在 碳化 和 氯 离子 交互作 用 下 ， 碳 化 对钢 筋锈 蚀 过程 具有延 缓作 用 关键词 ：碳 化 ；氯 离子 ；交互作 用 ；钢 筋锈 蚀 中 图分类 号 ： T U5 2 8 5 7 1 文献 标志 码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 4 0 5 0 2 3 Co r r o s i o n Be h a v i o r o f S t e e l Emb e d d e d i n Co nc r e t e u nd e r I n t e r a c t i o n o f Ca r b o n a t i o n a n d Chl o r i d e I o n S ONG Xu e f e n g， ZHANG Xi a n y u n， G AO Ru i ( C o l l e g e o f Ma t e r i a l s& Mi n e r a l Re s o u r c e s ，Xi a n Un i v e r s i t y o f Ar c h i t e c t u r e& Te c h n o l o g y ，Xi a n 7 1 0 0 5 5 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：Th e c o r r o s i o n b e h a v i o u r o f s t e e l i n c o n c r e t e wa s s t u d i e d u n d e r t h e i n t e r a c t i o n o f c a r b o n a t i o n a n d c h l o r i d e i o n Th e e l e c t r o c h e mi c a l p a r a me t e r s o f c o r r o s i o n p o t e n t i a l ( E 。 )a n d c o r r o s i o n c u r r e n t d e n s i t y ( J )we r e t e s t e d i n t h e c o r r o s i o n p r o c e s s o f s t e e l b y e l e c t r o c h e mi c a l i n s t r u me n t Th e e f f e c t s o f c a r b o n a t i on a n d c hl o r i d e i o n o n t he s t e e l c or r o s i on be ha v i o ur we r e a n a l y z e d c o m b i ne d wi t h t h e v a r i a t i o n of c hl or i d e i on c o nc e nt r a t i o n a nd p H va l u e i n mor t a r a r o un d t he s t e e 1 Th e r e s u l t s s h ow t ha t t h e a gg r e s s i v e c hl or i d e i on c a n a c c e l e r a t e t he s t e e l c or r o s i on p r oc e s s；whi l e t h e c a r bo n a t i o n c a n r e t a r d t h e s t e e l c o r r os i o n pr o c e s s i n t he i nt e r a c t i o n o f c a r b on a t i on a n d c h l o r i de i o n Ke y wo r d s：c a r bo na t i o n；c hl o r i d e i o n；i n t e r a c t i on；s t e e l c o r r o s i on 混 凝 土 的高碱 度 ( p H 1 2 0 ) 是保 护钢 筋 不 被 锈蚀 的最重 要 条件 ， 也 是 钢 筋 混凝 土工 程 经 久 耐用 的重要 原 因 在 实际 工程 中 ， 由于氯离 子 的渗 入 及碳 化 作用 ， 混 凝土 中钢筋 免受腐 蚀 的“ 临 界值” ( 通 常认 为 p H一1 1 5 ) 往 往 难 以长期 保 持 ， 已成 为其 “ 钝 化 膜 ” 过早破 坏并 导致 加速锈 蚀 的 2个关 键 因素 1 在氯 离子诱 导 或 碳 化单 一 因素作 用 下 ， 有 关 混 凝 土 中钢 筋锈 蚀 的研 究 十 分 广泛 渗入 混 凝 土 内部 的氯离子通过物理、 化学作用加速混凝土 内钢筋锈 蚀 ， 尽 管其 作用 机理 十分 复杂 ， 但研究 结论 却高 度 一 致l- 3 而碳化作为混凝 土中性化的一种表现形式 ， 加速钢筋锈蚀的普遍观点是碳化导致了混凝土 内部 的碱度 降低 ， 不利 于钝 化 膜 的 稳 定存 在 _ 6 。 这 种过 于简化 的观点 ， 往往 难于 解释碳 化 、 氯离子 交互 作 用 下 碳化 对混凝 土 内钢筋 锈 蚀 的 影 响规 律 ， 甚 至 出现 相 反 的研究结 论 本 研究采 用加 速 碳 化 的方 法 ， 将 钢 筋 混 凝 土试 样 碳化 至不 同深 度 ， 以 3 5 ( 质 量分 数 ) Na C 1 溶 液 作 为侵 蚀介 质 ， 通 过 干 湿循 环 方 式 加 速混 凝 土 内的 钢筋锈 蚀 ， 并 利用 电化 学 工作 站 测试 混 凝 土 内预 埋 钢筋的腐蚀电位( E 。 ， ) 及腐蚀电流密度( I ) ， 详细 研究 了碳化及 氯 离子交互 作用 下混 凝土 内钢 筋 的腐 蚀行为， 并结合钢筋表面的砂浆介质 p H值 、 自由氯 离子浓 度综 合分 析 了钢 筋 的锈蚀行 为 收稿 日期 ： 2 0 1 8 - 0 4 1 5 ；修订 日期 ： 2 0 1 3 0 6 2 6 基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 0 9 0 8 1 8 9 ) ； 陕西省教育厅 自然科学基金资助项 目( O 9 J K5 3 7 ) 第一作者 ： 宋学锋 ( 1 9 7 6 -一 ) ， 男 ， 河南太康人， 西安建筑科技大学副教授 ， 硕士生导师 ， 博士 E ma i l ： s o n g x u e f e n g x a u a t e d u c n 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 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 期 宋 学锋 ， 等 ： 碳化及氯离子交互作用下混凝土 内钢 筋的锈蚀 行为 8 9 5 表 4 碳化混凝土 5次干湿循环后钢筋周围砂浆的 氯离子浓度及 p H值 Ta b l e 4 CI c o n c e n t r a t i o n a n d p H v a l u e o f mo r t a r s u r r o u n d i n g t h e s t e e l i n c a r b o n a t e d c o n c r e t e s u b j e c t e d t o 5 c y c l e s o f w e t t i n g - d r y i n g 界值” 一般环境条件下 ， 由于二氧化碳浓度较低 ， 碳 化 达 到混凝 土 中钢 筋 表 面 历 时较 长 ， 碳 化对 钢 筋 锈 蚀 的影 响并 不 明显 相 反 ， 氯 离 子 由于 穿 透 能 力 强 ， 很容易达到钢筋表 面而加速钢筋锈蚀 当碳化和氯 离 子交 互作 用 于 钢筋 混 凝 土 时 ， 碳 化 使 混 凝 土 钢 筋 保护层密实度提高， 限制了氯离子 向混凝土 内部传 输 ， 削弱 了氯离子诱导钢筋锈蚀过程， 故适当碳化反 而 能延缓 钢 筋 的锈蚀 过程 4 结论 ( 1 ) 碳 化及 氯离 子 诱 导 作 用 通 常 被 称 为导 致 混 凝土 中钢筋锈蚀的 2 个关键 因素 相 比较而言 ， 由于 氯离子原 子半 径小 ， 穿 透 能力 强， 并 通 过“ 局 部 酸 化” 、 “ 去极 化 ” 等 形 式 ， 加 剧 混 凝 土 中钢 筋 锈蚀 的程 度 远 大于碳 化 作用 ( 2 ) 基于钢筋混凝土在“ 碳化一 氯盐侵蚀” 单一模 式 下的钢筋 锈蚀过程 ， 由于碳化 提 高 了混凝 土 表层密 实度 ， 限制了氯离子向混凝土内部传输 ， 当碳化深度 小 于钢 筋保护层 厚度时 可抑制氯 离子诱导钢 筋锈蚀 ( 3 ) 基于钢筋混凝土在“ 碳化一 氯盐侵蚀” 或“ 氯 盐侵蚀一 碳化” 交替模式下 的钢筋锈蚀过程 ， 碳化对 钢筋锈蚀的影响作用有待进一步研究 参考 文献 ： 1 2 3 KAY E A， F0OKES P G， P0LLOCK D J De t e r i o r a t i o n r e l a t e d t o c h l o r i d e i n g r e s s J C o n c r e t e ， 1 9 8 1 ， 1 5 ( 1 ) ： 2 2 2 8 W EYERS R E， CADY P DDe t e r i o r a t i o n o f c o n c r e t e b r i d g e d e c k s f r o m c o r r o s i o n o f r e i n f o r c i n g s t e e l J C o n c r e t e I n t e r n a t i o n a l ， I 9 8 7， 2 0 ( 9 )： 1 5 2 3 TH ANGAVEL K ，RENGAS W A MY N S Re l a t i o ns h i p b e 一 4 5 6 7 8 9 1 O 3 u 1 2 1 3 3 1 4 3 1 5 t we e n c h l o r i d e h y d r o x i d e r a t i o a n d c o r r o s i o n r a t e o f s t e e l i n 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 C o mp o s i t e s ， 1 9 9 8 ， 2 0 ( 3 ) ： 2 8 3 2 9 2 LI Ch u n q i n g I n i t i a t i o n o f c h l o r i de ind u c e d r e i n f o r c e me nt c o r r o s i o n i n c o n c r e t e s t r u c t u r a l me mb e r s e x p e r ime n t a t i o n J ACI S t u c t u r a l J o u r n a l ， 2 0 0 1， 9 8( 4 )： 5 0 2 5 1 0 I ZQUI ERDO D， ALONSO C， ANDRADE C， e t a 1 Po t e n t i o s t a t i c d e t e r mi n a t i o n o f c h l o r i d e t h r e s h o l d v a l u e s f o r r e ba r d e p a s s i v a t i o n e x p e r i me n t a l a n d s t a t i s t i c a l s t u d y J E l e c t r o c h e m i c a l M e t h o ds i n Co r r o s i o n Re s e a r c h，2 0 0 1，49(1 7)： 2 7 3 1 - 2 7 3 9 VERBECK G J Me c h a n i s ms o f c o r r o s i o n o f s t e e l i n c o n c r e t e ， c o r r o s i o n o f me t a l s i n c o n c r e t e J A CI ， 1 9 7 5 ， 4 9 ( 3 ) ： 2 1 3 8 TAHI R G t S ALI H Y Th e i n f l u e n c e o f c o mp a c t i o n p o r e s o n s o r p t i v i t y a n d c a r b o n a t i o n o f c o n c r e t e J C o n s t r u c t i o n a n d Bu i l d i n g M a t e r i a l s ， 2 0 0 7。 