（材料学专业论文）混凝土氯离子渗透和碳化性能检测方法及劣化指标的研究.pdf

l i i ii i ii i i iii i ii i i ii il y 17 6 16 8 9 s t u d y o nt es tm e t h o d sa n d c o r r e s p o n d i n g d e t e r i o r a t i o ni n d i c a t o r so f c h l o r i d ei o np e r m e a b i l i t ya n d c a r b o n a t i o ni nc o n c r e t e ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y m i n g j i n g s u p e r v i s e db y p r o f e s s o rz ha n gy a m e i s c h o o lo fm a t e r i a l ss c i e n c ea n de n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a p r i l2 0 1 0 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： 日期：圭! ! 竺：苎：2 东南大学学位论文使用授权声明 东南人学、中国科学技术信息研究所、国家图 5 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 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师 摘要 摘要 氯离子侵蚀和碳化是引起钢筋锈蚀从而导致结构混凝土耐久性下降的重要原因。因此， 有必要建立统一、有效的检测方法及劣化指标米研究混凝土的氯离子渗透和碳化性能，从而 指导混凝土耐久性设计与施工、评价混凝土质量以及预测混凝土结构使用寿命。 在氯离子渗透性试验的诸多方法中，p e r m i t 法( p e r m e a t i o nm i g r a t i o nt e s t ) 是目前唯一一种 能够现场测定混凝土保护层氯离子渗透性能且近似无损的方法，因而具有广泛的应用前景， 但至今研究较少。本课题采用r c p t 法( r a p i dc h l o r i d ep e r m e a b i l i t yt e s t ) 并q lr c m 法( r a p i d c h l o r i d em i g r a t i o nt e s t ) 两种典型的试验方法与p e r m i t 法进行比较研究，测试了一系列不同龄 期的普通混凝土及粉煤灰、矿粉单双掺混凝十的渗透性，分析了三种试验方法之间的相关性。 研究结果表明，p e r m i t 法能较好地反映混凝土的氯离子渗透规律，值得推广应用。该法测得 2 8 d 养护龄期的混凝土氯离子扩散系数与相同龄期卜r c m 试验结果之间相关性最好，并结 合g b t5 0 4 7 6 - 2 0 0 8 建立了基于p e r m i t 法的混凝土氯离子侵入指标。 与自然环境中c 0 2 的实际体积浓度( 一般0 0 3 ) 相比，我国标准加速碳化试验中的c 0 2 体积浓度( 2 0 呦明显偏高。为此，本文在国外研究的基础上，探索采用低浓度加速碳化法研 究混凝土碳化性能的可行性。通过低浓度碳化法与我国标准碳化法的对比研究发现，低浓度 碳化法9 0 d 时的碳化深度与标准碳化法2 8 d 的结果之间相关性较好，与2 8 d 抗压强度之间也 有良好的相关性，从而提出了低浓度( 3 ) 下9 0 d 碳化龄期的混凝土碳化性能指标。 材料的微观结构决定了其宏观的行为机制。本文采用m 巾( m e r c u d ，i n t r u s i o n p o r o s i m e t r y ) 、可蒸发水含鼍法( e v a p o r a t i v ew a t e rm e t h o d ) 及x r d 等常用手段比较全面地考 查了混凝土的微观特性，讨论了结构混凝土宏观性能与其内部微观结构之间的相互关系，试 图通过混凝十材料的组成、结构来反映其宏观性能。结果表明，氯离子渗透性能与孔隙率之 间有良好的相关性，即可认为孔隙率是影响混凝土氯离子渗透性的主要冈素。混凝土的碳化 性能与孔隙率之间也存在着一定的关系，但相关性较差。结合x r d 试验结果分析得知，孔 隙率不是影响混凝土碳化速率的最主要因素，混凝十的碳化速率与其内部可碳化物质氢氧化 钙( c h ) 含量密切相关，c h 含量越低，可吸收的c 0 2 的量越少，碳化速率就越快。