【优秀毕业论文】浪溅区混凝土中的钢筋腐蚀.pdf

青岛建筑工程学院 硕士学位论文 浪溅区混凝土中的钢筋腐蚀 姓名：高倩 申请学位级别：硕士 专业：结构工程 指导教师：赵铁军 20030628 前岛建筑互程孝院工学硕士学位话主 摘要 由于耐久性原因，沿海钢筋混凝士结构的破坏比内陆严重，而浪溅区的 钢筋混凝土又是沿海建筑中破坏最严重的区域。浪溅区的环境特征是长时间 干燥、短时间润湿，干湿交替。试验用混凝土的w b 为o 4 1 0 ，6 5 ，粉煤灰 替代水泥量为0 7 0 ，其中预埋钢筋，成型后标准养护( 温度2 0 3 ，相 对湿度9 0 以上) 2 8 天后在4 0 。c 下烘9 h 3 0 m i n 1 l h 4 5 m i n ，之后浸入含不同 浓度c 1 的水溶液中1 5 m i n 2 h 3 0 m i n ，如此反复，每个循环为1 2 h ，在不同的 干湿循环中，采用自然电位法和线性极化法跟踪检测混凝土中钢筋的腐蚀情 况，2 5 2 个循环后，劈开混凝土试件，取出钢筋，测量钢筋的失重量，以及 c l 渗入混凝土中的深度、钢筋周围混凝土的c l 含量和p h 值的大小。 试验结果表明：自然腐蚀电位( e 。丌) 和线性极化法测得的腐蚀电流强 度( i 。) 只能定性评定钢筋腐蚀开始时闯和腐蚀速率；影响钢筋腐蚀开始时 间的主要因素是：钝化膜的完整程度、c l 平均渗入深度、w b 的大小、粉煤 灰的掺量、保护层的厚度和浸泡时间的长短；与常规认识相反，w b 越小， 钢筋腐蚀开始得越早：混凝土交流电阻值、浸泡盐水的浓度对腐蚀开始时间 的影响不大：影响钢筋腐蚀速率的主要因素是：钢筋周围的c l 含量、混凝土 孔溶液的p h 值、混凝土交流电阻值、粉煤灰的掺量、保护层的厚度、浸泡 盐水的浓度；w ，b 和浸泡时间的长短( 1 5 m i n 2 h 3 0 m i n ) 对腐蚀速率的影响不 大；浪溅区混凝土中钢筋腐蚀的控制性步骤是阳极反应，在某些情况下可能 受阳极反应、阴极反应和反应离子传输过程的共同控制。 关键词：浪溅区；钢筋：毛细管作用；腐蚀开始时间；腐蚀速率；检测方法 昔岛建筑互程学院互学矩士学位铪盘 a b s t r a c t t h ed e t e r i o r a t i o no fr e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r e si nm a l i n ee n v i r o n m e n t1 s m o r es e v e r et h a nt h a ti ni n l a n da t m o s p h e r e a n dt h er e i n f o r c e dc o n c r e t ei ns p l a s h z o n ei sm o s td a n g e r o u sa m o n gt h a ti nm a r i n ee n v i r o n m e n t t h ec o n c r e t ei ns p l a s h z o n ei sl o n gt i m ed r y ，s h o r tt i m em o i s to fs e a w a t e r ，a n dd r ya n dw e ti nt u r n s s p e c i m e n s o fr e i n f o r c e dc o n c r e t ea r em a d ew i t l l0 4 1 - - 0 6 5o fw ba n d0 7 0 o ff l ya s hr e p l a c e m e n to fc e m e n t t h es p e c i m e n sa r ec u r e di nar o o mw i t h t e m p e r a t u r eo f 2 0 + _ 3 。ca n dr ho v e r9 0 f o r2 8 d ，t h e no v e nd r i e da t4 0 。cf o r 9 h 3 0 m i n 1l h 4 5 m i na n dd i p p e di nw a t e rw i t hd i f f e r e n tc h l o r i o nc o n c e n t r a t i o n f o r15 m i n 2 h 3 0 m i n a n dh e n c er e c y c l e d 谢me a c hc y c l eo f1 2 h w i “ns o m e c y c l e s ，t h eb a rc o r r o s i o ni s d e t e c t e db yh a l f - c e l lp o t e n t i a lt e s ta n dp o l a r i z a t i o n r e s i s t a n c et e s t a f t e r2 5 2c y c l e s ，t h es p e c i m e n sa r es p l i t ，a n dt h