（材料学专业论文）粉煤灰混凝土在多重因素作用下多维氯离子扩散特性.pdf

摘要 摘要 氯离子扩散进入混凝土中，破坏钢筋钝化膜是导致钢筋混凝土结构内部钢筋锈蚀、引起 结构失效的重要原因。 本文采用自然扩散法，建立了二维与三维氯离子扩散的实验方法，设计了能够对混凝土 试件施加荷载的实验加载系统，测试了粉煤灰混凝土在多重因素协同作用下氯离子的扩散特 性，研究了反映氯离子扩散性的多个指标，探讨了不同因素作用对氯离子扩散性的影响，并 设计了微型加载装置，探讨了弯曲荷载作用下混凝土的损伤劣化机理。主要得出以下结论： ( 1 ) 水灰比一定时，2 0 的粉煤灰掺量的混凝土的2 d 和3 d 氯离子扩散系数最小，具 有较好的抗氯离子扩散性；粉煤灰掺量一定时，水灰比越大，混凝土的2 d 和3 d 氯离子扩 散系数越大，抗氯离子扩散性越差；随着标准养护龄期的增加，2 d 和3 d 氯离子扩散系数 减小，但氯离子扩散6 个月后的氯离子扩散系数相差不大。粉煤灰掺量与氯离子扩散系数的 ，、 关系为d n = ( 1 0 3 6 - 0 3 1 5 e + o 0 0 9 1 2 f a ) l c m 2 sj 。 ( 2 ) 2 d 和3 d 氯离子扩散深度的轮廓线是一个圆角，2 d 和3 d 氯离子扩散存在交互作 用。为量化这种交互作用，提出了2 d 、3 d 氯离子扩散交互系数的概念。 ( 3 ) 弯曲荷载作用下，混凝土的2 d 氯离子扩散系数较单因素下均有不同程度的提高； 应力水平达到0 5 时，氯离子扩散系数与不施加弯曲荷载的情况相比有显著增大，说明在这 个应力水平作用下，混凝土的微观结构和连通毛细孔的变化足以显著影响氯离子的渗透性； 弯拉应力造成了混凝土基体内在缺陷扩展、增多，成为氯离子向混凝土内部扩散的通道。应 力水平与氯离子扩散系数的关系为d ，= t 9 2 + 1 7 4 盯1 1 5 ，一。 ( 4 ) 干湿循环作用加快了氯离子向混凝土内部的扩散。 ( 5 ) 碳化对氯离子向混凝土内部的扩散有明显的加速作用；混凝土的碳化从f r i e d e l 盐中置换出氯离子，即混凝土的碳化使a f m 相中的x 由碳酸盐取代已固化的氯离子，而释 放出c r ，大大降低混凝土对氯离子的固化。 ( 6 ) 建立了基于氯离子扩散的多因素寿命预测模型， c 0 = c o + ( e c ；l l d ， 关镶e 词：粉煤灰，多重因素，二维，三维，交互作用，交流阻抗 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t c h l o r i d ei o nd i f f u s e si n t ot h ec o n c r e t e d a m a g e ss t e e lp a s s i v a t i n gf i l li s i m p o r t a n tr e o s o l l t h a tc a u s e ss t e e lc o r r o s i o na n ds t r u c t u r a lf a i l u r ei nr e i n f o r c e dc o n c r e t es 协i c t u r e s i nt h i sp a p e r , n a t u r a ld i f f u s i o nm e t h o di su s e d , t h ee x p e r i m e n tm e t h o do f t w o - d i m e n s i o n a la n d t h r e e - d i m e n s i o n a lc h l o r i d ei o nd i f f u s i o ni sb u n l al o a d i n gd e v i c et h a ti m p o s e sl o a do nc o n c n i s d e s i g n e d , t h ec h l o r i d ei o nd i f f u s i o no ff l ya s hc o n c r c t eu n d e rm u l t i p l ef a c t o r si st e s t s v a r i o u s i n d i c a t o r st h a tr e f l e c tt h ec h l o r i d ei o nd i f l u s i o ni ss t u d i e d 山e e f f e c to fd i f f e r e n tf a c t o r s0 1 1t h e c h l o r i d ei o nd i f f u s i o ni sd i s c u s s e d ，am i c r o - l o a d i n gd e v i c ei sd e s i g n e d ，t h ed a m a g em e c h a n i c so f c o n c r e t eu n d e rf l e x u m ls 臼e s si sd i s c u s