矿物掺合 料能与水泥熟料水化时产生的c h 结合，降低了混凝土孔隙中的液相碱度，加快了碳化速率。 由于施：i ：技术等原因，实际结构中混凝土保护层与实验室内测定的混凝十材料的耐久性 之间存在着一定的差异。因此，有必要开展实际环境因素作用下结构混凝土耐久性现场检测 与评估，为海工结构混凝十的寿命预测提供数据支撑，同时也为合理养护制度与方法的制定 提供技术指导。本文选取宁波某已建海t 码头东侧便桥的关键结构部位，对结构混凝土外观、 力学性能、碳化深度、钢筋保护层厚度、混凝土氯离子含量和混凝士碱含最进行现场检测。 检测结果表明，由于长期受海水的冲刷或浸泡，部分构件混凝土存在着破损、开裂等结构过 早劣化现象，不同部位影响程度不同。即使是相同的结构部位，不同测区的测试结果也可能 相差较大。其中，同一水平面的混凝土碳化深度从上部到下部逐渐减少；不同海洋暴露区域 碱含量大小次序是：水下区 潮汐区 大气区；同一取样深度的不同结构部位，氯离子浓度 大小次序是：水下区 潮汐区 大气区。 关键词：混凝土：氯离子渗透；低浓度碳化；微观结构；现场检测 a b s t r a c t c h l o r i d ep e n e t r a t i o na n dc a r b o n a t i o na r et w om a j o rf a c t o r s 伽a tm a yc a u s ec o r r o s i o ni n r e i n f o r c e dc o n c r e t ea n dt h e nd e c r e a s et h ed u r a b i l i t yo fs t r u c t u r e s t h e r e f o r e , i ti sn e c e s s e r yt o e s t a b l i s hu n i f i e da n de f f e c t i v et e s tm e t h o d st os t u d yc h l o r i d ei o np e r m e a b i l i t ya n dc a r b o n a t i o ni n c o n c r e t e ，w h i c ha r eu s e dt oi n s t r u c tt h ed u r a b i l i t yd e s i g na n dl i f e - e x p e c t a n c ya n a l y s i s t h e r ea r em a n ym e t h o d st os t u d yt h ep e r m e a b i l i t yo fc h l o r i d ei o n ，w h i l e ，a m o n gw h i c h p e r m e a t i o nm i g r a t i o nt e s t ( p e r m i tm e t h o d ) i st h eo n l ym e t h o dt h a tc a nt e s tt h er e s i s t a n c eo f c o n c r e t ec o v e r st ot h ep e n e t r a t i o no fc h l o r i d ei o n si ns i t uw i t hl e s sd a m a g et os t r u c t u r e s b u tu n t i l n o w , o n l yaf e wr e s e a r c h e sh a v eb e e nc a r r i e do u tw i t ht h i sn e wm e t h o d i t sa p p l i c a b i l i t y , r e l i a b i l i t y a n da c c u r a c yn e e d st ob ef u r t h e ri n v e s t i g a t e da n dc o n f i r m e d i nt h i sp a p e r , t h ee f f e c to fd i f f e r e n t w a t e rt ob i n d e rr a t i o sa n df l ya s ha n ds l a go nt h ec h l o r i d ei o np e r m e a b i l i t yo fc o n c r e t ew a s i n v e s t i g