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高性能混凝土的抗氯离子渗透性与耐久性评估

来源:星星旅游
2010年第6期(总第248期) Number 6 in 2010(Toml No.248) 混 凝 Concrete 土 理论研究 THEOI 11CAL RESEARCH doi:10.3969 ̄.issn.1002・3550.2010.06.008 高性能混凝土的抗氯离子渗透性与耐久性评估 王睿’,王信刚 。齐瑞文’ (1.南昌大学艺术与设计学院,江西南昌330031;2.南昌大学建筑工程学院,江西南昌330031) 摘要:分析了钢筋混凝土中氯离子侵蚀引发钢筋锈蚀的机理,采用电量法和氯离子扩散系数法来评价高性能混凝土的渗透性,并进行 氯离子侵蚀环境下的混凝土耐久l眭评估和寿命预测研究。结果表明:普通混凝土(简称OC)、高性能混凝土(简称I-IPC)和低渗透混凝土 (简称LPC)的6h导电量和氯离子扩散系数的排列顺序均为:OC>HPC>LPC,其抗氯离子渗透性能排列顺序为:LPC>HPD0c。阳,c和 LPC在氯离子侵蚀环境下的使用寿命能够满足设计基准期100年的设计要求,而OC不能达到设计基准期100年的设计要求。 关键词:高性能混凝土;渗透性;耐久陛;氯离子;寿命预测 中图分类号:TU528.01 文献标志码:A 文章编号: 1002—3550(2010)06—0028—03 Chloride ion penetration resistance of high performance concrete and its durability assessment WANGRui’,WANGXin-gang ,OIRui—wen (1.Arts andDesignCollege,NanchangUniversity,Nanchang 330031,China; 2.School ofCivil Engineering and Architecture,Nanchang University,Nanchang 330031,China) Abstract:The mechanism of reinforcement corrosion caused by chloride penetration into concrete was analyzed.The permeability of high performance concrete was investigated by means ofcoulomb test method and chloride diffusion coeficifent test method.Durability assessmeut and service life prediction ofconcrete exposed to chloride environment were study.he Tresults show that the order ofconductive charge for 6 hours and chloride diffusion coefficient ofordinary concrete(abbr.OC).highperformance concrete(abbr.HPC)andlOWpermeability concrete(abbr.LPC) iS OC>HPC>LPC.but tlle order of chloride ion penetration resistance iS LPC>HPC>0C.Service life of HPC and LPC exposed to chloride environment couldmeetdesign requirementof100 years,butOC couldn’tmeetdesin grequirement of100years. Keywords:highperformance concrete;permeability;durabiliy;chltorideion;servicelifeprediction 0 引言 混凝土渗透性控制着水、气体和侵蚀性离子在混凝土中的 附在钢筋表面,使钢筋处于钝化状态,即使在有H20和0:的条 件下钢筋也不会发生锈蚀。