淺談氯離子對(duì)鋼筋銹蝕的影響

淺談氯離子對(duì)鋼筋銹蝕的影響

鋼筋混凝土中的鋼筋腐蝕問題已在高速鐵路、橫跨海洋的大橋梁、隧道、港口和其他基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中引起關(guān)注。氯離子侵蝕是引起鋼筋銹蝕的主要原因之一,氯離子在混凝土中傳輸行為成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。然而,混凝土的破壞常常是各種物理、化學(xué)和力學(xué)因素綜合作用的結(jié)果,各種因素促進(jìn)和加速混凝土的劣化和失效過程。海洋浪濺區(qū)和除冰鹽使用地區(qū)的混凝土除承受氯鹽侵蝕外,還可能受到荷載作用、干濕循環(huán)及凍融循環(huán)等多因素的破壞作用,使混凝土構(gòu)件的安全性和耐久性下降。本文主要分析評(píng)價(jià)了應(yīng)力、干濕循環(huán)、凍融循環(huán)及碳化等多因素耦合作用下氯離子在混凝土中傳輸?shù)难芯楷F(xiàn)狀。1氯離子通過雙因素的影響研究1.1應(yīng)力對(duì)混凝土的影響隨著人們對(duì)混凝土服役條件的認(rèn)識(shí)加深,應(yīng)力、氯離子侵蝕作用下混凝土耐久性研究已引起人們的重視,國(guó)內(nèi)外學(xué)者就不同應(yīng)力、應(yīng)力水平作用下的氯離子傳輸機(jī)制做了大量研究工作。Saito等研究發(fā)現(xiàn)軸向壓力導(dǎo)致的微裂紋對(duì)混凝土氯離子的滲透影響很小,受90%抗壓強(qiáng)度應(yīng)力的混凝土氯離子滲透性幾乎和按90%加載后卸載的試件相同,但60%抗壓強(qiáng)度的循壞荷載卻使氯離子滲透量快速增長(zhǎng)。Lim等研究了單軸壓縮荷載與氯離子滲透性之間的關(guān)系,采用ASTMC1202方法評(píng)價(jià),結(jié)果表明,卸載后混凝土試件的電通量受臨界應(yīng)力影響,當(dāng)荷載超過臨界應(yīng)力時(shí),電通量顯著增加,氯離子滲透性增大。Schneider等通過對(duì)高性能混凝土應(yīng)力腐蝕的研究認(rèn)為,即使是高性能混凝土,荷載同樣會(huì)加速其化學(xué)腐蝕速度,荷載水平越高,加速作用越強(qiáng)。荷載水平超30%(彎曲荷載)即有顯著的加速作用,超過50%時(shí)荷載引起的損傷超過化學(xué)介質(zhì)的作用。邢峰研究認(rèn)為荷載引起的氯離子滲透深度增長(zhǎng)幅度與荷載水平之間的關(guān)系可以用三次多項(xiàng)式來模擬。混凝土中氯離子侵蝕速度在外界環(huán)境條件下主要取決于氯離子有效擴(kuò)散系數(shù)。而事實(shí)上,施加應(yīng)力對(duì)混凝土內(nèi)部的微細(xì)裂縫起到了抑制或擴(kuò)展的作用。拉應(yīng)力在混凝土中產(chǎn)生的微裂縫使氯離子的擴(kuò)散系數(shù)增大,從而加快了氯離子的腐蝕過程,減小混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。相反,壓應(yīng)力的作用會(huì)使混凝土更加密實(shí),從而降低了氯離子的擴(kuò)散速度。陳妤等針對(duì)不同應(yīng)力水平及服役年限的混凝土構(gòu)件進(jìn)行氯鹽滲透試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)應(yīng)力水平對(duì)混凝土中Cl-擴(kuò)散分布的影響比較明顯。在相同服役年限下,應(yīng)力水平為0.5的混凝土構(gòu)件中其氯離子擴(kuò)散速度要比應(yīng)力水平為0.3的快得多。圖1為不同應(yīng)力水平和服役年限的氯離子濃度分布。袁承斌等試驗(yàn)研究表明,應(yīng)力狀態(tài)下的氯離子擴(kuò)散系數(shù)與無應(yīng)力狀態(tài)下的氯離子擴(kuò)散系數(shù)及所加名義應(yīng)力值存在相關(guān)關(guān)系,經(jīng)驗(yàn)公式如下:Dσc=De+A1σc+A2σ2c2c(1)式中,Dσc為應(yīng)力狀態(tài)下氯離子擴(kuò)散系數(shù),10-6mm2/s;De為無應(yīng)力狀態(tài)下氯離子的有效擴(kuò)散系數(shù),10-6mm2/s;σc為名義應(yīng)力值,MPa;A1,A2為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。對(duì)壓應(yīng)力狀態(tài)下受壓試件上表面分別為0.08446和-0.011,受壓試件下表面分別為0.09295和-0.01896,拉應(yīng)力狀態(tài)下分別為-0.0125和0.2082。