碳化条件下混凝土氯离子渗透研究

1、碳化条件下混凝土氯离子渗透研究 青岛理工大学 硕士学位论文 碳化条件下混凝土的氯离子渗透研究 姓名：于学斌 申请学位级别：硕士 专业：建筑与土木工程 指导教师：万小梅 2011-12 ：皇墅塑至兰三型墼塑丝篁圣一 摘 要 钢筋混凝土结构常常因为耐久性不足而达不到设计使用寿命，碳化与氯离子 渗透是影响混凝土结构耐久性的两大主要因素。目前，大量海岸工程的建设，使 沿海地区混凝土结构的数量迅速增长，而混凝土材料性能也面临着严酷海洋环境 的挑战。 本论文通过试验比较了不同的评价混凝土中氯离子传输性的方法，同时通过 测定混凝土的碳化和氯离子含量，分析了混凝土的碳化条件下氯离子在混凝土中 的渗透规律，分析

2、了碳化与毛细吸水、氯离子侵入、扩散室试验结果的相关关系。 试验结果表明：自然扩散试验可以说是模拟一种混凝土在自然条件下氯离子 扩散的试验方法，实际意义非常重大，但是自然扩散试验的数据一般在100天左 右，因此，自然扩散试验必须控制好时间间隔和确保试验时间；RCM试验可以在不 到2天的时间内即可以测出氯离子扩散系数，但是由于是在人为条件通电情况下 测得的数据，因此跟自然扩散试验有所差别；碳化对混凝土以及砂浆来说均使混 凝土渗透性增大，这是因为碳化使水泥浆体中的孔结构级配曲线向毛细孔区段偏 移，改变了其孔径分布；另外，本试验中碳化对砂浆试样氯离子渗透性的影响比 对混凝土氯离子渗透性的影响显著的多，

3、碳化后的砂浆氯离子扩散性可提高一个 数量级以上，砂浆中更为集中的硬化水泥浆体是其受碳化影响更大的原因：砂浆 渗透性大于混凝土。 关键词混凝土；耐久性；碳化；氯离子渗透性 青岛理工大学工程硕士学位论文 Abstract Reinforcedconcretestructuresoftenbecauseoflackof cannot durabilitydesign andchlorideion ofconcretestructuresthataffectthe life，carbonation permeability ofthe twomainfactorsAt numberofmarine d

4、urability present，the large engineering structuresincoastal the numberof the building，concrete regions rapidgrowth，and material ofconcretearefacedwith ofthemarine properties grim challenges environmentThechlorideionsinseawaterintrusionof corrosion concrete，steel caused， reducethestructureof signific

5、antly workinglife，andintheshortterm the may against use ofstructural ofthecarbonation safetyThe ofconcreteandchloride pilot COntent carbonationof concreteand analysis，the infiltrationofchloride ion，andfurtherstud the ofconcrete durability andlife methodThe prediction resultsshowedthat： carbonationof

6、the of concretestructures durability haslittle effectchlorideinfiltration fromsteel corrosionwas themain affecting reasonforthe ofconcrete durability structuresChlorideion concentration themain gradient diffusionintothe through concrete house Note onthe of onthe impermeability ofconcrete concrete，ma

7、inly impact ofthevarious andthemain impermeabilityaspects tothese factors，and f-actors response domestic andinternational onthecurrent statusand study accesstOsome important conclusions forthefuture ofconcrete impermeabilityresearchThedirectionof alsowasdiscussed development Underwater ions intothec

8、oncrete concrete，chloride havetwo usually wavs：firstis asthe of the”incorporation”，such additives incorporation chloridetheuse containing ofsea ofwater sand，constructionchlorinesaltand stirinsalt secondis concrete，The in the”infiltration”，chloridetheenvironment usuallvthrou吐 theconcrete macroand inf

9、iltrationto microdefects，and achieveinthe reinforced concrete or underminethe surface，directlyindirectly ofconcrete package and reinforcedroleinthe passive twobarriersThen high theoccurrenceof alkalinity mst corrosion volume product expansion，the ofconcrete protective and layer cracking inthemarine