但是,当pH值<1 1.5时,钝化膜开 始不稳定并逐步破坏成为活化态,使钢筋开始锈蚀旧。 混凝土中氯离子含量对钢筋锈蚀的影响极大。氯离子可能 是随混凝土组成材料(水泥、砂、石、外加剂)进入混凝土的,也 传输速率,与混凝土耐久性有着密切的关系。在海洋混凝土结 构以及应用除冰盐的道路、桥梁和城市立交桥等受到氯离子严 重侵蚀的环境中,氯离子侵蚀是造成钢筋锈蚀的主要原因,氯 离子侵入钢筋混凝土内部会引起钢筋失效,从而严重影响钢筋 混凝土结构耐久性和安全性【I.3】。现行国家标准采用的加压透水 法无法准确评价出侵蚀性离子环境下高性能混凝土的渗透性, 可能是在混凝土硬化后经其孑L隙由外界渗入的。当钢筋混凝土 长期处于氯离子侵蚀环境时,氯离子就会随水进入混凝土内 部,最终会接触钢筋并开始积累导致钢筋锈蚀。 1.1破坏钝化膜 而应该采用国际上通用的电量法或氯离子扩散系数法来检测 其抵抗环境中侵蚀性离子的渗透性l 4l。本试验分析了钢筋混凝 土中氯离子侵蚀引发钢筋锈蚀的机理,采用电量法和氯离子扩 散系数法来评价高性能混凝土的渗透性,并进行氯离子侵蚀环 境下的混凝土耐久性评估和寿命预测研究。 当氯离子达到临界浓度后,在有足够I{2O和0:的条件下, 即使混凝土的碱度较高,pH>l 1.5时,氯离子也能破坏钝化膜 (临界氯离子浓度与钢筋周围混凝土的碱度有关,碱度愈高,临 界氯离子浓度值愈大。通常用Cl一与OH一的浓度比值来表示临 界氯离子浓度,当C1-/OH一的摩尔比>o.6时,钢筋钝化膜破坏), 1氯离子侵蚀引发钢筋锈蚀的机理 混凝土孔隙中水分通常以饱和Ca(OH) 溶液形式存在,其 中还含有一些NaOH和KOH,pH值在12.5左右,在这样的强碱 使钢筋开始锈蚀,生成Fe(OH) ,即铁锈。氯离子能破坏钝化膜 主要是由于氯离子半径小,活性大,容易吸附在位错区、晶界区等, 氯离子有很强的穿透钝化膜的能力,在钝化膜内层(铁与氧化 物界面)形成易溶的FeC1 ,使钝化膜局部溶解,形成坑蚀现象。 性环境中,钢筋表面被氧化而形成一层厚度为2 ̄6 am的水化氧 化物(nFe203"mH20),俗称钝化膜栩。钝化膜很致密,能牢固地吸 收稿日期:2010-02-02 1.2形成腐蚀电池 当混凝土的碱度较低时,微量氯离子也有可能引起钢筋锈 基金项目:国家“863”计划课题资助项目(2005AA332010);江西省教育厅青年科学基金项目(GJJ09428) ・28・ 蚀。当pH<9.88时,钝化膜生成困难或已生成的钝化膜逐渐破 4Fe(OH)2+02+2H2O--- ̄4Fe(OH)3 坏,氯离子吸附于局部钝化膜,使该处pH迅速降到4以下,钝 化膜被破坏露出铁基体,与尚完好的钝化膜区域之间通过混凝 土中水电解质构成电位差,铁基体作为阳极受腐蚀,大面积的 由此可见,氯离子侵蚀引发钢筋锈蚀的机理主要是氯离子 破坏钢筋表面钝化膜,致使脱钝的钢筋形成腐蚀电池,并且由 于氯离子的阳极去极化作用,使得氯离子在造成钢筋锈蚀的过 程中只起到“迁移”作用而未被“消耗”,周而复始起着破坏作 钝化膜区作为阴极,形成腐蚀电池。 1.3阳极去极化作用 腐蚀电池的阳极反应生成Fe ,如果生成的Fez 不能及时搬 走而积累于阳极表面,则阳极反应就会因此而受阻,称作阳极 用,从而加速了钢筋锈蚀过程朔。 2原材料与试验方法 2.1原材料与配合比 为了研究氯离子侵蚀环境下高性能混凝土的渗透性与耐久 性关系,本试验共设计了5组混凝土配合比,见表1。其特点如 下:①1组普通混凝土(OrdinaryConcrete,简称OC),OC的胶凝 材料只采用P・O 42.5级水泥,粗集料粒径为4.75~26.5 mm,水胶 极化作用,然而cl一与Fe 反应生成FeC1:,使得阳极腐蚀过程 顺利进行甚至加速进行,称作阳极去极化作用。FeC1:是可溶的, 其与水反应的中间产物FeCI2-4H:O是不稳定的,将迅速分解生 成Fe(OH):沉淀和氯离子,Fe(0H) 进一步被氧化成Fe(OH),, 即铁锈。其中,生成的氯离子又将重新参与钢筋的腐蚀反应,也 就是说,进入混凝土中的氯离子会周而复始起着破坏作用,这正 是氯离子侵蚀钢筋混凝土造成钢筋锈蚀的特点所在。 