21 ( 5 )： 1 0 4 0 1 04 5 S ONG Xu e f e n g， ZHANG Da n， HE Ti n g s h u Co r r o s i o n b e ha v i o r o f r e i n f o r c i n g s t e e l e m b e d d e d i n c o n c r e t e s u r f a c e t r e a t e d b y i n s i t u s y n t h e s i z e d s u p e r a b s o r b e n t r e s i n J Ma g a z i n e o f Co n c r e t e Re s e a r c h， 2 O 1 2， 6 5 ( 1 )： 6 3 - 7 0 GB T 5 0 3 4 4 -2 0 0 4 建筑结构检测技术标准E s 3 GB T 5 0 3 4 4 - 2 0 0 4 Te c h n i c a l s t a n d a r d f o r i n s p e c t io n o f b u i l d i n g s t r u c t u r e S ( i n C h i n e s e ) 许晨 ， 王传坤 ， 金伟 良 混凝 土中氯离 子侵蚀与碳 化的相 互影 响 J 建筑材料学 报， 2 0 1 1 ， 1 4 ( 3 ) ： 3 7 6 3 8 0 XU Ch e n W ANG Ch ua n ku n， J I N W e i l i a n g I n t e r a c t i o n e f f e c t o f c h l o r i d e a t t a c k a n d c a r b o n a t i o n i n c o n c r e t e J J o u r n a l o f Bu i l d i n g M a t e r i a l s ， 2 0 1 1， 1 4 ( 3 )： 3 7 6 3 8 0 ( i n Ch i n e s e ) 郑永来， 郑洁琼 ， 张梅 碳化程度对混凝土 中氯离子扩散系数的 影响 J 同济大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 1 0 ， 3 8 ( 3 ) ： 4 1 2 4 1 6 ZHENG Yo n g l a i ，ZHENG J i e q i o ng，ZHANG Me i Ex p e r i me n t a l s t u d y o n e f f e c t o f c o n c r e t e c a r b o n i z t i o n d e g r e e s o n c h l o r i d e d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t J J o u r n a l o f To n g j i Un i v e r s i t y ： Na t u r a l S c i e n c e， 2 0 1 0， 3 8 ( 3 )： 4 1 2 41 6 ( i n Ch i ne s e ) 赵铁军 ， 李淑进 碳 化对混凝 土渗透性及孔 隙率的影 响E J 工 业建 筑， 2 0 0 3 ， 3 3 ( 1 ) ： 4 6 4 8 Z HAO Ti e j u n ， L I S h u j i n E f f e c t o f c a r b o n a t i o n o n p e r me a b i l i t y a n d p o r o s i t y o f c o n c r e t e J I n d u s t r i a l C o n s t r u c t u o n ， 2 0 0 3 ， 3 3( 1 ) ： 46 4 8 ( i n Ch i n e s e ) HAUSM ANN D A S t e e l c o r r o s i o n i n c o n c r e t e ： Ho w d o e s i t o c c u r J Ma t e r ia l s P r o t e c t i o n， 1 9 6 7 ， 6 ( 1 1 ) ： 1 9 - 2 3 HAUSM ANN D A A p r o b a b i l i t y mo d e l o f s t e e l c o r r o s i o n i n c o n c r e t e J Ma t e r i a l s P e r f o r ma n c e ， 1 9 9 8 ， 3 7 ( 1 0 ) ： 6 4 6 8 HUSS AI N S E ， AL ， GAH ATANI A S Ch l o r i d e t h r e s ho l d f o r c o r r o s i o n o f r e i n f o r c e me n t i n c o n c r e t e E J AC I Ma t e r i a l s J o u r n a l ， 1 9 9 6， 9 4 ( 6 )： 5 3 4 5 3 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m