a t e db ym e a n so ft h r e em e t h o d s ( p e r m i t , r c p ta n dr c m ) a n dt h e i rr e l a t i o n s h i pw e r e a l s oa n a l y s e d i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h ep e r m i tm e t h o di sar e l i a b l ea p p r o a c hf o rt e s t i n gt h e c h l o r i d ei o np e r m e a b i l i t y i tc a na l s ob es e e nt h a tp e r m i tm e t h o dh a ss u p e r i o rm v a n t a g et h a n r c mm e t h o do rr c p tm e t h o db e c a u s ei tc a nb eu s e da san o n d e s t r u c t i v em e t h o di nt h ef i e l d 1 1 h e9 0 0 dr e l a t i o nb e t w e e nt h er e s u l t so fp e r m i ta n dr c mf o rs a m p l e sc u r e d2 8d a y su n d e r s t a n d a r dc o n d i t i o n si sa l s or e v e a l e d a n dt h ep e r m e a b i l i t yi n d e xb a s e do np e r m i tm e t h o di s e s t a b l i s h e d c o m p a r e dw i t hn a t u r a le n v i r o n m e n t ( 0 0 3 c 0 2i nv o l u m e ) ，t h ec 0 2c o n c e n t r a t i o n i n a c c e l e r a t e dc a r b o n a t i o nm e t h o du s e db yc h i n e s es t a n d a r di ss i g n i f i c a n t l yh i g h e r t h e r e f o r e ，t h e e f f e c to fw a t e rt ob i n d e rr a t i o ，f l ya s ha n ds l a go nt h ec a r b o n a t i o no fc o n c r e t ew a si n v e s t i g a t e d w i t hl o w - c o n c e n t r a t i o n ( 3 c 0 2i nv o l u m e ) c a r b o n t i o nt e s tm e t h o da n da c c e l e r a t e dc a r b o n a t i o n m e t h o da c c o r d i n gt ot e s t i n gm e t h o d s f o rl o n g - t e r ma n dl o n g - l a s t i n gp e r f o r m a n c eo fo r d i n a r y c o n c r e t e ( g b j8 2 8 5 ) t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ec a r b o n a t i o nd e p t ha n dt h ec o m p r e s s i v es t r e n g t h w a sa n a l y z e d i ti sr e v e a l e dt h a tc a r b o n a t i o nr e s u l t su n d e rl o wc 0 2c o n c e n t r a t i o nc o i n c i d e sw e l l w i t ht h e o r e t i c a lt e n d e n c y t h e r ei sa9 0 0 dr e l a t i o n s h i pb e t w e e nc a