10、environmentinthe falling underwaterconcrete structuresaremostlvt11e situation word key Concrete；Durability；Carbonation；ChloridePenetration II 青岛理工大学工程硕士学位论文 第1章绪论 11研究的背景 混凝土中的钢筋锈蚀是造成混凝土结构耐久性损伤的最主要因素，而在一般 大气环境下，混凝土碳化则是混凝土中钢筋锈蚀的前提条件，因此，研究混凝土 碳化及其预测模型对混凝土结构耐久性评估具有重要的实际意义。 20世纪60年代，国际上一些发达国家就开始重视混凝土结构的

11、耐久性问题， 对混凝土碳化进行大量的试验研究及理论分析。国内在这方面起步较晚，从20世 纪80年代开始研究混凝土碳化与钢筋锈蚀问题，通过快速碳化试验、长期暴露试 验及实际工程调查，研究混凝土碳化机理与影响因素与碳化深度预模型。经过40 多年的研究，国内外对混凝土碳化机理与影响因素已经有了深刻的认识，并提出 了很多种碳化深度的计算模型，为进一步研究混凝土中的钢筋锈蚀与混凝土结构 的寿命预测提供了基础。 水工建筑物多以混凝土结构组成，而这些混凝土结构多处在气候恶劣的环境 中，受泥沙、水流、物理、化学、气温等影响因素颇多。混凝土的破坏以碳化、 冻融破坏为常见，致使许多水工建筑物的运行寿命大为缩短，造

12、成极大浪费。如 吉林省丰满水电站，大坝某处水平施工缝张口宽达lcm以上；又如唐海县双九河 嘴东挡潮闸始建于1976年，到1986年许多混凝土构件已产生很多裂缝，钢筋裸 露；还有宝鸡峡灌区混凝土渠道某些区段也发生严重冻融破坏等等，所以有必要 进一步探讨水工建筑物混凝土的碳化、冻融破坏机理及防治措施。 12混凝土的碳化 混凝土的碳化是混凝土所受到的一种化学腐蚀。空气中C02渗透到混凝土内， 与其碱性物质起化学反应后生成碳酸盐和水，使混凝土碱度降低的过程称为混凝 化过程中生成大量的氢氧化钙，使混凝土空隙中充满了饱和氢氧化钙溶液，其碱 性介质对钢筋有良好的保护作用，使钢筋表面生成难溶的Fe203和Fe

13、304，称为纯 化膜。碳化后使混凝土的碱度降低，当碳化超过混凝土的保护层时，在水与空气 存在的条件下，就会使混凝土失去对钢筋的保护作用，钢筋开始生锈。可见，混 一 青岛理工大学工程硕士学位论文 凝土碳化作用一般不会直接引起其性能的劣化，对于素混凝土，碳化还有提高混 凝土耐久性的效果，但对于钢筋混凝土来说，碳化会使混凝土的碱度降低，同时， 增加混凝土孔溶液中氢离子数量，因而会使混凝土对钢筋的保护作用减弱。 121混凝土碳化作用机理 硅酸三钙 C3S 及硅酸二钙 C2S 也要消耗一定的C02气体。 由于混凝土是一种多孔性材料，在其内部往往存在着大小不同的毛细管、孔 隙、气泡等缺陷，具有一定的透气性

14、。空气中的C02首先渗透到混凝土内部充满 空气的孔隙和毛细管中，而后溶解于毛细管中的液相，与水泥水化过程中产生的 Ca OH 2和水化硅酸钙 CSH 等物质相互作用，形成CaC03。 Ca OH 2是水泥的主要水化产物之一，对于普通硅酸盐水泥而言，水化生成的 面又是混凝土中最不稳定的成分之一，很容易与环境中的酸性介质发生中和反应， 从而使混凝土碳化。 经过大量的研究表明，混凝土的碳化过程是C02气体由表及里向混凝土内部 逐渐扩散、反应复杂的物理化学过程，主要的碳化反应方程如下： o 11 C02+H20H2C03 12 Ca On 2+H2C03一CaC03+2H20 随着混凝土碳化过程的进行