1.2干法交替下表層混凝土內(nèi)氯離子傳輸混凝土表層的干濕交替導(dǎo)致氯離子在混凝土中傳輸機(jī)理十分復(fù)雜,暴露條件不同,氯離子侵入機(jī)理也不同。姬永生等研究發(fā)現(xiàn),干濕循環(huán)作用下混凝土表層的氯離子含量遠(yuǎn)大于氯鹽溶液浸泡混凝土表層的氯離子含量,這是由混凝土毛細(xì)管孔隙的吸收作用引起的,且隨著侵蝕齡期的延長(zhǎng)而不斷增大。在干濕循環(huán)狀態(tài)下,氯離子在混凝土中的傳輸速度取決于侵蝕介質(zhì)的氯鹽濃度、干濕循環(huán)次數(shù)以及濕潤(rùn)過程結(jié)束時(shí)與風(fēng)干過程結(jié)束時(shí)的含水率差。陳偉通過對(duì)干濕循環(huán)過程的分析,提出了計(jì)算毛細(xì)管吸入作用影響深度和受影響區(qū)邊界點(diǎn)氯離子濃度的方法,在此基礎(chǔ)上,對(duì)Fick擴(kuò)散模型的邊界條件進(jìn)行了修正,并利用有限差分法對(duì)模型數(shù)值求解。實(shí)驗(yàn)證明,該模型較Fick模型更為合理。張奕等通過實(shí)際工程檢測(cè)結(jié)合基于機(jī)理分析數(shù)值模擬研究干濕交替區(qū)域混凝土中氯離子分布隨高程的變化規(guī)律,結(jié)果表明,隨高程增加,氯離子侵蝕程度呈先加劇后緩解的趨勢(shì),在某一高程處氯離子侵蝕達(dá)到極值,該區(qū)域應(yīng)該作為混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)和維護(hù)的關(guān)鍵部位。李春秋等在干濕交替下表層混凝土內(nèi)水分的不同傳輸機(jī)理的基礎(chǔ)上,建立了干濕交替下表層混凝土內(nèi)氯離子傳輸模型。研究表明:干濕交替下混凝土內(nèi)氯離子入侵比永久浸沒于氯鹽溶液中的混凝土要嚴(yán)重得多。同時(shí),由于混凝土對(duì)氯離子的強(qiáng)吸附性,干濕交替下混凝土中氯離子傳輸?shù)挠绊懮疃刃∮谒謧鬏?。金偉良等研究海水干濕交替區(qū)氯離子對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的侵入規(guī)律,結(jié)果表明,海水年浸潤(rùn)時(shí)間比例在0.3～0.5之間時(shí),平均表面氯離子含量和平均氯離子擴(kuò)散系數(shù)都較大,將可能對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的侵蝕。1.3凍融損傷作用凍融循環(huán)作用既會(huì)使混凝土結(jié)構(gòu)表面剝蝕,同時(shí)也會(huì)在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋損傷。從而影響氯離子在混凝土中的傳輸機(jī)制。Gérard等的試驗(yàn)結(jié)果表明,W/C為0.45的非引氣混凝土經(jīng)31、61、95次凍融循環(huán)后,混凝土的相對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)分別增大了約1.5、3.5、7.5倍。這表明凍融損傷作用會(huì)加速混凝土的氯離子擴(kuò)散速度。余紅發(fā)通過鹽凍和常溫下鹽溶液浸泡的對(duì)比試驗(yàn)研究了凍融作用對(duì)混凝土氯離子擴(kuò)散性能的影響,認(rèn)為凍融能夠抑止氯離子的擴(kuò)散,因?yàn)榛炷恋穆入x子擴(kuò)散速度受溫度影響明顯,溫度越低,氯離子擴(kuò)散速率越慢。Hong等甚至認(rèn)為混凝土中的氯離子擴(kuò)散作用在-18℃會(huì)停止,相比于凍融損傷的加速作用,低溫對(duì)混凝土氯離子擴(kuò)散的抑制作用占主導(dǎo)地位。王鋒研究認(rèn)為凍融循環(huán)使混凝土孔隙率增大,它是混凝土損傷的動(dòng)力源,為氯離子侵蝕創(chuàng)造更為有利的條件。凍融次數(shù)越多,氯離子侵蝕越嚴(yán)重。李毅等引入凍融損傷因子的概念,利用損傷因子對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)加以修正,得到一種同時(shí)考慮混凝土質(zhì)量損失和內(nèi)部損傷對(duì)氯離子傳輸影響的凍融循環(huán)后混凝土中氯離子濃度分布的預(yù)測(cè)方法。1.4粉煤灰混凝土抗氯離子滲透性能碳化與氯離子侵蝕是鋼筋混凝土中引起鋼筋銹蝕的兩種主要原因。正常環(huán)境下,當(dāng)CO2和氯離子到達(dá)鋼筋表面后,鋼筋表面的鈍化膜開始破壞,鋼筋開始銹蝕。目前,關(guān)于碳化和氯離子侵蝕雙重作用對(duì)混凝土性能影響方面的研究也已引起人們的注意。