r b o n i z a t i o nd e p t ha n ds t r e n g t h o fc o n c r e t ew h e nt h ec a r b o n a t i o nt i m ei sl o n ge n o u g h t h ep r o p o s e dc a r b o n a t i o nd u r a t i o nu n d e r l o wc 0 2c o n c e n t r a t i o ni s9 0d a y s t h em a e r o - p r o p e n yo fm a t e r i a l d e p e n d s o ni t sm i c r o s t r u c t u r e i nt h i sw o r k , t h e m i c r o s t r u c t u r ef e a t u r e so f c o n c r e t ew e r ei n v e s t i g a t e db ym e r c u r yi n t r u s i o np o r o s i m e t r y ( m i p ) a n d e v a p o r a t i v ew a t e rm e t h o d ( e w m ) f o rp o r o s i t ya n dx - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) f o rt h er e l a t i v e i n t e n s i t yo fc a r b o n a t i o np r o d u c t sc a c 0 3 ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e s w a ss t u d i e d i ti sr e v e a l e dt h a tt h e r ei sa9 0 0 dr e l a t i o n s h i pb e t w e e np e r m e a b i l i t yi n d e xa n dc o a r c a p i l l a r yp o r o s i t yo fc o n c r e t e ，t h a ti s , p o r o s i t yi sam a i nf a c t o ra f f e c t i n gt h ep e r m e a b i l i t yo f c h l o r i d ei o ni nc o n c r e t e i tc a l la l s ob es e e nt h a tt h ec o r r e l a t i o nb e t w e e np o r o s i t ya n dc a r b o n a t i o n o fc o n c r e t ei sn o ts og o o d x r da n a l y s i sr e v e a l s l a tc a r b o n a t i o nr a t ei sc l o s e l yr e l a t e dt o a v a i l a b l ec hi nc o n c r e t e b e c a u s eo ft h ec o n s t r u c t i o nl e v e l ，t h e r ei sd i f f e r e n c ei nd u r a b i l i t yb e t w e e nl a b o r a t o r ya n d f i e l d t h e r e f o r e ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt oc o n d u c to n - s i t ei n s p e c t i o na n de v a l u a t i o no fd u r a b i l i t y a n dam a r i n ed o c ki nn i n g b ow a sc h o s e ni nt h i sp a p e r , t h ea p p e a r a n c eo fs t r u c t u r a lc o n c r e t e ， m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，c a r b o n a t i o nd e p t h , t h