氯离子侵蚀钢筋混凝土造成钢筋锈蚀的主要反应式如下: Fe—÷Fe2 +2e一 比为0.34;②2组高性能混凝土(High Performance Concrete,简 称HPC),HPC的胶凝材料采用P・O 42.5级水泥和粉煤灰,粗 集料粒径为4.75~26。5 mm,水胶比为0.30;③2组低渗透混凝土 (Low Permeability Concrete,简称LPC),LPC的胶凝材料采用 P‘O 42.5级水泥、粉煤灰和硅粉,同时掺入减缩剂和聚丙烯纤 Fe 十+2cl HzO--+FeC12‘4H20 FeCI2"4H2O---}Fe(OH)2』+2H 2cl 2H2O 维,粗集料粒径为4.75~9.5 mm,水胶比为0.30。 表1混凝土配合比 kg/m 注:砂、石以饱和面干状态为基准。 原材料:①水泥:武汉亚东水泥有限公司生产的P・O 42.5级 水泥;②粉煤灰:采用武汉阳逻电厂的n级粉煤灰;③硅粉:采 采用中国土木工程学会CCES 01-2004标准推荐的快速氯离 子扩散测试法(NEL法)来测试混凝土的氯离子扩散系数 。 用武钢森泰冶金有限责任公司的微硅粉;④河砂:采用细度模 数为2.5的巴河河砂,属中砂;⑤石子:采用粒径为4.75 ̄9.5 mm 3试验结果与分析 3.1性能测试结果 表2是混凝土的坍落度、强度、导电量和氯离子扩散系数 的测试结果。由表中可以看出,设计的5组混凝土的强度等级 均为C50;与OC的6 h导电量相比,HPC和LPC的6 h导电量 的瓜米石和粒径为4.75~26.5 min的小分口石,均为碎石;⑥混杂 纤维:由武汉天汇纤维材料有限公司生产的长度3 ln'lTl和10 mm 的聚丙烯纤维按质量比1:1配制;⑦减缩剂:采用江苏博特新材 料有限公司生产的的JM.SRA混凝土减缩剂;⑧高效减水剂:上 海花王化学有限公司生产的Mighty-150和美国GRACE公司 生产的聚羧酸系高效减水剂。 2.2试验方法 均几乎下降了1个数量级,且LPC的6 h导电量下降幅度更大; 与OC的氯离子扩散系数相比,HPC的氯离子扩散系数只下 降了25%~40%,而LPC的氯离子扩散系数几乎下降了1个数 量级。 表2混凝土性能测试结果 根据ASTM C 1202—97电量法测试混凝土的6 h导电量 ; 根据6 h导电量对混凝土进行分类可知嘲,OC的氯离子渗透 3.2 氯离子侵蚀环境下混凝土耐久性评估和寿命预测 氯离子侵蚀环境下混凝土使用寿命预测应该采用孙伟等f 12] 提出的考虑多种因素作用下的氯离子扩散理论模型,该模型基 性能为“中”,而HPC和LPC氯离子渗透性能均为“非常低”;根据 氯离子扩散系数评价混凝土渗透性可知嘲,OC和HPC的氯离子 渗透l生能分别为“中”,LPC的氯离子渗透性能为“很低”。由此可 见,总体上其抗氯离子渗透性能排列顺序为:LPC>HPC>OC。 于Fick第二扩散定律,综合考虑了混凝土氯离子结合能力、氯 离子扩散系数的时间依赖性和氯离子扩散性能的裂化效应等 ・29・ 多种因素,解决了长期以来Fick第二扩散定律在混凝土中的适 用性问题。该模型经推算后可得: / 产e;nv(l  J :) I==e ( —1.9%-二0. —012 5% )』 一-删0删 .980 13)2)() 查误差函数表,可得z=1.65 经推算,可得: 0.171x (1+ )(1一m) \ (4KDo*(e:nv("S-C ̄1t2) 叮T ( ) 式中:e z)是误差函数,且e )=—‘、/_』 e ,erifnv(z)是反 误差函数,式(1)中各参数及其取值见表3。 厂 (3) 式中: 单位为cm,D。单位为cm2/年。 根据式(3)预沏I氯离子侵蚀环境下混凝士结构使用寿命. 根据表3中的参数,可得: 寿命预测结果见表4。 表3寿命预测时的参数及其取值 从表4中可以看出,在氯离子侵蚀环境下,当OC的氯离 子扩散系数为17.OxlO一,m2/s(试验研究时测得的数据,实际工 2007,49(7):2832—2843. [3]MEDEIROS M H F,HELENE P.Surface treatment of minfomed con- crete in marine environment:innuence on chloride difusion coeficientf 程中也完全可以达到)时,其预测使用寿命只有8O年左右,不 足100年;当I-IPC的氯离子扩散系数为10.0 ̄10 mVs(试验研 究时测得的数据,实际工程中也完全可以达到)时,其预测使用 寿命在160年以上;当LPC的氯离子扩散系数为3.0xl0 mVs (试验研究时测得的数据,实际工程中难以达到)时,其预测使 用寿命在250年以上。