白軻等研究了CO2對(duì)粉煤灰混凝土氯離子滲透性能的影響。結(jié)果表明,碳化作用提高了粉煤灰混凝土28d抗壓強(qiáng)度,在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下,粉煤灰對(duì)混凝土抗氯離子滲透性有改善作用,而碳化作用使混凝土抗氯離子滲透性能明顯降低,且此時(shí)粉煤灰的摻入更加增強(qiáng)了對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能的不利影響。Tumidajski等研究表明,硫酸鹽-氯鹽復(fù)合溶液中充入CO2氣體,CO2延緩了氯離子在普通混凝土中的滲透速度,但卻加速了氯離子在礦渣混凝土中的滲透速度。Goni等通過摻加3%氯離子的靜漿碳化實(shí)驗(yàn)表明,碳化促進(jìn)了Friedel鹽分解,但靜漿中的自由氯離子并沒有大量增加。柳俊哲、Papadakis等通過摻入一定量氯鹽的砂漿(或混凝土)碳化實(shí)驗(yàn)表明,碳化促進(jìn)了Friedel鹽分解,加速了氯離子在混凝土中的滲透。金祖權(quán)等研究表明,混凝土碳化后浸泡到腐蝕溶液中,增加了混凝土中的氯離子含量,提高了混凝土表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù),降低了混凝土對(duì)氯離子的結(jié)合能力。降低了混凝土中Friedel生成量,以及混凝土對(duì)氯離子的化學(xué)結(jié)合能力。2混凝土的破壞機(jī)理在混凝土實(shí)際服役條件下,除應(yīng)力因素外,影響混凝土耐久性的因素還包括干濕循環(huán)、凍融循環(huán)等其它因素,而這方面的研究相對(duì)較少,對(duì)氯離子進(jìn)入混凝土內(nèi)部的機(jī)制還沒有取得完全令人信服的結(jié)論。慕儒對(duì)凍融循環(huán)與外部彎曲應(yīng)力、鹽溶液復(fù)合作用下混凝土進(jìn)行了耐久性的研究,結(jié)果表明外部彎曲應(yīng)力加速了混凝土在凍融循環(huán)過程中的相對(duì)動(dòng)彈性模量損傷速度,應(yīng)力比越高,損傷速度越快。10%、25%和50%的外部彎曲應(yīng)力作用下,NPC混凝土的抗凍融循環(huán)次數(shù)為凍融循環(huán)單一因素作用時(shí)的30%、8%和4%左右。50%外部彎曲應(yīng)力與凍融循環(huán)同時(shí)作用下,各水灰比混凝土幾乎都處于不穩(wěn)定的狀態(tài),經(jīng)過很少次數(shù)的凍融循環(huán)就發(fā)生斷裂破壞。同時(shí)他還發(fā)現(xiàn)應(yīng)力與凍融同時(shí)作用下混凝土的破壞形態(tài)與凍融循環(huán)單獨(dú)作用時(shí)有很大區(qū)別,尤其應(yīng)力比較高時(shí),大部分混凝土試件都從中部斷裂,表現(xiàn)為突然的脆性破壞。多因素耦合加速了混凝土的失效過程,且動(dòng)彈性模量下降和重量損失都有可能達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn),引起破壞。余紅發(fā)等基于除冰鹽凍融、火災(zāi)作用、硫酸鹽腐蝕、海浪沖刷或鹽湖風(fēng)沙磨蝕等其它耐久性因素對(duì)混凝土的疊加破壞作用使結(jié)構(gòu)表面發(fā)生的剝落現(xiàn)象,推導(dǎo)出了考慮多種耐久性因素作用下的混凝土表面剝落氯離子擴(kuò)散理論模型。cf=c0+(cs-c0)[1-erfx-kalg(bΝ+1)(1+c′110d-0.01Ν+1)2√ΚD0Τtm0(1+R)(1-m)Τ0eq(1Τ0-1Τ)t1-m](2)式中,cf為自由氯離子濃度;c0為混凝土內(nèi)初始氯離子濃度;cs為混凝土暴露表面的氯離子濃度,等于暴露環(huán)境介質(zhì)的氯離子濃度;D為氯離子擴(kuò)散系數(shù);m為經(jīng)驗(yàn)常數(shù);T為溫度;a,b,c′和d是由實(shí)驗(yàn)確定的材料特性參數(shù)。上述模型公式可以看出,在凍融循環(huán)和氯離子擴(kuò)散滲透共同作用下,氯離子對(duì)混凝土的擴(kuò)散滲透作用除了取決于擴(kuò)散深度、混凝土特性和暴露條件以外,還與凍融介質(zhì)和凍融循環(huán)次數(shù)有關(guān)。以上研究根據(jù)混凝土材料所處的環(huán)境進(jìn)行了一些多因素的模擬試驗(yàn)及理論探討,在研究方法和試驗(yàn)手段上都有了很多創(chuàng)新,與混凝土材料在實(shí)際情況下所處的環(huán)境有了一些相似,目前多因素耦合條件下混凝土耐久性研究日益受到人們的重視。3氯離子滲透的表征(1)除了少數(shù)研究