et h i c k n e s so fc o n c r e t ec o v e r s ，s u r f a c ec h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n s c h l o r i d ei o nd i f f u s i o nc o e f f i e i e n ta n da l k a l ic o n t e n th a db e e nt e s t e do n - s i t e t h e n m i c r o s t r u c t u r e ；o n s i t ei n s p e c t i o n i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i e j 录i 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 混凝土中钢筋锈蚀的机理3 1 2 1 氯离子侵入引起的钢筋锈蚀3 1 2 2 碳化引起的钢筋锈蚀4 1 3 国内外混凝土氯离子渗透和碳化性能检测方法研究概况4 1 3 1 氯离子渗透性试验方法研究动态4 1 3 2 碳化试验方法研究动态5 1 4 混凝土耐久性指标及寿命预测6 1 4 1 环境类别与作用等级6 1 4 2 氯离子作用下混凝土的耐久性指标及寿命预测7 1 4 3 碳化作用下混凝土的耐久性指标及寿命预测8 1 5 本文主要研究内容1o 1 6 创新点11 第二章试验原材料、配合比及试验方法。1 2 2 1 原材料12 2 1 1 水泥12 2 1 2 矿物掺合料。l2 2 1 3 集料13 2 1 4 外加剂13 2 1 5 水1 ：l 2 2 配合比。l3 2 3 试验方法14 2 3 1 抗压强度试验。1 4 2 3 2 氯离子渗透性能试验1 4 2 3 3 碳化性能试验。19 2 3 4 微观试验2 0 第三章氯离子渗透与碳化试验结果分析及劣化指标2 3 3 1 抗压强度试验结果与分析2 3 3 2 氯离子渗透性能试验结果与分析2 4 3 3 碳化性能试验结果与分析2 9 3 4 不同方法测试结果之间的相关性。3 1 3 4 1 氯离子渗透性能试验结果之间的相关性3 l 3 4 2 碳化性能试验结果之间的相关性。3 3 3 4 3 碳化性能与抗压强度试验结果之间的相关性3 4 3 5 混凝- 十的耐久性指标的建立3 5 3 5 1 氯离子作用下混凝土的耐久性指标3 5 3 5 2 碳化作用下混凝士的耐久性指标。3 6 3 7 第四章孔隙率及c h 含量与宏观性能的相关性3 8 4 1 孔隙率试验3 8 4 2x r d 结果与分析3 9 4 3 混凝土内部孔特性与其宏观耐久性之间的相关性4 l 4 3 1 孔隙率试验与氯离子渗透性能试验结果之间的相关性4 l 4 3 2 孔隙率试验与碳化性能试验结果之间的相关性4 2 4 4 本章小结4 4 第五章某海港码头结构混凝士耐久性质量检测与评估4 5 5 1 工程概况。4 5 5 1 1 码头简介。4 5 5 1 2 环境及气候特征4 6 5 2 检测对象、内容及方法4 6 5 2 1 检测对象。4 6 5 2 2 检测内容及方法4 7 5 3 检测结果及评定。4 9 5 3 1 混凝十强度4 9 5 3 2 钢筋保护层厚度。5 0 5 3 3 碳化深度。51 5 3 4 碱含量。5 2 5 3 5 不同深度氯离子含量。5 3 5 3 6 混凝土表层氯离子渗透性。5 4 5 4 耐久性寿命预测。5 6 5 5 本章小结5 7 第六章结论与展望一5 8 6 1 主要结论5 8 6 2 问题与建议5 9 j 目| ( 谢6 l 参考文献6 2 攻读硕士学位期间发表的论文- 6 5 u 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 众所周知，钢筋混凝土结构结合了钢筋与混凝土的优点，造价较低，已经成 为当今世界上应用最普遍、范闱最广、耐久性较好的结构形式，它不仅被普遍地 用于工业与民用建筑中，而且还大量应用于跨江海大桥、海底隧道等严酷环境下 的重大工程中1 1 。 然而，2 0 世纪7 0 年代以来，国内外诸多基础建设和重大工程的过早破坏及 失效的现象屡见不鲜。美困1 9 8 4 年报道，5 7 5 万座钢筋混凝土桥，一半以上出 现钢筋腐蚀破坏，4 0 承载力不足而必须修复和加固处理，花费5 4 亿美元；1 9 8 8 年报道，钢筋混凝土腐蚀破坏的修复费为2 5 0 0 亿美元，其中桥梁花费1 5 5 0 亿美 元( 4 倍于桥梁初建费用) ；1 9 9 2 年报道，冈除冰盐引起钢筋锈蚀破坏的公路桥梁 占1 4 ；2 0 0 5 年t 2 1 美国基建工程调查报告提到，5 9 0 7 5 万座桥梁中，2 7 1 有缺 陷或丧失功能，且在今后2 0 年中，每年将花费9 4 亿美元用于维修。