15、，混凝土毛细孔中Ca OH ：的含量会逐渐减少， 必然要使混凝土PH值降低。混凝土的碳化改变了混凝土的化学成分和组织结构， 对混凝土的化学性能和物理力学性能有着明显的影响。 122混凝土中钢筋锈蚀机理 最初混凝土孔隙中充满了饱和Ca OH 2溶液，它使钢筋表层发生初始的电化 盖物称为钝化膜，在高碱性环境中，它可以阻止钢筋被进一步腐蚀。 当混凝土碳化深度超过保护层达到钢筋表面时，钢筋周围孔隙液的PH值降低 到8590，钝化膜被破坏，钢筋将完成电化学腐蚀，导致钢筋锈蚀。 ? 青岛理工大学工程硕士学位论文 2Fe+02 2FeO 13 Fe0+H2C03 FeC03+H20 14 15 4FeC03

16、+10H20+02 4Fe OH 3+4H：C03 钢筋生锈，体积增大，破坏了混凝土覆盖层，沿钢筋产生裂缝。水、空气进 入裂缝，加速了钢筋的锈蚀。当然，引起混凝土中钢筋锈蚀的因素不只是混凝土 的碳化，其中氯化物就是一个非常重要的影响因素。事实上，氯化物引起的钢筋 去钝化一般要比混凝土碳化引起的钢筋去钝化要严重得多。例如同样是C45级混 凝土，如果钢筋去钝化时间都是50年，则在一般的碳化环境中，混凝土最小保护 层厚度只要1cm，而在含氯化物的环境中，就至少要7cm。 混凝土的碳化是影响钢筋腐蚀重要因素之一，混凝土保持高碱性，不仅是保 护钢筋免遭腐蚀的前提条件，而且还是维持混凝土自身化学稳定性必要

17、条件， 因 此凡是能使混凝土碱性降低的一切因素，均对钢筋的腐蚀会产生不利影响。在工 业污染严重的今天，应特别重视混凝土的碳化对钢筋混凝土结构物中钢筋的腐蚀 破坏。此外，还应适当增加混凝土结构物保护层的厚度，提高混凝土结构物的密 实度及在混凝土结构物的外表面涂刷聚合物，对于提高钢筋抗锈蚀能力、保护混 凝土结构物的耐久性、延长混凝土结构物的使用寿命有着重大而深远的意义。 123碳化对混凝土结构鉴定的影响 在结构鉴定中人们往往只注意碳化引起的钢筋锈蚀对结构承载力的影响，而 忽略了碳化混凝土自身性能改变对结构的影响。如前所述，碳化会引起混凝土结 构延性的降低，对结构抗震不利，而现行混凝土设计规范和鉴定

18、标准都没有考虑 混凝土碳化后的性能改变，按未碳化混凝土性能设计的结构，原来是安全的，经 多年碳化后，可能变成是不安全的。改造旧房时，套用现行混凝土设计规范按未 碳化混凝土性能进行鉴定，可能会过高估计结构承载力和抗震性能，造成计算结 果失真。碳化混凝土结构抗震性能的研究是一个全新的课题，目前国内外还没有 人系统的从事这方面的研究，但混凝土碳化对结构抗震性能的影响却是不容忽略 的。建筑抗震设计规范要求抗震结构体系应具备良好的变形性能和耗能能力， 并规定混凝土结构在多遇地震作用下，其层间弹性位移应不超过某一规定值。当 混凝土结构发生不同程度碳化后，其构件的强度和刚度提高，延性降低，而强度 和刚度的提

19、高会使结构受到的地震作用增加，延性降低会使结构和构件的耗能能 3 青岛理工大学工程硕士学位论文 力降低，因此混凝土碳化后会削弱混凝土结构的抗震能力，在进行混凝土结构鉴 定时应适当考虑碳化对抗震性能的影响。 124混凝土碳化对结构耐久性的影晌 碳化使混凝土的碱度降低，碳化后，完全碳化区的pH值由13左右降至9以下， 钢筋表面的钝化膜可能发生破坏而导致钢筋锈蚀。铁锈的体积一般要增长2"-'4倍， 对结构造成三方面的不利影响： 1 铁锈体积膨胀，使混凝土保护层胀裂甚至脱落，严重影响结构的正常使 用； 2 铁锈的生成造成钢筋截面减小，构件承载能力降低： 3 铁锈将破坏钢筋与混凝土的粘