eb a r sa r et a k e no u t ， t h e nt h e w e i g h tl o s s o fb a r s ，c h l o r i o np e n e t r a t i o nd e p t h ，q u a n t i t yo fc h l o r i o n a r o u n db a r sa n d p h v a l u eo fs o l u t i o ni nc o n c r e t ec a p i l l a r y p o r ea r em e a s u r e d r e s e a r c hr e s u l t si n d i c a t et h a te 0 0 ha n di c a n q u a l i t a t i v e l yr e p r e s e n t t h e i n i t i a t i o na n dr a t eo fb a rc o r r o s i o nr e s p e c t i v e l y ；t h em a i nc o n t r o l l i n gf a c t o r so f i n i t i a t i o no fc o r r o s i o na r et h e i n t e g r i t y o f p a s s i v a t i o n ，d e p t h o fc h l o r i o n p e n e t r a t i o n ，w br a t i o ，c o n t e n to ff l ya s hr e p l a c e m e n t o fc e m e n t ，c o v e rd e p t h ，a n d d r y i n gt i m e ，w h e r e a sa l t e r n a t i n gc u r r e n tr e s i s t a n c eo f c o n c r e t ea n dc o n c e n t r a t i o n o fs a l ti nw a t e rh a v em i n o ri n f l u e n c eo ni n i t i a t i o no f c o r r o s i o n ；t h el o w e r t h ew b r a t i o ，t h ee a r l i e rt h ei n i t i a t i o no fc o r r o s i o n ，w h i c hi sr e v e r s et ot h ec o m m o nv i e w ； t h em a i ni n f l u e n c i n gf a c t o r so nr a t eo fb a rc o r r o s i o na r et h eq u a n t i t yo fc h l o r i o n 1 1 秀岛建筑：稚季踅z 学颤士学谨诒支 a r o u n db a r ，p hv a l u eo fs o l u t i o ni nc o n c r e t ec a p i l l a r yp o r e ，a l t e r n a t i n gc u r r e n t r e s i s t a n c eo f c o n c r e t e ，c o n t e n to ff l ya s hr e p l a c e m e n to fc e m e n t ，c o v e rd e p t ha n d c o n c e n t r a t i o no fs a l tw a t e r ，w h e r e a sw br a t i oa n dw e t t i n gt i m e ( 1 5 m i n 2 h 3 0 m i n ) h a v em i n o r i n f l u e n c eo nr a t eo f c o r r o s i o n ；t h ek e yf a c t o rw h i c hc o n t r o l s b a rc o r r o s i o ni nc o n c r e t ei ns p l a s hz o n ei sa n o d i cr e a c t i o n ，a n ds o m e t i m e s p e r h a p s a n o d i cr e a c t i o n ，c a t h o l i cr e a c t i o na n d t r a n s p o r t a t i o no f p r o d u c t a c ta l lt o g e t h e r k e y w o r d s ：s p l a s hz o n e ，b a r ，c a p i l l a r ya b s o r p t i o n ，i n i t i a t i o no fc o r r o s i o n ，r a t eo f c o r r o s i o n ，m e a s u r e m e n tm e t h o d 1 i i 昔岛建筑z 程学院3 - 亏顽士学位论互 第1 章绪论 1 1 混凝土耐久性概况及钢筋腐蚀的严重性 近些年来，世界各国的混凝土结构因耐久性问题引起的事故频频发生， 造成了巨大的经济损失。 