英国1 9 8 7 年英格兰的中环线快车道上8 座高架桥的维修费为总造价( 2 8 0 0 万英镑) 的1 6 倍； 到2 0 0 4 年，其修补费用达1 2 亿英镑，而因除冰盐引起公路桥梁腐蚀破坏所造 成的经济损失达6 1 6 5 0 万英镑。加拿大的调查研刭3 j 表明，1 9 9 6 年城市基建工 程升级缺额为4 4 0 亿加元，全国为1 0 0 0 亿加元：2 0 0 6 年分别为6 0 0 亿加元和1 2 5 0 亿加元。澳大利亚、韩国、海湾国家等，均有以氯盐为主的钢筋腐蚀破坏问题。 我国已经发现许多海港码头的混凝土梁、板使用不到1 0 年就普遍出现顺筋锈胀 开裂、剥落。北京、天津的许多立交桥，因除冰盐也日益暴露出严重的钢筋锈蚀 问题，不得不花巨资修复。 可见，钢筋混凝土的腐蚀破坏正日益造成巨大的经济损失和社会影响，引起 世界各国政府、工程技术界和材料科学界的高度重视【4 。5 】。图1 1 至图1 - 6 是作者 在宁波北仑港码头拍的一些现场图片，它们充分反映了混凝土结构严重破坏的现 象。 图1 1 纵向裂缝清晰可见的空心板梁 图i 2 横向裂缝清晰可见的横梁 图1 - 4 骨料外露的工作平台横梁底部 图1 5 保护层脱落，钢筋外露锈蚀的引桥 图1 _ 6 钢筋外露锈蚀的工作平台板梁混凝土 2 第一章绪论 1 2 混凝土中钢筋锈蚀的机理 在19 9 1 年召开的第二届国际混凝土耐久性会议上，美国m e t h a 教授1 6 1 在混 凝土耐久性五十年进展主报告中指出：“当今世界混凝土破坏原因，按重 要性递减顺序排列是：钢筋锈蚀、冻害、物理化学作用。”混凝土中钢筋的腐蚀 是由于表面钝化膜局部去钝化而形成许多微电池、宏观电池而引起的电化学腐 蚀。钢筋钝化膜破坏机理主要有两种，即混凝土的氯化物侵入和碳化i 卜引。 钢筋锈蚀是一种电化学反应，除钢筋表而需呈活化状态( 脱钝) 外，有反应所 需要的水和氧也是钢筋锈蚀的必要条件。其腐蚀电池作用过程如下： f e _ f e 2 + + 2 e 0 2 + 2 h 2 0 + 4 e 。_ 4 0 h 。 f e 2 + + 2 0 h 。- - - * f e ( o h ) 2 4 f e ( o h ) 2 + 0 2 + 2 h 2 0 4 f e ( o h ) 3 2 f e ( o h ) 3 一f e 2 0 3 3 n 2 0 1 2 1 氯离子侵入引起的钢筋锈蚀 氯盐对混凝土结构的劣化破坏，是指在混凝土中钢筋的表面，c l 含量达到某 一极限值后，破坏钝化膜，并在空气及水分作用下，形成宏观电池，产生锈蚀， 引起体积膨胀，从而导致保护层的丌裂破坏，使结构承载力下降，并逐步劣化破 坏。作用机理如下： ( 1 ) 破坏钝化膜 水泥水化的高碱性( p i - 坠_ 1 2 6 ) ，使钢筋表面产生一层致密的钝化膜，c l 。进入 混凝土中到达钢筋表面，并超过“临界值”后，容易渗入钝化膜，激活钢筋表面的 铁原子，局部钝化膜开始破坏。 ( 2 ) 形成“腐蚀电池” c l 破坏钝化膜使钢筋表面这些部位( 点) 露出了铁基体，与尚完好的钝化膜区 域之间构成电位差( 作为电解质，混凝土内一般有水或潮气存在) 。铁基体作为阳 极受腐蚀，大面积的钝化膜区作为阴极。腐蚀电池作用的结果，钢筋表而产生点 蚀( 坑蚀) ，由于大阴极( 钝化膜区) 对应于小阳极( 钝化膜破坏点) ，坑蚀发展十分迅 速。这也是腐蚀往往由局部开始，逐渐在钢筋表面扩展的原因所在。 ( 3 ) c l 。的去极化作用 通常将加速阳极的过程，称作阳极去极化作用。在钢筋锈蚀过程中，c l 。只参 与可反应过程，作为促进腐蚀的中间产物，既不改变锈蚀产物的组成，也不会因 腐蚀反应的进行而减少。即：凡是进入混凝土中的c l 一，会周而复始地起破坏作 用，这也是氯盐危害的特点之一。其反应式为： f e + 2 c 1 一( f e 2 + + 2 c 1 3 ( 中间铁一氯络合物) + 2 e ( f e + 2 c 1 3 + 2 h 2 0 + 2 e 。一f e ( o h ) 2 + 2 h + + 2 c 1 钢筋锈蚀产物体积增加约为原钢筋体积的3 6 倍，锈蚀产物体积增加引入应 力导致混凝土开裂、脱层、剥落，反过来又为水和氯离子的侵入提供便利通道， 加速锈蚀发展。 ( 4 ) c l 的导电作用 腐蚀电池的要素之一是要有离子通路。混凝土中c 1 。