s e d m a i nr e s u l t sa c h i e v e da r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) w h e nw cr a t i oi sc o n s t a n t , 2 da n d3 dc h l o r i d ei o nd i f f u s i o nc o e 街c i e n to ft h ec o n c r e t e w i t hf l ya s hc o n t e n tt o2 0p e n ti ss m a l l e s t ，a n dt h ec o n c r e t eh a sb e t t e rr e s i s t a n c et oc h l o r i d ei o n d i f f u s i o n ；w h e nt h ec o n t e n to ff l ya s hi sc o n s t a n t , 2 da n d3 dc h l o r i d ei o n d i f l u s i o nc o e 币c i e n t i n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a c eo f w cr a t i o ；2 da n d3 dc h l o r i d ei o nd i f h l s i o nc o e 伍c i e n td e c r e a s ew i t h t h ei l l c r e a 艟o fs t a n d a r dc u r i n ga g e b u t2 da n d3 dc h l o r i d ei 0 1 1d i f l h s i e nc o e 历c i e n th a sl i t t l e d i f f e r e n c ea r e rs i xm o n t h s ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec o n t e n to ff l ya s ha n dc h l o r i d ei o n d i f f u s i o nc o e f f i c i e n t i sd 0 = ( 1 0 3 6 0 3 1 5 f a + o 0 0 9 1 2 f a 2 ) b 2 s ) f 2 ) t h ec o n t o u ro f2 da n d3 dc h l o r i d ei o nd i f f u s i o ni saf i l l e l t h e r ei si n t e r a c t i o no f2 da n d 3 dc h l o r i d ei o nd i f f u s i o n t 0q n a n t i f yt h ei n t e r a c t i o n t h ec o n c e p t i o no f2 da n d3 dc h l o r i d e d i f f u s i o ni n t e r a c t i o nc o e 伍c l e n tw a sp u tf o r w a r d ( 3 ) u n d c rf l e x u r a ls u * e s s ，2 dc h l o r i d ei o nd i f f u s i o nc o e f f i c i e n ti sb i g g e rt h a nw i t h o u tf l e x u r a l s t r e s s ；w h e nt h eb i n d e rr a t i oa c h i e v e s0 5 ，c h l o r i d ei o nd i f f u s i o nc o e f f i c i e n ts i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e t h a nw i t h o u tf l e x u r a ls t r e s s ，t h em i c r o s t r u c t u r eo f c o n t r e t ea n dt h ec h a n g eo f c a p i l l a r yp o r e s i t yc a n s i g n i f i c a n t l yi n f l u e n c ec h l o r i d ei o nd i f i l l s i o nu n d e rt h i sb i n d e rr a t i o ；f l e x u r a ls n e s sr e s u i t st h a t d e f e c t si nc o n c l _ e t ee x p a n s ea n di n c r e a s e w h i c hb e c o m ec h a n n e lo fc h i o r i d ei o nd i f f u s i e ni n t o c o n c r e t e t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eb i n d e rr a t i oa n dc h l o r i d ei o nd i f f u s i o nc o e f f i c i e n t i s d ，= ( 9 2 + 1 7 4 盯。