有资料“1 显示，英国1 9 8 0 年的建筑修复费用占建筑总费用的2 3 ：美国 每年用于混凝土工程修复和重建的费用估计高达数百亿美元。据美国国家材 料顾问委员会1 9 8 7 年的一份报告显示，美国大约有2 5 3 ，0 0 0 座桥梁的桥面处 于破坏状态，其中许多桥梁使用年限尚不足2 0 年，并预计以后每年还会有约 3 5 ，0 0 0 座桥梁发生破坏。1 。1 9 8 9 年美国运输部门在给国会的一份关于公路与 桥梁状况的报告中指出：“现在有待修复的混凝土桥梁的维修费高达1 5 5 0 亿 美元。” 在我国，钢筋混凝土结构因耐久性不足出现的问题也日益突出，许多机 场跑道、高速公路、立交桥、海港码头等的使用寿命远远低于设计寿命，有 些甚至在交付使用前或剐刚使用不久即出现严重的耐久性问题。北京的三元 立交桥在建成后不到两年，桥墩就出现裂纹，运行不到1 0 年就观察到桥面混 凝土表面剥蚀、起鼓、露石，其擎柱的裂纹非常严重，表面多处有钢筋锈斑， 并有顺筋裂纹川。北京的西直门旧桥使用了仅仅1 9 年就被迫拆除改建。1 。 目前，混凝土的耐久性问题已引起了世界各国专家学者的普遍关注，是 当今土木工程界需要解决的首要问题之一。引起混凝土结构耐久性不足的原 因有很多，其主要因素按照重要性递减顺序依次排列为：钢筋腐蚀、冻融破 坏、碱骨料反应和硫酸盐侵蚀。大量数字也表明因钢筋腐蚀而引起的耐久 昔岛建瓴羞程学院z 孝辅毒学佳话支 性不足可谓是茵当其冲，钢筋腐蚀已成为混擞结构的一大灾害。 资料。3 表明：1 9 7 5 年美国念年各种腐蚀损失为7 0 0 亿美元，其中混凝土 中镊麓弱建镀羧失占4 0 ( 2 8 0 亿美元) ；1 9 9 2 年在美麓稷毽擞羚溶蕊弓 起钢 筋腐蚀破坏而限载通车的公路桥就占约1 4 ( 即5 2 万魔中的1 3 万座) ，其中 暑不& 遭车静舂l 辩( 魏5 0 0 0 座 ，役这些轿瓣维修茨已高达9 0 0 亿荚元， 如果再加上车库、公路、房屋等因钢筋腐蚀而徭要的修复费则估计高达2 5 8 0 亿美元，几乎占美国债务的6 ：英国英格兰岛的中环线快车道上有l l 座高 黎援( 全长2 1 k i n ) ，憨建造费( 1 9 7 2 年) 是2 8 0 0 万英镑，凌予冷天擞盐除 冰，两年后就发现因钢筋腐蚀而造成混凝土j j 梃裂，到1 9 8 9 年修复费已高达 4 5 0 0 万英镑( 为造玲瓣1 6 穗) ，绩诗爨嚣1 5 年闻，黪复费迩要耗炎l ，2 亿 英镑( 即接近造价的6 倍) ；1 9 9 6 年英国环保部门的一份报告估计：“英国建 筑工业的年成交额为5 0 0 亿英镑，而现在困腐蚀破坏造成钢筋混凝士结构年 维修费已达5 5 亿英镑( 占年成交额嬲l 。1 ) ，已成必英国一个沉重的财政 负担! ” 在我藿，大袈模瓣混凝主建设唆予发达黧家，浸凝结稳还未凄琨大藏 模的耐久性问题，但钢筋腐蚀引起的结构破坏已日益严重，引起了社会各界 特别怒专家学者的普遍关注，如北京、天津的许多立交桥，擞然使用时间还 不长，但困冷天撤除冰盐两引起的钢簸腐蚀破坏已非裙严重，有的已不得不 安排糕资巨大但长期效果并不理想的大修，有的甚至不得不拆除重建。处于 浪溅嚣数海港筠头懿濑凝粱鞠板串，镶簸藤键零l 怒瓣绩梅破坏燹是稳当普 遍，相当严重。 1 9 8 0 年，由交通部疆航褥科研所童持、粥科院等荜位参糯的对华南地区 1 8 座鹏头的调查”3 引起了巨大的反响。调查续果表明，8 0 以上都发生了严 2 昔岛建锚工程学弦互学砺士孝住铪互 重或较严重钢筋腐蚀破坏，出现腐蚀破坏的时间有的仅5 1 0 年。随后，有 关单位。1 对华东地区、北方地区沿海码头的调查也得出类似结果，例如，连 云港杂货一、二号码头于1 9 7 6 年建成，1 9 8 0 年就发现裂纹和腐蚀，1 9 8 5 年 上部结构已普遍出现顺筋裂纹；天津港客运码头1 9 7 9 年建成，使用不到十年 就发现前承台面板有5 0 左右出现腐蚀损坏；浙江宁波北仑港1 0 万吨级卸 矿石码头和2 5 万吨级装船码头于1 9 8 1 年建成，使用仅6 年，上部结构己发 现严重的钢筋腐蚀破坏，调查分析表明，柱帽的钢筋腐蚀破坏最严重，水平 撑其次，横粱、纵梁再其次，轨道梁最轻。由于混凝土的水灰比普遍偏大 ( o 6 1 0 8 0 ) ，从水平撑完好混凝土处取芯样，测得钢筋埋入深度为4 5 6 5 m m 处的混凝土游离氯离子含量为o 2 9 ，已超过按实际分析统计结果获 得的钢筋腐蚀临界浓度o 2 4 ，所以，己普遍发生顺筋锈胀腐蚀破坏，柱帽 混凝土透气性最差，钢筋腐蚀破坏也最严重。 总之无论是国内还是国外，混凝土耐久住已成为一个日益突出的问题， 而混凝土中的钢筋腐蚀破坏也成为混凝土上部结构最主要、最普遍的病害， 它造成的直接、间接损失之大远远超出人们的预料。