20、结，钢筋与混凝土的协同工作能力降低， 甚至造成整个构件失效。 由此可见，混凝土碳化引起的钢筋锈蚀对混凝土结构耐久性影响十分严重。 通过研究碳化速度，估计出碳化至钢筋表面所需要的时间，从而确定混凝土结构 的耐久性或保护层厚度。 125碳化处理方法 混凝土碳化的程度不同，部位不同，处理方法也不同。对碳化深度过大，钢 筋锈蚀明显、危及结构安全的构件应拆除重建；对碳化深度较小并小于钢筋保护 层厚度，碳化层比较坚硬的，可用优质涂料封闭；对碳化深度大于钢筋保护层厚 度或碳化深度虽然较小但碳化层疏松剥落的，均应凿除碳化层，粉刷高强砂浆或 浇筑高强混凝土；对钢筋锈蚀严重的，应在修补前除锈，并应根据锈蚀情况和结

21、 构需要加补钢筋。防碳化处理后的结果要达到阻止或尽可能减缓外界有害气体进 入混凝土内侵蚀，使混凝土内部和钢筋一直处在高碱性环境中。对于混凝土的碳 化破坏，我们在施工中总结出了一系列治理措施： 1 在施工中应根据建筑物所处的地理位置、周围环境，选择合适的水泥品 种；对于水位变化区域以及干湿交替作用的部位或较严寒地区选用抗硫酸盐普通 水泥；冲刷部位宜选高强度水泥； 2 分析骨料的性质，如抗酸性骨料与水、水泥的作用对混凝土的碳化有一 定的延缓作用； 4 青岛理工大学工程硕士学位论文 3 要选好配合比，适量的外加剂，高质量的原材料，科学的搅拌和运输， 及时的养护等各项严格的工艺手段，以减少渗流水量和其

22、它有害物的侵蚀，以确 保混凝土的密实性；另外，若建筑物地处环境恶劣的地区，宜采取环氧基液涂层 保护效果较好，对建筑物地下部分在其周围设置保护层；用各种溶液浸注混凝土， 如：用溶化的沥青涂抹。还有，若建筑物一旦发生了混凝土碳化，最好采用环氧 材料修补，若碳化深度较大，可凿除混凝土松散部分，洗净进入的有害物质，将 混凝土衔接面凿毛，用环氧砂浆或细石混凝土填补，最后以环氧基液做涂基保护。 13混凝土抗渗性能 由于混凝土本身存在的多孔性，在存在内外压力差的情况下，必然存在液体 或气体从高压处向低压处迁移渗透的现象，这种现象被称为混凝土的渗透性。混 凝土的抗渗性和混凝土的抗碳化能力，与抵抗外界有害物质的

23、腐蚀及抗冻性都有 着紧密的关系。一般来说，抗渗透性好的混凝土，耐久性也就好。 处于北方地区的水工混凝土结构，如果混凝土抗渗性不好，水很容易进入混 凝土内，在冬季会使混凝土遭受冻害。Mehta教授在1991年召开的第二届国际混 凝土耐久性会议上的主题报告“混凝土耐久性一五十年进展”中指出10】：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。” 除了氯盐腐蚀以外，冻害是影响混凝土结构耐久性的另一重要因素。 131混凝土的抗渗性和孔结构 混凝土的多孔性导致了其抗渗性较差，混凝土的抗渗透性主要依赖于水石的 孔结构和集料的性能。水泥石和集料都含有各种大小的孔隙和裂缝，但

24、并不是所 有这些都是渗透的通道，孔隙率不是影响渗透性的最主要原因：混凝土的渗透性 在很大程度上还取决于水泥石的孔结构。 一 水泥石的孔结构 水泥与水的作用是从水泥颗粒表面熟料矿物的溶解开始的，然后进入凝聚结 构和结晶结构的形成阶段，其水化产物以凝胶体、亚微观晶体、大晶体的形式存 在，它们与未水化的水泥颗粒、水、粗细集料和成型时裹胁进入的大量气泡，形 成了固相、液相、气相的多相多孔体，即水泥石。水泥石的孔隙主要由凝胶孔、 毛细孔和非毛细孔三部分组成。 青岛理工大学工程硕士学位论文 1凝胶体 凝胶体时水化水泥颗粒问的过渡空间的孔径根据不同的形成条件而波动在很 的，但随着水泥水化的发展，由于后期水分