5i 一 ( 4 ) w e ta n dd r yc y c l ea c c e l e r a t e sc h l o r i d ei o nd i f f u s i o n ( 5 ) c a r b o n i z a t i o na c c e l e r a t e sc h l o r i d ei o nd i f f u s i o n ；c h l o r i d ei o nc a nb er e p l a c e df r o mf r i e d e l s a l ti f c a r b o n a t i o no c c u r s ，c a r b o n a t i o ng r e a t l yr e d u c e st h eb i n d i n ga b i l i t yo f c o n c r e t e ( 6 ) c h l o r i d ed i f f u s i o nm o d e lu n d e rm u l t i p l ef a c t o r si sb u i l t ， =co+cc，一co)-一，磊xc k e yw o r d s ：f l ya s h ，m u l t i p l e f a c t o r s ，c h l o r i d ei o n ，t w o - d i m e n s i o n a l ，t h r e e d i m e n s i o n a l ， i n t e r a c t i o n ，e i s 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：乌! 塾 e l期：业 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：盔丛坠一导师签名： 盈丝 1 日期：型 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 1 1 1 研究背景 苏通长江大桥是江苏省继长江第二大桥、润扬长江公路大桥之后的又一座跨越浩浩长 江、连接南通和苏州( 常熟) 的特大型长江大桥。苏通长江大桥位于江苏省的东部，南逯农 场至苏州( 常熟) 徐六泾之间，西距南京约2 8 0 千米( 距江阴长江大桥9 0 千米) ，东距长江 入海口约1 0 0 千米。大桥北接即将开工建设的宁启高速公路南通( 五华) 至启东段和沿海高 速公路，南接沪宁高速公路和建设中的苏嘉杭高速公路以及江苏省沿江高速公路，是江苏省 “四纵四横四联”骨架公路网“纵一”的过江段，又是国家沿海公路交通大通道同( 江) 三 ( 亚) 线重要的有机组成部分，与已建成的其他长江大桥相比，更能紧密地与沿海高速公路 带衔接。该桥东接上海市，西连苏锡常地区，又可连接南通港、张家港港、镇江港、南京港， 太仓港等江苏东部沿海港口群，直接缩短与上海的距离，呼应浦东开发和上海国际航运中心 建设，令苏北地区更好地接受上海的辐射。 苏通大桥主孔跨度( 1 0 8 8 米) 、主塔高度( 3 0 6 米) 、斜拉索的长度( 5 8 0 米) 和群桩基 础( 4 2 2 7 1 方) 四项居世界第一。大桥总投资6 2 7 亿元，建设工期为6 年，力争2 0 0 8 年年 底前建成。 苏通大桥建设面临多项世界级难题，其中很多方面现有的标准和规范均不能涵盖，建设 这座大桥堪称是一次对自然的挑战。特别是今年的主塔基础施工，是全桥建设成败的关键， 建设条件极其繁杂，水上施工将与潮汐、洪水、台风等正面“交锋”，施工和管理的难度都相 当大。 综上所述，对于这样一个特大型工程，混凝土的耐久性是工程质量的极其重要的指标。 大量的工程实践表明，当代混凝土结构在恶劣环境下经常出现还远远未达到预期的使用寿命 就破坏失效，造成重大经济损失。所以我们更应该把混凝土的耐久性、安全性、服役寿命至 于重中之重。 1 1 2 氯离子作用下混凝土的耐久性 苏通大桥地处近海地区，虽然不会直接与海水接触，但是由于海域扩张、盐雾以及冬 季除冰盐的使用，混凝土存在由于氯离子侵蚀造成的耐久性失效的危险。 混凝土是目前世界上使用最广泛的建筑材料之一，钢筋混凝土结构有其优点，如取材容 易、价格低廉等。随着新的结构计算理论的提出和新型建筑材料的出现，将来还会出现许多 新的结构形式，但可以肯定的是，钢筋混凝土结构仍然是最常用的结构形式之一【l 】。 当然，这并不是说钢筋混凝土结构是十全十美的。