我国正处于建设高潮， 若不及时采取措施，提高混凝土的护筋性，延长工程使用寿命，若干年后， 势必会象现在的美国、英国等发达国家一样，不堪维修和重建的沉重负担， 制约整个经济的健康、快速发展。 目前，我国的大部分建设仍集中于东部沿海城市，而沿海城市海港码头 的建设仍占重要份额，因此对海洋环境中的混凝土结构进行研究显得极为重 要，尤其是腐蚀最为严重的浪溅区混凝土结构。 精岛建锐z 稚学院z 学硕士季住话支 1 2 浪溅区混凝土中钢筋腐蚀的研究现状 1 2 1 浪溅区混凝土中钢筋腐蚀的机理 自然界中，铁矿石作为铁的氧化物可以长期稳定存在，而钢是通过高温 熔炼从铁矿石中去除氧、硫等元素形成的。从热力学上看，钢处于高能量状 态，是不稳定的，它在环境介质( 氧化剂) 作用下有恢复为原来氧化物的趋 势，且这个过程是自发的，而钢被氧化的过程通常称之为钢的腐蚀。混凝土 中钢筋的腐蚀属于电化学范畴。从化学角度看，该腐蚀是一种由混凝土中的 电解质所包含的某种氧化荆将钢筋氧化。钢筋在腐蚀状态时可以看作一个处 于短路状态的原电池，这种电化学电池通常称为腐蚀原电池。任何腐蚀原电 池都必须包括四个部分：阳极、阴极、电解质溶液和电通路，这四个部分缺 一不可，并构成了腐蚀原电池工作的基本过程，即： ( 1 ) 阳极过程：金属溶解，以离子形式进入溶液，并把当量电子留在金 属上； ( 2 ) 电子通过电路从阳极迁移到阴极： ( 3 ) 阴极过程：溶液中的氧化剂接受从阳极流过来的电子，本身被还原。 混凝土是一个多孔的复合结构，其中含有电解质溶液，钢筋在这些电解 质溶液中发生腐蚀需具备以下四个条件： ( 1 ) 钢筋表面其有电化学不均匀性，可区分为电位较负的阳极区和电 位较正的阴极区，形成电位差： ( 2 ) 阳极区和阴极区之间电解质溶液的电阻较小； ( 3 ) 在阳极区，钢筋表面处于活化状态，易进行氧化反应，释放出电子： ( 4 ) 在阴极区，钢筋表面的电解质具有足够的氧化剂( 通常为0 2 和 4 箭岛连蕴五程学阮王亏铆尘亏位话主 h 2 0 ) ，它们能吸收、结合来自阳搬区的电子，发生还原反应。 对于浪溅区混凝土中的钢筋来说，以上朗个条件总是存在的： ( 1 ) 钢筋豹金摆缀织具蠢不均匀牲( 勉羰素体、铁素体、杂质镣) ，钢 筋表面也具有不均匀性( 如高温氧化皮或锈层的不完熬等) ，而且混凝土无论 麸畿麓上、耍徽蘧土，还是宏殛组织主着，都爱一个多穗、不鸟霞酶多魏褡， 环境介质( 如0 2 、h 2 0 、c i 等) 完全有可能遴过混凝土保护层达到钢筋混 凝土界面上，它们达到这个界面的浓度在各处是很赡一致的，可良看出，上 述第一个条件总是存程的； ( 2 ) 由于混凝土是不会究全干燥的，大部分混凝土结构中钢筋袋面的 魏骧液楚毙较丰裕豹，对于热带海洋中稳尔祓溅漫黪维揍寒漩，墓鸯一段嚣雩 间钢筋表面的孔隙液娥非常充足的，所以上述第二个条件也是成立的； ( 3 ) 众所阉知，由于混凝土的商碱性( p h 值为1 2 5 1 3 及初始的电 化学膦蚀作用，在钢簸表面生成一层 # 掌致鸯、厚约2 l o # m 的尖最石圆 溶体f e 3 0 4 yf e 2 0 3 膜，使腐蚀停止，从动力学上看，钢筋由活化状态转为钝 态，这簇膜蠢羧称秀镱仡簇。鲣栗镶翁表覆鹣这屡键纯貘是均匀、滚续熬， 且混凝土能长期保持这种致钝特性，钢筋就可以永远处于钝恣而不被腐蚀。 当混凝土处予浪溅区辩，由于混凝土斡多孔毪，海水中的c 1 1 遮军会这弼钢筋 表嚣，当钢筋表面的e l 达到一定浓度时，因c l 。是极强豹阳极活化( 去钝化) 剂，钢筋表面的钝化膜就会破坏，钢筋处于活化状态，上述始三个条件就成 立了； ( 4 ) 对于浪溅区来说，混凝土时干时湿，又因为混凝土的多孔性，0 2 和h 2 0 在钢筋表面总趋充裕鹃，上述第霞个条件一鬣楚存在酶。 关于c l 。蚋去钝化机理，觏煎主要肖两秘观点，一秘观点是氯离子只具有 昔岛建筑z 狸学弦王亏砺- i t 学位话主 去钝化作用。1 “，其腐蚀过程如下： c l 。易渗入钝化膜引起钝化膜破坏。在阳极，f e 原子失电子成为二价铁离 子f e 2 + ， 凡一凡2 + + 2 p f e 2 + 自钢筋表面进入混凝土孔隙液中，阳极区产生的电子通过钢筋被送往阴 极，并将阴极区溶解于孑l 溶液中的0 2 还原，生成氢氧根离子o h 。， 0 2 + 2 h2 0 + 4 p _ 4 0 1 - 1 一 阴极产生的o h 通过混凝土中的孔溶液被运往阳极区，在阳极附近，f e 2 + 与 o h 。形成难溶的f e ( o h ) 2 白色沉淀， 凡2 + + 2 0 h 一_ f e ( o h ) 2 山 f e ( o u h 在有氧环境中是不稳定的，立即被氧化，变成棕红色的f e ( o h ) 3 ， 阳极 2 f e ( o h ) 2 + 2 h 2 0 2 f e ( o h ) 3 + 2 h + + 2 e 阴极 三o ：+ h ：o + 2 p - - 2 0 1 - 1 一 总反应 2 f e ( o g ) 2 + 妻0 2 + 2 d 哼2 f e ( o g ) 3 二 在溶解氧含量少的情况下，既有f e ( o h ) 3 生成，又有f e ( o h ) 2 存在，二者还 可以发生下列反应， f e ( o n ) 2 + 2 f e ( o h ) 3 一凡3 。