25、的蒸发，其凝胶孑L隙率将逐步增加， 虽然这样，水泥凝胶的渗透系数是很小的，属于无害孔。 2毛细孔 水泥硬化到一定阶段，水泥石内部出现毛细孔，它对水泥石渗透性的影响最 大。毛细孔的形成主要与水灰比的大小有关，初始水灰比越大，水泥水化程度越 低，水泥石的毛细孔就越大。随着水泥水化的发展，水泥石毛细孔孔隙是不断变 化的，一般认为随着水泥水化的深入发展，水泥石毛细孔的孔隙率下降。 毛细孔的孔径也是因形成条件不同而变化在一个很大范围内：微细孔小于 019；大毛细孔在O110斗。毛细孔的形状多样，其体积最大可占水泥石总体积的 40。 3非毛细孔 非毛细孔主要是指水泥石内部缺陷和微裂缝，可能是由于水泥石的收

26、缩、温 湿度变化、成型条件等因素引起。 表11混凝土的孔结构特性 序 体积百分 孔隙和缺陷类型 形成原因 典型尺寸 开孔性 号 LLo 1 大孔洞、缺陷 由于浇捣或振捣不密实 1-50cm 05 开放的 大部分 自然 搅拌、浇注和振捣时不可避免的 015mm 13 闭孔 2 气孔 大部分 引入 掺入专用外加剂人工引入 525um 3一lO 闭孔 大部分 3 微孔、毛细孔 水分蒸发形成 150um 1015 开孔 大部分 4 水平裂缝 混凝土拌和物的内离析造成 01-1mill 12 开孔 位于集料和钢筋下部，由于水泥砂浆 大部分 5 内泌水孔隙 00101mm01一l 离析、泌水所造成的 开孔

27、 稳定 温度梯度 1-20ram Ol 开放的 6 微裂 收缩 湿度梯度 15mm 0-01 开放的 30030000 大部分 7 胶凝孔 水化和化学收缩 O510 Um 闭孔 6 青岛理工大学工程硕士学位论文 二 混凝土的孔结构 混凝土的孔结构很大程度上取决于水泥石的孔结构，但是由于混凝土的结构比 水泥石复杂得多，在某些情况下，混凝土的渗透性可能会取决于其他因素，比如原 材料的质量，施工工艺和环境介质等。在实际工程中，混凝土的孔结构可以用表 11所示加以描述31。 132混凝土抗渗指标和抗渗措施 一 混凝土的抗渗指标 混凝土工程中最常遇到的流体是水，这里主要讨论混凝土对水的抗渗性。衡 量混凝

28、土的渗透性或抗渗性，常用渗透系数或抗渗标号来表示。 渗透系数是用在压力水头作用下每1h经过lm2面积所渗透的水量来表示。 由此，可得渗透系数 cms 为 仁舞 16 度 cm ，H为压力水头 用水柱高度cm表示 。 对于密实度较好的混凝土，其渗透性不宜用渗透系数来表示，而是用渗透压 力 即抗渗标号 来表示，它表明混凝土在某一压力作用下是不渗透的。混凝土 抗渗标号需要的试验设备，试验时混凝土一面受高压水的作用，使水压按一定的 速度缓慢地上升，记下另一面混凝土出现水珠或湿点的水压，通过计算就可以求 出抗渗标号。 根据水运工程混凝土试验规程 JTJ27098 1U所述的混凝土抗渗试验， 还可以确定混

29、凝土的抗渗等级。试验方法基本同前述测试抗渗标号的试验，以6 个试件为一组，其中4个未发现渗水现象时的最大水压力。抗渗等级按下式计算： 睨 10H一1 17 式中，W。混凝土抗渗等级，H为一组试件中发现第3个试件定面开始渗水时的 水压力数值。 二 混凝土的抗渗措施 改善混凝土的抗渗性对于提高混凝土的耐久性是非常重要和有意义的，主要 可以从以下几个方面来考虑。 7 青岛理工大学工程硕士学位论文 1提高混凝土自身的抗渗能力 增加自身的抗渗能力是混凝土提高抗渗性的最根本的方法，主要的措施有： 1 设计合理的混凝土配合比，严格控制混凝土的水灰比。 2 在混凝土中掺入粉煤灰等外加剂，提高混凝土的抗渗性。