事实上，从混凝土应用于土木工程至 今的1 5 0 年间，大量的钢筋混凝土结构由于各种各样的原因而提前失效，达不到预定的服役 年限；这其中有的是由于结构设计的抗力不足造成的，有的是由于使用荷载的不利变化引起 东南大学硕士学位论文 的，但更多的是由于结构的耐久性不足导致的；特别是沿海及近海地区的混凝土结构，由于 海洋环境对混凝土的腐蚀，导致钢筋锈蚀而使结构发生早期损坏，丧失了结构的耐久性能， 已成为实际工程中的重要问题。早期损坏的结构需要花费大量的财力进行维修补强，甚至造 成停工停产的巨大经济损失。例如，我国南方城市湛江港于1 9 5 6 年建成的一座码头，于1 9 6 3 年对其调查时发现粱底部分有顺筋锈裂，虽然于次年进行了一次修补，但使用2 0 年后发现 钢筋锈蚀更为严重，底板混凝土因钢筋锈蚀而大面积脱落，露筋面积占底板的2 1 ，鉴于 码头耐久性的严重不足以及码头继续向前位移可能会导致的安全问题，经多方论证后，不得 不将上部结构拆除闭。因此，耐久性失效是导致混凝土结构在正常使用状态下失效的最主要 原因之一 所谓混凝土结构耐久性，是指混凝土结构在自然环境，使用环境及材料内部因素的作用 厂，在设计要求的目标使用期内，不需要花费大量资金加固处理而保持其安全、使用功能和 外观要求的能力。通过进一步的分析可以发现，引起结构耐久性失效的原因存在于结构的设 计、施工及维护的各个环节。首先，虽然在许多国家的规范中都明确规定钢筋混凝土结构必 须具备安全性、适用性与耐久性，但是，这一宗旨并没有充分地体现在具体的设计条文中， 使得在以往的乃至现在的工程结构设计中普遍存在着重强度设计而轻耐久性设计的现象。以 我国1 9 8 9 年颁布的混凝土设计规范为例唧，该规范除了一些保证混凝土结构耐久性构造措 施之外，只是在正常使用极限状态验算中控制了一些与耐久性设计有关的参数，如混凝土结 构的裂缝宽度等，但这些参数的控制对结构耐久性设计并不起决定性的作用。并且这些参数 也会随时间而变化。同时，不合格的施工也会影响混凝土结构的耐久性，常见的施工问题如 混凝土质量不合格，钢筋保护层厚度不足都有可能导致钢筋提前锈蚀。另外，在混凝土结构 的使用过程中，内于没有合理的维护而造成结构耐久性的降低也是不容忽视的，如对结构的 碰掐、磨损以及使用环境的劣化，都会使混凝土结构无法达到预定的使用年限。 结构耐久性不良引发的经济损失极其惊人。在2 0 0 5 年美国工程调查报告”h 中指出，基 建工程的质量有所下降从1 9 9 8 年的c 级降到2 0 0 5 年的d 级。5 9 万座桥梁中有2 7 1 有缺 陷或丧失功能，船闸5 0 失效。不安全的大坝数达3 3 ( 3 5 0 0 个) 。在公路方面因路况不 好，每年维修费用高达5 4 0 亿美元。至于我国基建工程的耐久性，最缺乏的是具体数据，基 建工程的总价值、使用年限、每年的修补费用以及耗材等等，均缺乏具体的详细数据资料。 据1 9 8 6 年国家统计局和建设部对全国城乡2 8 个省、市、自治区的3 2 3 个城市相5 0 0 0 个镇 进行普查的结果口l ，我国已有城镇房屋建筑面积4 6 7 6 x 1 0 8 m 2 ，占全部房屋建筑面积的6 0 ， 已有工业厂房约5 1 0 8 m 2 ，覆盖的国有固定资产超过5 0 0 0 亿元，这些建筑物中约有2 3 x 1 0 s m 2 需要分期分批进行评估与加固。而其中半数以上急需维修加固之后才能正常使用。另外据 1 9 9 4 年铁路秋季检查统计【6 】，在全国共有6 1 3 7 座铁路桥存在着不同程度的损伤，占铁路桥 总数的1 8 8 。 国外学者曾用“五倍定律”形象地描述了混凝土结构耐久性设计的重要性，即设计阶段对 钢筋防护方面节省1 美元，那么就意味着：发现钢筋锈蚀时采取措施将追加维修费5 美元， 2 第一章绪论 混凝土表面顺筋开裂时采取措施将追加维修费2 5 美元；严重破坏时采取措施将追加维修费 1 2 5 美元i s 。 我国存在着广泛的氯盐环境，北方地区大量使用除冰盐环境；沿海地区的高氯离子、高 盐含量环境：西部地区广阔的盐渍土及盐湖环境。在这些恶劣的环境下，氯离子扩散进入混 凝土中，破坏钢筋钝化膜是导致钢筋混凝土结构内部钢筋锈蚀、引起结构失效的重要原因。 由氯离子所引起的钢筋锈蚀是结构设计使用期内一个不容回避的问题，而钢筋锈蚀是混凝土 结构耐久性降低甚至破坏的首要原因。因此，需要对氯离子侵蚀环境下钢筋腐蚀的相关问题 进行研究，并基于结构受腐蚀损伤的特点，提出相应的设计、施工及使用维护措施，以保证 结构在设计寿命内的正常使用。从氯离子侵蚀入手来研究钢筋的锈蚀并建立相应的数学模型 是研究钢筋混凝土结构耐久性的一个重要方面。 因此，钢筋混凝土结构耐久性问题是一个十分重要而迫切需要加以解决的问题，通过开 展对钢筋混凝土结构耐久性的研究，一方面能对已有的建筑结构物进行科学的耐久件评定和 剩余寿命预测，以选择对其正确的处理方法；另一方面也可对新建工程项目进行耐久性设汁 与研究，揭示影响结构寿命的内部与外部因素，从而提高工程的设计水平和施工质量，确保 混凝土结构生命全过程的正常工作。因此，它既有服务于服役结构的现实意义，又有指导待 建结构进行耐久性设计的重要作用，同时，对于丰富和发展钢筋混凝土结构可靠度理论也具 有一定的理论价值。 1 1 3 多重因素作用下混凝土的耐久性 多重破坏因素作用下混凝土的损伤失效过程是混凝土学科的重大科学技术与理论问题， 在国际学术界已引起科学家的高度重视。