4 。4 2 0 生成绿色含水的混合价态氧化物f e 3 0 4 4 i - 1 2 0 ，若f e 3 0 4 4 h 2 0 失水，则变 为黑色的f e 3 0 4 。当锈堆把阳极区遮住时，0 2 不易进入d , f f b ，小孔中的f e 2 + 又将“水解”产生h + ， 凡2 + + 2 h 2 0 斗f e ( o n ) 2 j ，+ 2 日+ 6 箭岛建锐工程学院z 学硕士学位话支 使p h 值下降，从而加剧了腐蚀。 从以上分析可以看出，腐蚀电流能形成一个闭合回路( 如图1 1 ) ，完全 符合前面所述的腐蚀原电池的基本工作过程。 o 2 o 2 图ll混凝土中钢筋腐蚀机理示意图( 氯离子只有去钝化作用) 关于c l 一去钝化机理的另一种观点“”。1 ”是氯离子既有去钝化作用又有搬 运作用。c l 。与o h 争夺腐蚀产生的铁离子f e 2 + ，形成易溶的f e c t 2 4 h 2 0 ， f e c l 2 4 1 - 1 2 0 从阳极区向含氧量较高的混凝土孔溶液迁移，分解为f e ( o h ) 2 ， 同时释放出一和c l ，使阳极区附近的孔溶液局部酸化，同时c l 又返回阳极 区，再带出更多的f e 2 十，这样，c l 虽然不构成腐蚀产物，在腐蚀中也不消耗， 但促进了腐蚀的发生，对混凝土中钢筋的腐蚀起到了一个催化、搬运的作用， 阳极区 凡斗凡2 + + 2 p 凡“+ 2 c l 一十4 h z 0 一凡c f 2 4 h 2 0 昔岛建筑互程学院z 亏石再士亏住论支 f e c l 2 - 4 h2 0 斗f e ( o h ) 2 山+ 2 c f 一+ 2 h + + 2 h 2 0 2 f e ( o h ) 2 + 2 h 2 0 2 f e ( o h ) 3 + 2 h + + 2 e 阴极区 0 2 + 2 h2 0 + 4 e 斗4 0 h o h 。迁移至阳极区附近与h + 反应， h + + o h 一斗h 2 0 生成h 2 0 。 由以上分析可知，腐蚀电流也能形成一个闭合回路( 如图1 2 ) ，也符合 前面所述的腐蚀原电池的基本工作过程。 图1 2混凝土中钢筋腐蚀机理示意图( 氧离子有去钝化作用和搬运作用) 1 2 2 浪溅区c l 的侵入过程 对海洋环境中建筑物( 构筑物) 各个部位的钢筋腐蚀来说，浪溅区是最 危险的一个区域“7 1 “，其中那些偶尔被海水润湿的部位，如系船柱( 盘绕被 昔岛建筑王程孝院互学龋士学位铯盘 海水浸湿的系船缆绳之处) 的周围，或使用海水的消防栓附近，或定期用海 水冲洗而其余时间长期暴露于阳光和高温的风干状态下的工业区内“3 ，尤 为危险，见图1 3 “。 偶尔被海水溉湿的区域、系船柱、使用海 飞溅尺 冷z矗湿热 i 千执 历 349 2 叫1 2 一，l f 浪赛、隧 藿 浪溅区 d f ：一 6 、。， 上水位区 。 一l 、一，7 i 、 霞 中水位区和下水位区 、墨乡 霾 冷温一o上湿热和干热 r 豸冷温一 i 产 湿热和千热 弱水下部分 寒带区及一 卜糕器回水区域 绉 温带区的 腐蚀严重程度 图1 3不同暴露条件对海水环境下混凝土中钢筋腐蚀的影响程度 浪溅区混凝土结构c 1 的侵入主要是与海水相接触的混凝土毛细管吸收 作用的结果。混凝土风干程度愈高，毛细管吸收作用则愈大。在于热环境中 混凝土温度可高达5 0 ，丧失了全部可蒸发水分的混凝土，一旦接触海水， 就几乎立即为氯化物所饱和，含氯量可一下子达到混凝质量的o 1 o 3 。 如果外界环境又变得干燥，则混凝土中的水流会逆转，纯水从毛细孑l 中向外 蒸发，使混凝土表层孔溶液中的c l + 浓度升高，这样在混凝土表层孑l 溶液与内 9 青岛建筑互猩亏陀z 亏确士学位话支 部孔溶液之间，形成c l 一浓度梯度，这个c l 一浓度梯度又驱使混凝土孔隙液中 的c 1 一向内部扩散，不过，这个扩散过程是非常慢的。混凝土表层中的大部分 孔隙水可能被蒸发掉，而在混凝土内部剩余水分将为盐分所饱和，多余盐分 将结晶析出”“。 芝08 口锄 篓嘶 篁 辗0 ，4 0 - 2 0 2 04 0 6 08 0 离表面的距离 1 0 0 图1 4 混凝土中氯化物总含量的断面分布示意图( 对水泥质量的百分比) 由此可见，风干时水分向外迁移，盐分则向内迁移，当下次再被海水 润湿时，又有更多的盐分以溶液的形式带进混凝土的毛细孔中。在混凝土表 层内，有一个向外降低的c l 。浓差，在离表面一定深度处，c 1 浓度有一个峰 值，这样可能会有一些盐分向外表面扩散，但是接着的风干又将纯水向外蒸 发掉，将盐分遗留在混凝土内，因此在于湿交替下，盐分逐渐侵入混凝土内 ( 见图1 4 ) 。 氯化物侵入混凝土中的深度受到干湿交替确切程度的影响，一般来说， 看岛建钪互程季院工学硕士学位话支 风干时间愈长，润湿时间愈短，腐蚀愈强烈，尤其是偶尔被海水润湿的部位。 1 2 3 目前已进行的研究 海洋环境中的混凝土结构上，浪溅区的腐蚀最为严重，这一观点已获得 共识“”。2 “，且普遍认为这一部位的腐蚀情况受到干湿交替确切程度的显著影 响。