的存在，强化了离子通 路，降低了阴、阳极之间的欧姆电阻，提高了腐蚀电池的效率，从而加速了电化 3 东南大学硕上学位论文 学腐蚀过程。氯盐中的阳离子( n a + 、c a 2 + 等) ，也降低阴、阳极之间的欧姆电阻。 1 2 2 碳化引起的钢筋锈蚀 混凝土在水化作用时，水泥中主要成分水化生成c a ( o f 0 2 ，使混凝土中含有 大量的o f f ，p h 值一般可达到1 2 5 1 3 5 ，钢筋在这样的高碱性环境中，表而容 易生成一层钝化膜。但大气中的c 0 2 通过混凝土的孔隙溶解于毛细管中的液相， 并与水泥水化产生的碱性物质反应，生成中性的c a c 0 3 ，使混凝土的碱度降低， 在适当的环境下导致钢筋脱钝生锈。碳化反应方程式如下： c a ( o n ) 2 + h 2 c 0 3 _ c a c 0 3 + 2 h 2 0 3 c a o s i 0 2 3 h 2 0 + 3 h 2 c 0 3 _ 3 c a c 0 3 + s i 0 2 + 6 h 2 0 3 c a o 。a 1 2 0 3 c a s 0 4 12h 2 0 + 3 h 2 c 0 3 _ 3 c a c 0 3 + 2a i ( o h ) 3 + c a s 0 4 + 1 2 h 2 0 由碳化引起的钢筋锈蚀没有明显的阳极和阴极，阴阳极紧密相邻并随时变 换，钢筋锈蚀相对均匀，称为微电池腐蚀。构件保护层受力后产生裂缝，在裂缝 处很快脱钝，形成阳极，阴阳极是分开的，称为宏电池腐蚀。宏电池腐蚀引起局 部的非均匀腐蚀。钢筋脱钝后在有裂缝的情况下，往往是微电池腐蚀、宏电池腐 蚀并存，腐蚀过程将变得十分复杂。 1 3 国内外混凝土氯离子渗透和碳化性能检测方法研究概况 氯离子的渗透性能反映了混凝土的密实程度以及抵抗外部有害介质向内部 侵入的能力，碳化与混凝土的密实性及混凝土中可碳化物质的多少有关，它们均 与混凝土结构的耐久性密切相关，是衡量钢筋混凝土结构使用寿命的重要性能指 标 9 1 。因此，为了合理评定混凝土的耐久性，准确、可靠的试验方法显得尤为 重要。 1 3 1 氯离子渗透性试验方法研究动态 研究和测试氯离子在混凝土中的渗透侵蚀有多种方法，按试验周期可分为慢 速法、快速法及其它方法。 慢速法主要是指浸泡法或扩散槽法1 1 0 l ，即经过一定时间的浸泡或扩散，测量 试件不同深度的氯离子含量或扩散槽中溶液浓度的变化，然后利用数学模型计算 氯离子在混凝土中的传输速度。这两种方法与实际氯离子在混凝土中的输移情况 比较相符，但试验周期较长，实用性差，目l j 用之较少。 快速法虽与氯离子在混凝土中的实际输移渗透过程有所差别，但研究表明其 在一定范围内具有较好的适用性，且与慢速法相比试验周期可大大缩短，应用较 多。如：1 9 8 1 年美国硅酸盐水泥协会w h i t i n g 最初提出r c p t 法( r a p i dc h l o r i d e p e r m e a b i l i t y t e s 0 ，后被美国标准采用，即：国家公路运输局标准a s h t o 他7 7 ) 和美国试验与材料协会标准( a s t mc 1 2 0 2 ) ，已成为当前国际上最有影响的混凝 土氯离子渗透性能试验方法。但该法存在着一定的局限性，只能得出定性分析结 果，不能直接用于混凝土耐久性的寿命预测，测试结果受混凝土致密性、外加剂、 掺合料及混凝土成熟度等的影响很大，适用于水灰比在o 3 加7 之间的混凝土， 不适用于掺亚硝酸钙的混凝土l l2 。 19 8 2 年华裔瑞典学者唐路平】等首创r c m 法( r a p i dc h l o r i d em i g r a t i o nt e s 0 ， 4 第一章绪论 后被定为北欧标准n o r d t e s t n t b u i l d 4 9 2 ，德国的i b a e - t e s t 采用的r c m 法也是以 此为依据，此外也被欧共体的d u r a c r e t e 项目所采纳。我国最近的几个相关标准， 如交通部j t g tb 0 7 0 1 2 0 0 6 公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范，中国土木 工程学会混凝土结构耐久性设计与施工指南( c c e s 0 1 2 0 0 5 年修订版) 以及中 国国家标准混凝土结构耐久性设计规范) ) ( g b t5 0 4 7 6 2 0 0 8 ) 中均推荐使用r c m 法。但没有从根本上解决r c p t 法存在的问题，无法测量已受氯盐侵蚀和碳化影 响的混凝土试件，适用于骨料粒径不大于2 5 m m ，强度等级为c 5 0 - - c 7 0 的混凝 土，特别是掺硅灰的混凝土p j 。 