可见,在氯离子侵蚀环境下,HPC和LPC and capillary water absorption[J].Construction and Building Materials, 2009,23(3):1476—1484. [4]吴中伟,廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中国铁道出版社,1999. [5】贾红梅,阎贵平,闰光杰.混凝土中钢筋锈蚀的研究[J】.中国安全科学 学报,2005,15(5):56—59. 的使用寿命能够满足设计基准期100年的设计要求。 [6]支 荣桂,陈妤,颜庭成.氯盐环境条件下预应力混凝土氯离子侵蚀模 型研究『J].混凝土,2006(9):1-4. 4结论 (1)氯离子侵蚀引发钢筋锈蚀的机理主要包括破坏钝化膜、 形成腐蚀电池和阳极去极化作用。 (2)本试验设计的普通混凝土(简称OC)、商l生能混凝土(简 称唧c)和低渗透混凝土(简称LPC)的强度等级均为C50,其6 h 导电量和氯离子扩散系数的排列顺序均为:OC>HPC>LPC,其 [7]郝晓丽.氯腐蚀环境混凝土结构耐久性与寿命预测[D】.西安:西安建 筑科技大学,2004. [8]ASTM C1202-97,Standard test method for electircal indication of con- crete's ability to resist chloride ion penetration[S].1997. [9】LU Xin—ying.Application of the nemst-einstein equation to concrete[J]. 抗氯离子渗透性能排列顺序为:LPC>HPC>OC。 (3)采用考虑多种因素作用下的氯离子扩散理论模型预测 氯离子侵蚀环境下混凝土使用寿命表明,HPC和LPC在氯离 子侵蚀环境下的使用寿命能够满足设计基准期100年的设计 要求,而OC不能达到设计基准期100年的设计要求。 Cement and Concrete Research,1997,27(2):293—302. [1O】余红发,孙伟,鄢良慧,等.混凝土使用寿命预测方法的研究卜—理 论模型『J1.硅酸盐学报,2002,30(6):686—690. 【11]余红发,孙伟,麻海燕,等.混凝土使用寿命预测方法的研究I卜一 模型验证与应用lJ1.硅酸盐学报,2002,30(6):691—695. [12]余红发,孙伟,麻海燕,等.混凝土使用寿命预测方法的研究III—— 参考文献: [1】KHANDAKER M A H,SAID M E,MOHAMED L.Evaluation of the effect of nl习lrine salts on urban built infrastuctrure[J].Building and Envi— 混凝土使用寿命的影响因素及混凝土寿命评价【J】.硅酸盐学报, 2002。30(6):696—701. ronment,2009。44(4):713—722. f2】TROCONIS DE RINCON 0,SANCHEZ M,MILLANO V,et a1.Effect of the marine environment on reinforced concrete durability in iberoa— 作者简介 王睿(1980一),男,讲师。 单位地址 江西省南昌市红谷滩新区学府大道999号南昌大学建筑 工程学院151号信箱(330031) 联系电话 135 17093858 merican countries:DURACON Project/CYTED[J1.Corrosion Science, ・30・ 

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