文献( 1 0 认为在浪溅区c 1 。主要依靠混凝土毛细管吸收作用侵入混凝土内 部。 我国的水运工程混凝土质量控制标准j t j 2 6 9 9 6 、水运工程混凝土 施工规范j t j 2 6 8 9 6 及a c i 、b s 等各国规范都对浪溅区混凝土结构的最大 水灰比、最小保护层厚度、最低水泥用量、混凝土拌和物中氯离子的最高含 量做了限定，具体情况见表1 1 1 4 ”3 。 表1 i各国标准对浪溅区混凝土结构最大水灰比的规定 j t j 2 6 8 、2 6 9 f i p 建议。 a c l 3 5 7a s l 4 8 0d n v日本土木学会编混凝 ( 1 9 9 6 )( 1 9 8 6 ) ( 1 9 8 9 )( 1 9 8 2 )( 1 9 8 9 )土标准规范( 1 9 8 6 ) 0 5 0 4 ( 0 4 0 。)0 4 00 4 00 4 50 4 5o 4 5 注：a ：我国的北方地区； b ：我国的南方地区； c ： f i p 海工混凝土结构设计与旖工建议的简称。 表1 2各国标准对浪溅区混凝土结构最小保护层厚度的规定( r a m ) j t j 2 6 8 、2 6 9f i p 建议a c l 3 5 7b $ 6 2 3 5b s 8 1 1 0d n va s l 4 8 1 ( 1 9 9 6 )( 1 9 8 6 ) ( 1 9 8 9 )( 1 9 8 2 )( 1 9 8 5 )( 1 9 7 7 )( 1 9 8 3 ) 5 0 8 、6 5 0 ( 9 0 )6 5 ( 9 0 )6 5 ( 9 0 )7 5 ( 1 0 0 )6 0 ( 6 0 )5 0 ( 1 0 0 )7 5 ( 1 0 0 ) 注：括号内指预应力混凝土最小保护层厚度 看岛建筑互稚学隍互学硕士学信论立 a ：我国的北方地区； b ：我国的南方地区。 表1 3各国标准对浪溅区混凝土结构最低水泥用量的规定 j l j 2 6 8 、2 6 9 f f p 建议 a c l 3 5 7a s l 4 8 0d n v日本土木学会编混凝 ( 1 9 9 6 )( 1 9 8 6 ) ( 1 9 8 9 )( 1 9 8 2 )( 1 9 8 9 )土标准规范( 1 9 8 6 ) 3 6 0 a ( 4 0 06 )4 0 03 5 04 0 04 0 03 3 0 注：a ：我国的北方地区； b ：我国的南方地区。 表1 4各国标准对浪溅区混凝土拌和物中氧离子最高含量的规定 ( 按水泥质量百分率计) j t j 2 6 8 、2 6 9b $ 6 2 3 5b s 8 1 1 0a c l 3 5 7 标准名称 ( 1 9 9 6 ) ( 1 9 8 2 )( 1 9 8 5 )( 1 9 8 9 ) 钢筋混凝土o 1 0o 3 5 a ( 0 6 6 )0 4 0 8 ( 0 2 0 6 )0 1 0 预应力混凝土 0 0 60 0 6o 1 0o 0 6 注：a ：符合或相当于b s l 2 的水泥； b ：符合或相当于b s 4 2 0 7 的水泥。 但是，有关浪溅区混凝土中钢筋腐蚀的试验数据和定量分析并不多见， 更难见成形的理论公式。目前，我国的大多数建设仍然主要集中在东部沿海 地区，其中海港码头的建设在东部地区仍占很大比重，所以，对浪溅区混凝 土中的钢筋腐蚀进行试验研究是非常有必要的。 舌岛建铺互程孝缆z 学顽士学位论主 1 3 本课题的研究目的及主要内容 1 3 1 研究目的 本课题的研究目的主要有两个：个是通过模拟试验，找出影响浪溅区 混凝土中钢筋腐蚀的主要因素：另一个目的是通过与经典钢筋腐蚀测试方法 失重法的比较，确定线性极化法及自然电位法在测定浪溅区混凝土中钢 筋腐蚀时的适用性。 1 3 2 主要内容和方案 ( 一) 通过浸烘循环制度来模拟浪溅区的海水侵入情况； ( 二) 通过改变w b 、粉煤灰掺量、保护层厚度、浸烘制度及浸泡盐水 的浓度等，并采用线性极化法和自然电位法定期观察钢筋的腐蚀情况。在试 验结束后，将所有试块劈开，用失重法测量钢筋的腐蚀量； ( 三) 将试块劈开后，用显色法测量c l 的渗入深度，并凿取钢筋周围的 混凝土粉末，用化学滴定法测量其中的自由c l 一含量，并测量粉末溶液的p h 值，这些信息将作为研究钢筋腐蚀与其影响因素之间关系的辅助材料； ( 四) 通过测量不同w b 、粉煤灰掺量的混凝土试块的交流电阻值，分 析混凝土交流电阻与钢筋腐蚀之间的关系与规律。 舌岛建筑工程学院工学顽士学位话主 第2 章试验方法与试件制备 2 , 1 试验方法 2 1 1 浪溅区混凝土结构接触海水情况的模拟方法 浪溅区最大的特点是干湿交替，本课题拟用浸烘循环制度来模拟这个区 域。烘干是将试块放入烘箱来进行，烘箱的温度设定为4 0 。c ( 这个温度接近 于我国大多数地区的夏季温度) 。浸湿过程则是将试块放入不同浓度的盐水中 进行。由于c 1 _ 侵入浪溅区的混凝土主要依靠毛细管吸收作用，所以在本试 验的浸湿过程中，盐水刚刚没过试块表面，其深度控制在3 l m m ，如图2 1 所示。 