半个世纪以来，混凝土结构很少因强度不足而影响 使用，但由于耐久性差而导致结构失效与破坏，寿命缩短的事故却不断增多，尤其是大坝、 道路、桥梁、港口等重大工程以及高层建筑物未达到设计年限就破坏的事故很多。虽然混凝 土的耐久性研究工作做了几十年，但是这些研究都是考虑单一破坏因素作用下的耐久性，不 能反映工程实际的应力或非应力与不同化学腐蚀和物理疲劳等复合作用。混凝土的耐久性应 该是多重破坏因素、至少是双重破坏因素共同作用的结果，材料内部损伤劣化程度也决不是 各破坏因素单独作用引起损伤的简单加和值，而是诸因素相互影响、交互叠加，从而加剧了 材料的损伤和劣化程度。通常多重破坏因素作用下材料的劣化程度大于各损伤因素单独作用 下引起损伤的总和，即产生l + i 2 、i - - 2 3 的损伤叠加规律和超叠加效应，并导致混凝土 工程性能进一步降低和寿命缩短。另一方面损伤因素的交互作用既有正影响，也有负影响， 如冻融和除冰盐嘲，两者均会引起混凝土膨胀，有损伤负效应，同时除冰盐降低水的冰点能 缓解冻融破坏，又有正效应。实际环境同时影响耐久性的因素可能多于2 个，情况就更加复 杂，例如三重破坏因素作用下混凝土的损伤复合效应，既有3 个破坏因素单独作用的损伤叠 加效应，也有任意2 个破坏因素同时作用再加上另1 个因素单独作用的损伤叠加效应。 因此，研究混凝土在双重和多重破坏因素作用下的耐久性问题。首要任务就是要建立能 够进行同时考虑2 个以上破坏因素的实验方法体系，其中，有2 个关键技术问题必须解决： 3 东南大学硕士学位论文 第一，设计能够对混凝土试件旖加荷载的实验加载系统；第二，建立能够对加载的混凝土试 件进行快速的、连续的和非破损的数据采集系统。 将粉煤灰大量应用于结构混凝土是减轻燃煤排放污染、缓解矿物能源危机的有效途径。 粉煤灰具有火山灰活效应，已被广泛地应用于重大工程项目中，研究粉煤灰混凝土的耐久性 具有重要的经济和社会效益和价值。 因此，需要对氯离子侵蚀环境下钢筋锈蚀的相关问题进行研究，尤其在双重和多重因素 作用下粉煤灰混凝土氯离子扩散规律和钢筋锈蚀的规律，并对其寿命进行科学合理的预测， 以便更好的指导在实际中的设计、施工及使用，从氯离子侵蚀入手来研究钢筋的锈蚀并建立 相应的数学模型是研究钢筋混凝土结构耐久性的一个重要方面。 1 2 国内外研究现状及存在的问题 1 2 1 国外研究现状 ) r n i l s s o n 等”规定的混凝土氯离子结合能力定义足为r = ；兰。t u u t t i 1 0 1 和a r y a 等发 d c 现，在低的自由氯离子浓度范围内，混凝土中的结合氯离子浓度与自由氯离子浓度之间的关 系以线性吸附为主。t 锄一1 2 1 等发现在低自由氯离子浓度范围内，除了常见的线性吸附以外， 部分混凝土的结合氯离子浓度与自由氯离子浓度之间存在非线性吸附现象f r l d l i c h 吸 附。s e r g i 【”1 等发现，在更大的浓度范围，进入混凝土内部的自由氯离子浓度与结合氯离子 浓度符合l a n g m u i r 非线性吸附。m a n g a t 等p 4 建立了混凝土的氯离子扩散系数与时间的关 厂，、” 系，t h o m a s 等n 5 1 改用下式表示上述关系，d ，= d o l 蔓1 有研究表明，混凝土结构经过 lf 相当长时间的使用后，其表面基本达到氯离子饱和，在稳定的使用环境中，不会发生太大的 变化，因此可以假定混凝土结构表面氯离子浓度恒定”卅。z e m a j t i s 认为，可以将表面氯离子 浓度用g 分布来描述 1 7 】，s t e w a r t h i j 将其分布形式用对数正态分布来表示。氯离子临 界浓度的取值在以往国内外的研究中有很大的差异性：对于海水环境混凝土结构不同部位 ( 浪溅区、水位变动区。水下区) ，有不同的取值1 q ；而即便是不考虑结构部位的不同， 目前许多研究所获得的临界浓度值也有很大差别 2 0 1 。 h e a r n ( 2 1 1 发现外部应力对硬化混凝土的渗水性无明显影响；l ( 1 a l l i 口2 1 则发现当应力水 平超过混凝土最终强度的4 0 时，混凝土渗透性急剧增加；而h i r o s h i l s h i i n 耐【2 ”发现外部静 力荷载高达混凝土最终强度的9 0 时仍对混凝土的氯离子渗透性无明显影响。t h o m a s 等 2 4 1 通过不同组分试件在海水中浸泡2 8 d 的试验数据指出：不饱和试件通过毛细管吸附作用大量 吸水；使得氯离子在表面及一定深度集中。 j o h n d g 【2 5 】首次使用电化学交流阻抗谱e i s ( e l e c t r o c h e m c i a l i m p e d a n c e s p e c t r o s c o p y ) 检测钢筋的腐蚀，提出了模拟阻抗数值的等效电路，并对浸没在海水中的混凝土试样使用 4 第一章绪论 e i s 。结果发现在低频范围的阻抗响应与电荷转移过程有关；在高频范围的阻抗响应与表面膜 的形成有关。