30、3 对砂石的清洁度特别是含泥量，提出严格的要求。 4 采用机械振捣和机械搅拌，保证混凝土的密实度。 5 加强混凝土的养护。 2采用表面涂层或覆盖层 这种方法可以在一段时间内阻止外界有害介质侵入混凝土内部，这种方法由 于效果较好、价格便宜、工艺简单等优点而应用较为广泛。常用的涂层有防水涂 料类和防水砂浆类。 3浸渍混凝土 浸渍混凝土可以堵塞混凝土表面的渗水孔道，从而大大提高混凝土的抗渗 性。这个方法效果最好，但是由于工艺复杂且价格昂贵仅在个别特殊工程中应 用。 133混凝土中的氯离子渗透性 从外界环境侵入已硬化混凝土的氯离子有许多来源，并且通常与氯离子在混 凝土中的渗透能力有关。在没有外加电场的

31、自然状态下，氯离子在混凝土中的传 输一般有以下几种途径：扩散、渗透、毛细吸附、电迁移。 1331扩散作用 扩散是自由分子或离子在浓度差的驱动下从高浓度区向低浓度区的迁移。由 于混凝土内部与表面氯离子浓度有差异，氯离子主要是在混凝土的孔溶液中扩散。 当氯离子侵入混凝土内部后，只要具有足够的湿度条件，就可以通过扩散机理继 续向里侵入。 1 稳态扩散：单位时间内通过垂直于扩散方向参考平面的物质的量称为离 子的扩散通量，通量通常用庶示。滁了与扩散物质的本性以及温度和压力等环境 条件有关外，还和物质的浓度分布和时间有关。假设在扩散力作用下，扩散通量， 达到稳定值，即其数量大小不再随时间的增长而变化，这时

32、的体系达到稳态传输。 8 青岛理工大学工程硕士学位论文 在恒定温度下，扩散通量与浓度梯度成正比，令比例系数为D，则有以下公式： J -D丝 0x 18 式中，D是扩散系数 m2s 。 2 非稳态扩散：在通常状况下，氯离子的扩散通量堤一个随时间和空间 变化的函数，对应体系的扩散过程称为非稳态扩散过程。假定一个空间中是一维 扩散，左右两侧进入和出去的离子通量之差在数值上等于该体积内离子总量变 化率，即： ：型出：丝dx ax 色 19 式中，C是离子浓度，t是扩散时间，x是深度。 1332渗透作用 渗透是液体在压力差的驱动下发生在材料内部的流动，其过程符合达西定律 laW " Darcy

33、S Q -一kdp 110 7 0x 式中，Q是孔隙液体积流速：k是渗透系数；彳是液体的粘滞性系数；P是压力水 头。 1333毛细吸收作用 毛细吸收是指由毛细孔隙的表面张力引起的液体传输。当混凝土表层风干到 一定程度，中空或部分饱和水的毛细孔隙所具有的表面张力就将盐溶液吸入到混 凝土内部，风干程度越高，毛细吸收作用就越大。 由于暴露条件不同，氯离子侵入的机理也不同，毛细吸收、扩散和渗透过程 有可能同时发生。氯离子侵入过程除了受混凝土自身性能的影响外，还受到各种 环境因素的影响，因此是一个非稳定的过程。而对于特定的条件下，只有某种传 输机理占主要方式。当混凝土孔隙不饱和时，毛细吸收是主要运输方式

34、；混凝土 孔隙吸水饱和后，常压下扩散为主要运输方式，压力很高时渗透为主要传输方式。 9 青岛理工大学工程硕士学位论文 1334电迁移作用 当有外部电场存在时，作为离子扩散的一种特例，溶液中的氯离子还会向与其 所带电荷相反的电极方向迁移。当电流通过电解质溶液时，在外电场的作用下， 正离子向阴极方向迁移，负离子向阳极方向迁移，共同承担导电的作用，其运动 规律可用NemstPlank方程描述。假定外加电场是恒定的，试验过程中没有对流产 生，氯离子迁移的NernstPlank方程如式 19 。 J：Df丝+C丝1 111 、趴 R7 式中：为氯离子单方向流量；D为氯离子的扩散系数；C为氯离子的浓度； X为距离；F为法拉第常数；R为气体