图2 1试验室模拟浪溅区混凝土接触海水情形示意图 1 4 昔岛建筑互程孝院工学额士亏位论吏 2 1 2 钢筋腐蚀的测试方法 现有的钢筋腐蚀测试方法很多，下面简要介绍应用较多的几种方法。其 中本课题主要采用了两种方法来跟踪研究钢筋的腐蚀情况，一种是自然电位 法，另一种是线性极化法，同时在试验结束后，又将试块劈开，取出钢筋测 其失重率，并以此方法的结果为基础来验证其余两种方法。 2 1 2 1失重法 该方法属于破损试验法。操作如下： 将试块沿钢筋方向劈开，取出钢筋，刮掉上面的混凝土，然后和另外一 根无锈的空白标准钢筋一起放入1 2 的稀释盐酸中浸泡2 5 r a i n ，并用硬塑料 刷帮助除锈，若2 5m i n 不能全部除净，可适当延长时间至除掉锈迹为止。然 后将这两根钢筋同时放入饱和c a ( o h ) 2 溶液中，1 5 m i n 后取出，用蒸馏水冲 净，并用一张定性滤纸快速吸掉水分，然后用另一张干净的定性滤纸包裹钢 筋放入1 0 0 。c 的烘箱中至少4 h ，取出后放入干燥器中冷却至室温，最后用分 析天平称其重量。钢筋腐蚀失重量可按公式( 2 1 ) 进行计算。 w = w o 一啊+ ( 2 - 1 ) 式中： 肛一钢筋腐蚀失重量( g ) ； 钢筋腐蚀前的重量( g ) ： 已腐蚀钢筋除掉锈迹后的重量( g ) ； 啦空白标准钢筋试样在稀释h c i 中的失重量( g ) 。 失重法是试验室中最简单、最常用、最能反映真实情况的种方法，只 是这种方法属于破损试验法。 舌岛建筑工程学院王雩顽士学位话盘 2 1 2 2自然电位法( 半电池电位法) 自然电位法属于钢筋腐蚀电化学测试方法中最简单、最经济的无损检测 法，又是研究最早、应用最广泛的方法。混凝土中的钢筋与周围介质在交界 面上形成双电层，其电位差的大小能反映出钢筋所处的状态，对于宏观腐蚀 电偶来说，自然电位法所测得的电位是阳极区和阴极区电位之间的混合电位， 虽然它既不等同于该宏观电偶的驱动电势，也不能反映钢筋的腐蚀速率，但 在混凝土保护层质量、厚度、温度比较均匀( 即电阻率较接近) 的同一构件 范围内，钢筋的自然电位仍不失为钢筋腐蚀活性的一种定性反映。 自然电位法的最大优点是通过测量不同点处的电位值，并绘制出等电位 图，便可以找出局部腐蚀的阴极区域和阳极区域，图2 - 2 。”为某隧道壁表面混 凝土的等电位图，图中电位最负处和等电位线较密集处( 即电位梯度较大处) 为阳极区，周围是阴极区。通过这种方法还可以判断钢筋腐蚀的类型( 是坑 腐蚀还是均匀腐蚀) 。 一德 长m 图2 2 某隧道壁表面混凝土的等电位图 18 0 14 0 o9 5 目 皇 恒 05 0 昔岛建筑工程学院z 学领士学位论圭 表2 1 是国际上应用最为广泛的美国a s t mc 8 7 6 标准中的自然电位判别 标准嘶1 。 表2 1a s t mc 8 7 6 电位评定标准 参比电极 腐蚀概率( ) c u c u s 0 4 电极甘汞电极 1 0 正于2 0 0 m v正于1 9 0 a b m v 5 02 0 0 m v 一3 5 0 m v一1 9 0 m v 一2 7 0 8 ( 2 9 0 6 ) m v 9 0负于3 5 0 m v负于2 7 0 8 ( 2 9 0 6 ) m v 注：a ：文献 2 6 ，2 7 f i b 为2 7 0 m v b ：文献 2 8 2 9 1 6 p 为一2 9 0 m v 。 由于本试验中的试块尺寸为1 0 0 1 0 0 x1 0 0 m m 的小立方体，尺寸较小， 所以无法用自然电位法的等电位图来判别坑腐蚀的阳极区域和阴极区域，只 能定性来判断整根钢筋的大体情况。 2 1 2 3 线性极化法 线性极化法。”最早于1 9 3 8 年提出，当时并不完善，后经s t e m 和g e a r 等人的发展，于1 9 5 7 年提出了这种快速又简便的腐蚀测定方法，这一方法是 以微极化时( 通常指e 1 0 m v ) ，极化电位a e 与极化电流i 成正比为基 本理论根据，见图2 3 。根据微极化方程式，即有名的s t e m 公式( 见公式( 2 2 ) 、 ( 2 3 ) ) ，可计算出自然腐蚀电流i 。的大小。 一a a el 。镨= 去 陋z ， 。r j b ，；b ：r p 、。 昔岛建筑工程学忿王学硕士学位话支 令b = 万 3 而4 t i c ，则 l 。= 昙 沼。， 式中： 极化电流值： z x e 极化电位值： ，。厂一自然腐蚀电流； b 。、b i 一分别为阳极和阴极反应的自然对数塔菲尔斜率； r d _ 一极化电阻。 9 r 一陟 b 。e 图2 3 腐蚀金属电极体系的极化曲线 对于b 值，a n d r a d e 。”和g o n z a l e z 发现，埋在混凝土中的钢筋处于腐蚀 状态时，b = 2 6 m v ；处于钝态时，b = 5 2 m v 。采用s t e m 公式时，若钢筋腐 荷岛建氛薰i 学院z 学顽害孝谨论点 蚀状态未知，则b 值律采用2 6 m v 。目前，线性极化法已成为无损、直接、 定量、灵敏、快速检测混凝土中钢筋腐蚀速率的一种最简单、应用最广泛、 也是最宙发展藩景的电化学方法。 本试验中跟踪钢筋腐蚀情况时主要采用的就是线性极化法，试验装置见 图2 。