后来，g o n z a l e z 2 6 1 等比较t e i s 响应和线性极化技术，并观察到e i s 能够确定腐 蚀过程的一些特征，指出此技术确定的线性极化电阻与其他技术确定的数值十分相近。f r o d 等口7 1 通过操纵系统的一些参数，研究了一些e i s 谱，例如试样的几何形状、局部化学成分和 微观结构及电极形状等。研究发现了一些与3 个时间常数有关的因素，它们是：钢筋表面形 成的钝化膜、界面反应( 极化电阻的双电层电容) 、大体积混凝土特征。在有些情况下，其 他时间常数也可被观察到，这是由于混凝土干缩现象造成的。 c o l l e p a r d i 首次应用f i c k 第二扩散定律建立了氯离子在混凝土中的扩散模型口q ，得到了 广泛认可。p r e z z i 等 2 9 1 在运用公式计算混凝土的氯离子扩散系数时，考虑了混凝土对氯离子 的结合能力，但是，在氯离子扩散方程中未能引入混凝土的氯离子结合能力参数。m a n g a t 等口o l 在氯离子扩散方程中考虑到氯离子扩散系数与时间的关系，该方程的缺点是：d ，不是 一个可测定值。 1 2 2 国内研究现状 我国对受腐蚀钢筋混凝土结构的研究始于2 0 世纪6 0 年代初期南京水利科学院的钢筋锈 蚀研究。在氯离子扩散性的研究方面取得了许多成果。邢锋、冷发光0 2 1 等研究了长期持 续荷载对素混凝土氯离子扩散性的影响，认为在荷载作用下的素混凝士构件，其受拉区的氯 离子扩散性随荷载的提高而增大，荷载较小时，增长幅度小，当荷载进一步提高后，增长幅 度也相应提高，并认为渗透深度与时间的平方根存在线性关系。袁承斌p ”等研究了不同应 力状态下混凝土抗氯离子侵蚀的情况。认为不同应力水平下氯离子的侵蚀速度不同，水灰比 对氯离子的侵蚀速度影响明显，水灰比小的混凝土抗氯离子侵蚀能力强。何世钦、贡金鑫9 卅 研究了弯曲荷载作用下氯离子对混凝土中氯离子扩散的影响规律，认为持续弯曲荷载作用增 加了氯离子在混凝土中的含量，氯离子扩散系数与荷载作用有一定的关系，氯离子扩散系数 随时间增加而减小。巴恒静 3 5 1 等研究了水灰比与应力水平对混凝土氯离子扩散性的影响， 认为混凝土水灰比越大，氯离子扩散的非稳定阶段越短，混凝土抗氯离子扩散性越差，相同 应力水平下，混凝土水灰比越大，混凝土的残余应变越大，应力水平从0 4 f u 提高到0 8 f u ， 混凝土的残余应变明显增大。李果”研等研究了干湿循环混凝土内钢筋锈蚀加速效应的机理， 认为由于干湿循环交替状态条件下混凝土内部钢筋腐蚀环境失去了长期干燥状态下可能导 致的混凝土电阻控制和长期浸泡状态下可能导致的氧扩散控制，使得电阻率低且氧气供应充 分，导致较高的钢筋腐蚀速度。张亚梅【3 7 1 等研究了浸烘循环作用下橡胶混凝土的氯离子扩 散性，认为经浸烘循环作用的混凝土自由氯离子浓度和总氯离子浓度均高于长期浸泡的混 凝土在同一深度处的自由氯离子浓度和总氯离子浓度。金祖权【3 s l 等研究了千湿循环作用下 混凝土对氯离子的结合能力规律，认为矿物掺和料能提高氯离子的结合能力且结合能力与混 凝土离试件表面的深度以及该处自由氯离子浓度成幂函数关系。与浸泡单因素作用相比，干 湿循环会提高矿物掺和料的氯离子结合能力。刘志勇胛1 等进行了含氯盐混凝土碳化过程钢 筋锈蚀阈值与使用寿命预测的研究。 5 东南大学硕士学位论文 在钢筋锈蚀的研究方面，肖从真认为，混凝土中钢筋的锈蚀原电池根据去钝过程的 不同可分为宏观原电池和微观原电池。惠云玲等”1 1 认为，在一般的混凝土结构中产生的钢 筋腐蚀通常为自然电化学腐蚀，而电解车间中混凝土结构容易产生杂散电流腐蚀，应力腐蚀 和氢脆通常出现在预应力混凝土结构中。随着交流阻抗技术的推广，我国也有部分学者也在 应用这种技术来研究混凝土中钢筋腐蚀。史美伦m 等认为同一个钢筋混凝土试件在不 同的时间进行交流阻抗测试，一般来说实验曲线是不同的，但其拓扑结构则不变，即它们是 拓扑等价的。如果不同时间的测量结果发生了拓扑结构的变化，说明该试件内的物理过程己 发生了质变。李岩m 等用交流阻抗法判断9 种技术条件的混凝土试件中钢筋表面腐蚀状态。 余红发，孙伟等 4 8 1 得出了混凝土氯离子扩散新方程的最基准的数学解一氯离子扩散理 论基准模型。 1 2 3 国内外抗氯离子扩散性的测试方法 1 2 3 1 自然扩散法 自然扩散法是先将混凝土长时间浸泡于含氯盐的水中，再通过切片或钻取芯样，用化 学分析的方法得到氯离子浓度与扩散距离的关系，然后利用f i c k 第二定律计算出氯离子扩 散系数。这种方法是确定离子在混凝土中扩散系数的最常用的方法，比较接近实际情况，但 费时费力。 1 2 3 2 加速渗透法 加速渗透法是先通过施加电场来加速氯离子在混凝土中的迁移，缩短氯离子达到稳态 传输过程的时间。 ( 1 ) 电量法 4 9 1 电( 直流电) 加速氯离子扩散试验方法最初由w h i t i n g 于1 9 8 1 发明，最早是快速氯离 子渗透试验方法( r c p t ) 。该装置的设计原理是溶液中的离子在电场的加速下能够快速渗透。 该装置中所用的电压为6 0 v 。