清华大学提出一种饱盐直流电导率法，即n e l 法【1 3 】。此法尤其适用于评价 高性能混凝土的渗透性，计算得到的氯离子扩散系数与混凝土的孔隙率有很好的 相关性。但是仍存在极化问题，并且假定氯离子迁移数为l ，与实际情况相差较 远。同时，采用高浓度的n a c i 溶液浸泡试件，与n e m s t - e i n s t e i n 方程的假定和 使用条件相差甚远1 1 。 北爱尔兰女王大学的b a s h e e r 1 4 】教授等人基于稳态电迁移实验的基本原理改 进而成p e r m i t 法( p e r m e a t i o nm i g r a t i o nt e s t ) 。该法是目前唯一一种能够现场测定 混凝土保护层氯离子渗透性能的试验方法，对结构破坏较小，但至今研究较少。 其它方法有：异丙醇替代法、吸收率法和气体扩散法。f e l d m 眦【l5 】于1 9 8 7 年 提出一种用异丙醇替代氯离子在饱和水泥浆体中扩散的方法，即异丙醇替代法。 但该法试验周期长，且未考虑氯离子结合力的影响。 h a l l 0 6 于1 9 8 9 年提出一种测量混凝土的一维吸收率来表示抗氯离子渗透性 的试验方法，即吸收率法。d e s o u z a 1 7 】于1 9 9 6 年提出了一种现场测定吸收率的 方法。但混凝土的吸收率仅仅受其表面条件的影响，不能反映混凝土内部渗透， 并且混凝土的吸收率不是一个恒定的值，与毛细孔饱和程度有关。 a l f a r a b is h 撕一“j 于1 9 9 7 提出一种用气体在混凝土中扩散来模拟氯离子在其 中扩散的技术，即气体扩散法。但此法实验数据处理很复杂，没有考虑氯离子结 合力的影响，且假定混凝土的水泥浆体对不同离子有相同的孔隙率一弯曲率比值。 从上述研究动态来看，目前氯离子渗透性试验的主流方法是电化学试验方 法，其中r c p t 法及r c m 法已成为实验室研究氯离子渗透性能比较成熟的方法 且应用最多。特别地，r c m 法是一种近年来针对高耐久性混凝土非常实用的非 稳态氯离子扩散试验方法。已有研究表吲1 0 】，该法能定量地评价混凝土抵抗氯离 子扩散的能力，试验数据可用于混凝土的配合比设计和混凝土质量检验的评定依 据，有较好的准确度，且测得的氯离子扩散系数与高浓度盐溶液浸泡法结果高度 线性相关。但r c p t 法与r c m 法在应用于实际工程检测时，需要现场钻j 签取样， 属于有损检测，这会对服役中的工程造成破坏。因此，作为目前唯一一种能够现 场测定混凝土保护层氯离子渗透性的p e r m i t 试验，由于该法对结构破坏较小， 基本无损伤，可用于实验室和现场，有利于实验室研究对现场的指导，从而具有 广泛的应用前景及发展潜力。但至今研究较少，特别是对于掺有矿物掺合料的混 凝土，其方法的可靠性及数据的准确性还有待于进一步的研究。 1 3 2 碳化试验方法研究动态 混凝土碳化试验方法分为直接测试法与间接表征法1 1 9 1 。 直接测试法是碳化实验中的基本方法，它是将在设定环境条件下碳化到一定 龄期的试件劈裂，并用酚酞滴定使其显色，从而得出碳化深度值。 自然碳化法( n a t u r a lc a r b o n a t i o nm e t h o d ，简称n a c ) 是在自然界中研究混凝 东南大学硕士学位论文 土碳化规律，从而用于混凝土结构耐久性设计。为此，c e n ( e u r o p e a nc o m m i t t e e f o rs t a n d a r d i z a t i o n ) t c 5 1 w g l 2 t g 5 提出一个实验室研究的方案，即试件尺寸： 5 1 0 m m x l o o m m x l o o m m ，环境条件：温度2 0 a ：2 ，湿度6 5 士5 ，c 0 2 浓度 3 5 0 士5 0 p p m ，测试时间2 8 d 、9 1 d 、1 8 2 d 、2 7 3 d 和3 6 4 d 。d u n d e e 大学在此基础上， 提出三个不同暴露等级区分：c e n 中环境条件为暴露等级1 ，暴露等级2 和3 分 别每隔2 8 d ，7 d 将等级1 条件下的试件取出浸入2 0 士2 的水中6 h ，待面干后再 放回c e n 实验室来模拟等湿度的自然环境和干湿交替环境。但未定义出能模拟 支持碳化腐蚀的自然环境，对工程师而言并无实际意义。 加速碳化法( a c c e l e r a t e dc a r b o n a t i o nm e t h o d ，简称a c c ) 在早期主要通过高压 或高浓度来实现，但这样不能证确反映大气中混凝土自然碳化规律。2 0