4 。 图2 4线性极化法试验装置示意图 该方法还有一大优点，即在测量i 。的同时，也测出了自然腐蚀电位值 e 。的大小，举两得，省时、省力。文献 3 0 】认为“用线性极化法测得的 是金潇表嚣总豹投化溉疆，嚣j 毙它汉遂愿子均匀寐蚀，对局部建蚀速率( 点 蚀、电偶腐蚀) 的测定受到限制”。若依据该文献，线性极化法则不能用于 检溅滚溅区黪锈筋腐蚀，健巍有众多文献。”在测量爨部鬻镪速率雾李使用了 该法。本课题对线性极化法用于检测浪溅区钢筋腐蚀的适用性进行了研究。 1 9 青岛建铙z 程孝院z 学领士亏住话支 在本试验中，线性极化法采用的是稳态技术，极化电位值a e = 1 0 m y 。 2 1 2 4 恒电量法 恒电量法汹1 仍属于极化测量的范畴，但是控制电量激励电极的条件却不 同于控制电位或控制电流的方法，它通过电极的电量直接反映出腐蚀过程中 发生物质变化的数量与限度。恒电量法是采用先进的电子技术，测量恒电量 激励下腐蚀电极的极化电位随时间衰减的曲线，从而确定出钢筋瞬时腐蚀速 率。 金属与腐蚀介质交界面的电化学特性可用图2 5 所示的等效电路近似表 述。 c “ 式中 图2 5电极反应界面的阻抗等效电路 当给腐蚀体系施加一个小的激励电荷q 时，它的电位将迅速移至n 0 。 酽篙 1 7 厂初始极化电位 ( 2 4 ) 哥岛建筑z 程学陵- s 学硕士学位话立 ( 。一腐蚀电檄的电吞； ，一电极表面积。 欧姆电阻的影响可忽略不计，极化电位no 有恢复到e c 。( 平衡电位) 的 趋势，即随时间而松弛。当no 降至n 。时，由电量的释放与消耗得 d a q = a l d t = 一c ( r l o r l , ) = 一c d r l ， ( 2 5 ) 若no 足够小，则极化电位与响应电流成线性关系，可表示为： 吾碣(2-6) 式中： r p 极化电阻( 对于确定的腐蚀体系来说稳态下为一常数) 。 由公式( 2 5 ) 和( 2 6 ) 可导出公式( 2 7 ) 一c d r l , = r l 砟d t ( 2 7 ) 积分可得： 矾：“一壶( 2 8 ) 两边取对数可得： i n r l2 l n 矾一面t ( 2 - 9 ) 公式( 2 9 ) 为线性表达式，由斜率可计算c r p ，式( 2 1 0 ) 可确定 出c 的大小，最后可计算出r v 的值。 c ：a q r 2 1 0 ) s t o 、 青岛建筑王程学院- y 学硕士学位话吏 计算腐蚀速率可用两次强极化或一次微极化求得塔菲尔常数，腐蚀体系 电化学动力学参数确定后，由s t e m 方程( 见公式( 2 2 ) ( 2 3 ) ) 即可计算出 i 。的大小。 恒电量法测量精度高、范围广，对于混凝土中钢筋腐蚀这样一个高阻体 系，它能快速而有效地应用，并提供有效数据；该测量技术操作简单，重现 性好；在测量过程中没有外电流流过被测体系，是一种断电的松弛方法。测 量受腐蚀介质阻力的影响小且对体系的扰动小。恒电量技术与线性极化法有 许多相似之处，但前者不仅能快速测出r p 值，且能求得塔菲尔斜率，从而使 用起来更加方便。另外，恒电量技术测定钢筋低腐蚀速率比线性极化法更适 合、更精确。只是恒电量法起步较晚( 1 9 8 8 年) ，目前应用较少。 2 1 2 5 交流阻抗法 交流阻抗法”1 是一种快速的暂态频谱分析技术。它的理论基础是：如果 对电极施加一个小的交流信号并使之不改变电极体系的性质，则可认为输入 与输出信号之间呈线性关系，所以，可以通过测量和对比输入与输出信号振 幅及相位之间的关系来判定该电极体系的性质。 交流阻抗法施加的交流信号对腐蚀体系的影响较小。它不仅可确定出电 极过程的各种电化学参数，而且可以确定出电化学反应的控制性步骤。通过 交流阻抗谱随时间的演变也可以研究电极过程的变化规律，从具体的钢筋混 凝土结构来看，它不仅反映了钢筋的电化学行为，同时也反映了混凝土材料 的性质。交流阻抗法在钢筋混凝土材料的研究中应用非常广泛。 不过，交流阻抗法的测量时间比较长，所需仪器、设备也比较昂贵：对 低腐蚀速率它需要低频交流信号，在测量上有一定的困难；在钢筋腐蚀的定 青岛建铕工程学霞工学顽士学位话主 量测量上没有线性极化法准确、方便；测量的阻抗谱与构件的几何尺寸有关， 增加了复杂性。 2 1 2 6 电化学噪声法 在自然电位下，有时会有一些微小的电位或电流变化，即低频、低幅( 1 uv 1 0 m v 、1 0uh z ) 的电化学噪声，特别是在发生坑腐蚀时，通过监听腐 蚀体系的声波，分析腐蚀电位或腐蚀电流的改变，从而得到混凝土中钢筋状 态的信息，这就是电化学噪声法“1 测定钢筋腐蚀的基本原理。 电化学噪声法的主要优点是，测量时不干扰腐蚀体系，同时它的测量不 受构件尺寸和形状的限制，甚至可以进行远距离的监测。其主要缺点是，目 前还不能定量测定钢筋腐蚀，测量费时较多，且需要足够的经验来正确解释 测量结果，另外，测量时如何避免其它噪声源的干扰还存在很大问题。 2 1 2 7 电阻探头法 电阻探头法是通过测量在工作过程中受到腐蚀的电子元件的电阻变化来 求得材料的腐蚀速率。其检测原理是导电材料的电阻与其截面积成反比，当 腐蚀使其截面积减小时，可按电阻的增大无损地检