由于这种试验方法持续时间短，在试验室内具有重复使用性， 该试验方法于1 9 8 3 年被美国公路运输局定为标准试验方法，即a a s h t o t 2 7 7 ，紧接着又被 美国试验与材料协会a s t m 选定为标准试验方法。 a a s h t o t 2 7 7 ( a s t m c l 2 0 2 ) 试验的具体方法：5 0 m m 厚，1 0 0 m m 直径的水饱和混凝土 试件，两端水槽所用溶液分别为3 o n a c l 和o 3 mn a o h ，在6 0 v 的外加电场下持续通电 6 小时，以该时间内通过混凝土电量的高低来判断混凝土的抗氯离子渗透能力。尽管该试验 方法被选定为标准试验方法，但是，这种测试氯离子渗透的技术仍存在以下几点争论 s o j ： 通过试件的电量与孔液中所有的离子相关，而并不只是氯离子；所作的测试工作完成于 离子达到稳定迁移之前，即离子的扩散并没有达到稳定状态；所加的高电压导致溶液的温 度升高，从而影响测试结果；电极腐蚀严重；所测结果不能精确定量说明混凝土抗氯离 子渗透能力。 ( 2 ) 渗透系数法 t a n gl u p i n g f s l , s 2 1 ，k 1 s t a n i s h i s 3 , 纠等基于n e r n s t - p l a n e k 方程首先从理论建立了浓度、通 6 第一章绪论 量、渗透深度、渗透系数之间的关系，进而进行了试验验证。其中，t a n gl u p i n g 的试验方 法已经被欧盟广泛接受，并推荐为欧盟规范。但该方法并未从根本上解决氯离子渗透试验中 存在的问题。 电阻技术是近年来发展起来的、用来评价氯离子在混凝土中渗透能力的另外一种方法。 电阻是物质对电的抵抗力，电导率与电阻率相反。s l r e i c h e r 和a l e x a n d e r l 5 5 1 认为饱和多孔材 料的电导率主要由孔液的电导率确定： f = o r c r n( 1 - 1 ) 式中。一多孔材料的电导率； 0 0 羽液的电导率。 多孔材料的电导率和扩散系数的影响因素是相同的，即孔径大小及其连通性。因此， 也可以用下式表示： f = d d o ( 1 - 2 ) 式中n 一多孔材料的扩散系数； d ，孔液中氯离子的扩散系数( 即自由氯离子的扩散系数) 电阻值的测试方法有两种，包括用直流电和交流电测试。 测试混凝土电阻所用的电压通常为1 0 v 或更低，且测试时间很短，这样可以避免混凝 土被加热，这种测试方法的主要困难是确定孔液的电导率。提取孔液的方法有两种：一种是 孔溶液榨取法；另外一种是用已知电导率的溶液将待测混凝土预饱和，后者是常用的方法。 国内路新瀛“1 等人在这方面作了相关研究。 电阻技术的不足之处在于 5 0 l ；预饱和技术在干燥过程中由于微裂纹的形成损害混凝 土原有的孔结构，从而增加其渗透性。同时也很难使溶液在混凝土内达到均匀分布，即使用 真空饱和技术也很难保证高品质的混凝土和较厚的混凝土内部达到完全饱和。溶液进入混 凝土前后是相同的假设并不正确，主要因为混凝土孔液中包含的离子是多样的( 主要是碱性 氢氧化物) ，当混凝土干燥后，这些离子过饱和结晶当溶液进入混凝土时，这些结晶又会溶 于溶液中，从而影响溶液的电导率。离子的迁移很难达到稳定状态。不适用于导电材料。 以上渗透模型的缺陷是均假定渗透系数为常数；忽略了水分传输对化合物传输的影响； 特别是测量周期较长时渗透系数作为时间的函数出现，测量浓度过程中不能得到渗透系数随 时间变化的对应值。因此，用该渗透系数不能准确地评价高性能混凝土的耐久性。然而，这 些模型对于实际应用还是很有用的，因为可以计算得到渗透系数的相对值，可以用来比较不 同混凝土和不同环境中混凝土的渗透性。 1 2 4 存在的问题 纵观国内外已有的文献资料，在氯离子扩散性的研究上还存在着以下主要问题： 已有的文献多是集中在单一因素和双重因素作用下的氯离子扩散性研究，而实际上混凝 7 东南大学硕士学位论文 土在服役过程中多是在多重因素协同的作用下，在此方面的研究尚不系统，得到的规律尚不 完善。 混凝土氯离子扩散规律的研究大都集中在一维，而实际中混凝土尤其是边角处混凝土多 处于二维和兰维扩散，对于二维和三维氯离子扩散的研究比较匮乏。 多重因素协同作用下的钢筋锈蚀文献中很少涉及，而实际造成钢筋混凝土失效的原因是 各种因素的共同作用。 弯曲荷载作用下的氯离子扩散的微观机理尚未有人研究。 1 3 研究内容 本课题主要研究在弯曲荷载、干湿循环、碳化多因素协同作用下混凝土氯离子一维、 二维和三维扩散规律及钢筋锈蚀的问题。本研究主要考虑的是弯曲荷载、干湿循环、碳化、 氯离子侵蚀这些因素如何相互作用，导致混凝土的劣化，弄清过程与机理。 1 试验装置的试制 设计并加工混凝土试件的加载装置；采用应力传感器装置来实现加载过程中的应力松弛 情况并制定相应判断的准则。 2 多因素协同作用下混凝土氯离子的扩散特性、交互作用的研究。 ( 1 ) 单因素：通过试验研究单一因素作用下混凝土的一维、二维和三维氯离子扩散规律， 提出二维和三维氯离子扩散交互系数的概念； ( 2 ) 双因素：包括弯曲荷载+ 氯离子，干湿循环+ 氯离子，研究弯曲荷载、干湿循环作 用下氯离子扩散的规律，把弯曲荷载与干湿循环对氯离子扩散的影响量化，并研究弯曲荷载 与干湿循环对氯离子扩散影响的机理。 ( 3 ) 多因素：包括弯曲荷载+ 干湿循环+ 氯离子、碳化+ 干湿循环+ 氯离子，弯曲荷载+ 碳 化+ 干湿循环+ 氯离子等双重和多重因素协同作用下的混凝土的氯离子扩散规律，分析多因 素协同作用下混凝土氯离子扩散的规律，并对其机理进行研究。 3 多因素复合作用下混凝土内钢筋锈蚀的规律 通过交流阻抗法研究单一和多重因素作用下混凝土内钢筋锈蚀的规律，分析各因素对混 凝土内钢筋锈蚀规律的影响。 4 弯曲荷载与氯离子协同作用下混凝土裂化的机理 通过s e m 并结合图像分析技术，原位定量观察多因素作用下混凝土的内部微裂纹发生、 发展过程，研究氯离子侵蚀过程中混凝土中微裂缝和孔隙的变化情况，描述损伤过程：实时 地得到材料内部发生的损伤及其直观的图像。 8 第二章原材料与实验方法 2 1 原材料 第二章原材料与实验方法 2 1 1 水泥 水泥是混凝土最主要的原材料，工程现场采用的水泥为4 2 5 级p o ，根据g b l 7 5 1 9 9 9 、 g b l 7 6 7 1 1 9 9 9 、g b l 3 4 5 1 9 9 1 、g b l 3 4 6 - 1 9 8 9 、g b l 7 6 1 9 9 6 检测其物理力学性能和总碱含 量结果列于表2 1 中。 试验结果表明，依据g b l 7 5 1 9 9 9 ，该水泥性能均满足4 2 5 级p o 的标准指标，安定性 合格。 表2 1 水泥物理、力学性能 2 1 2 粉煤灰 表2 2 粉煤灰物理性能 谏壁电厂i 级灰粉煤灰、南通级灰粉煤灰取自施工现场b 1 、b 2 标，依据g b l 5 9 6 - - 9 1 、g b l 7 6 - - 1 9 9 6 对2 种粉煤灰性能进行了试验，其结果列于表2 2 中。 9 东南大学硕士学位论文 试验结果表明，这两种粉煤灰所测性能满足g b l 5 9 6 - - 9 1 标准规定的相应等级粉煤灰的 性能指标。 2 1 3 集料 表2 3 混凝土用砂性能检验结果 细集料为中砂，取自施工现场。粗集料为玄武岩碎石，取自施工现场。 依据g b t 1 4 6 8 4 2 0 0 1 标准，该砂属中砂，为非活性细集料，级配合格。所测性能指标 均满足配制高性能混凝土的要求。依据g b t 1 4 6 8 5 2 0 0 1 标准，将粗细碎石按6 5 ：3 5 的比 1 0 第二章原材料与实验方法 例配成为5 2 5 m m 连续级配。该石子属非活性集料，所测性能满足配制高强混凝土的要求。 2 1 4 外加剂 由于所配混凝土强度等级较高，2 8 d 配制强度达6 0 6 5 m p a ，且采用泵送施工，所以采 用缓凝型高效减水剂。 表2 6 聚羧酸类缓凝高效减水剂性能 2 1 5 钢筋 直径为8 m m 的i 级钢筋( q 2 3 5 钢) 。 2 2 实验方案 2 2 1 实验内容 本实验主要研究粉煤灰混凝土在单一、双重( 弯曲荷载+ 氯离子，干湿循环+ 氯离子) 和多重因素共同作用( 弯曲荷载+ 干湿循环+ 氯离子，干湿循环+ 碳化+ 氯离子，弯曲荷载 + 干湿循环+ 碳化+ 氯离子) 下的一维、二维和三维氯离子扩散特性，分别探讨水灰比、粉 煤灰掺量及养护龄期对氯离子扩散性的影响。 通过e i s 研究配筋混凝土钢筋锈蚀的过程，通过n y q u i s t 图和b o d e 图分析钢筋的锈蚀 过程。 通过s e m 并结合图像分析技术，原位定量观察弯曲荷载作用下混凝土的内部微裂纹发 生、发展过程。 东南大学硕士学位论文 抗压强度，m p a 抗折强t 目u m p a 2 8 d9 0 d 2 8 d 2 3 实验方法 2 3 1 成型与养护 混凝土经过搅拌后，放入相应尺寸的模具中振动成型，1 天后拆模，然后放入标准养护 室中进行养护，养护龄期为2 8 天和9 0 天。 2 3 2 二维与三维氯离子扩散取样方法 在钻孔机上分层钻孔收集混凝土粉末试样，试件的中间段取样，钻取深度分别是o 5 m m 、5 1 0 m m 、1 0 1 5 m m 和1 5 2 0 m m 。粉末样品在化学分析之前，过o 1 5 m m 的圆孔筛， 以除去粗颗粒。混凝土的c ，采用酸溶萃取法，c t - 采用水溶萃取法【“，其详细的操作与分析 步骤主要参, 照j t j 2 7 0 9 8 水运工程混凝土试验规程 5 r l 的第7 1 6 节“混凝土中砂浆的水溶性 氯离子含量测定”和第7 1 7 节“混凝土中砂浆的氯离子总含量测定”进行滴定。两者氯离子浓 1 2 第二章原材料与实验方法 度均用占混凝土质量的百分比表示。在分析过程中，由于原标准与国外同类标准相比存在许 多不足之处，本文应用时对标准的部分内容进行了调整，主要改变是：( 1 ) 提高了混凝土 粉末样品的细度，将筛孔由0 6 3 m m 改为0 1 5 m m ：( 2 ) 提高了分析天平的精度。原标准称 样时采用感量0 0 1 9 的天平，本文采用感量0 0 0 0 1 9 的分析天平；( 3 ) 减少了样品的数量，原 标准的混凝土粉末样品数量为1 0 2 0 9 ，本文改为2 9 ；( 4 ) 减少了萃取溶液的体积，自由氯 离子浓度分析时萃取溶液( 蒸馏水) 由2 0 0