环境作用下结构材料的侵蚀机理2

1、2013-10-21结构全寿命(shumng)维护第5章 环境作用(zuyng)下结构材料的侵蚀机理共九十页5.1 结构耐久性病害(bnghi)与环境作用调查5.2混凝土碳化机理与预测5.3 混凝土中的氯离子侵蚀机理与预测5.4 混凝土中的钢筋锈蚀机理与预测5.5 钢材锈蚀机理与预测5.6 思考题第5章 环境(hunjng)作用下结构材料的侵蚀机理共九十页5.3 混凝土中的氯离子侵蚀(qnsh)机理与预测海洋环境(hi yn hun jn)潮差区海水全浸区海水潮差区海水浪溅区平均低潮位平均高潮位海底底面海泥区影响腐蚀性的因素有海盐含量、湿度、风速、雨量、温度、太阳辐射等海水大气区潮湿、充分充气

2、的表面海水飞溅，无海生物污损周期沉浸，供氧充分，有海生物污损浅海区：海水通常为氧饱和 影响因素有海生物污损、海水流速、水温等。往往存在细菌，如硫酸盐还原菌。海底沉积物的特征和性状不同影响腐蚀性的因素有海盐含量、太阳辐射等深海区：氧含量不一，温度接近0度，海水流速低，pH 值比表层低海风带来细小的海盐颗粒共九十页5.3 混凝土中的氯离子侵蚀(qnsh)机理与预测高低tw/td时间(shjin)(h)潮位(cm)tw潮差区浪溅区浸泡区湿周期潮周期：T湿周期：tw干周期：td=T- tw潮差区共九十页5.3 混凝土中的氯离子侵蚀机理(j l)与预测除冰盐侵蚀(qnsh)环境共九十页5.3 混凝土中的

3、氯离子侵蚀机理(j l)与预测外渗型和内掺型氯离子含量(hnling)内掺型外渗型内掺氯盐侵蚀环境外渗化 冰 盐海洋环境盐湖盐碱地工业环境海 砂海 水减水剂粉煤灰PVC受火距混凝土表面深度共九十页5.3 混凝土中的氯离子侵蚀(qnsh)机理与预测饱和(boh)混凝土中的氯离子传输液相孔隙部分固相部分固相部分固态产物固态产物热传导热传导Cl-扩散传输氯离子的结合：(1)吸附于CSH凝胶和内部孔隙表面；(2)与水化产物反应生成Friedel盐。生成Friedel盐：Cl-的结合3CaO Al2O3 6H2O+Ca2+2Cl-+4H2O 3CaO Al2O3 CaCl2 10H2O热量共九十页5.3

4、 混凝土中的氯离子侵蚀(qnsh)机理与预测未饱和(boh)混凝土中的孔隙饱和(boh)状体大气相对湿度10%时大气相对湿度60%时大气相对湿度100%时未饱和混凝土孔隙中总是小孔隙达饱和，而大孔隙未饱和。共九十页5.3 混凝土中的氯离子侵蚀(qnsh)机理与预测未饱和孔隙(kngx)中的氯离子传输孔隙水膜液相气相液相孔隙固相固相固态产物固态产物热传导热传导Cl-传输热量Cl-传输气态水扩散Cl-的结合共九十页5.3 混凝土中的氯离子侵蚀机理(j l)与预测饱和(boh)孔隙中的氯离子传输液相孔隙部分固相部分固相部分固态产物固态产物热传导热传导Cl-传输液态水传输氯离子的传输包括：(1)氯离子

5、随液态水的流动而运动的对流；(2)液态水中氯离子浓度差驱动的分子扩散。Cl-的结合共九十页5.3 混凝土中的氯离子侵蚀(qnsh)机理与预测氯离子侵蚀混凝土的几个(j )重要过程气态水扩散液态水传输Cl-在孔隙水中扩散CO2溶解气液转换水蒸气压差驱动毛细压力差驱动水头压差驱动浓度差驱动热力学平衡至钢筋表面Cl-的电化学迁移电势差驱动Cl-结合物理化学结合局部酸化作用“活化钝化”腐蚀原电池催化剂作用促成去极化Cl-随孔隙水流动对流作用降低混凝土电阻共九十页5.3 混凝土中的氯离子侵蚀机理(j l)与预测混凝土中氯离子传输的主要(zhyo)机制扩散Diffusion渗透Permeation对流Co

6、nvection迁移Migration浓度梯度水压梯度电位梯度湿度梯度氯离子传输共九十页5.3 混凝土中的氯离子侵蚀(qnsh)机理与预测环境(hunjng)分类氯离子传输类型扩散 腐蚀危险高低低海床低潮高潮海水全浸区海水潮差区海水大气区海水浪溅区海洋环境海洋环境不同部位的腐蚀危险性毛细吸附毛细吸附共九十页5.3 混凝土中的氯离子侵蚀机理(j l)与预测 相对湿度(xingdu shd)对氯离子侵蚀速度的影响固态产物固态产物孔隙相对湿度过高或潮湿环境相对湿度过低或干燥环境固相固相固态产物固态产物孔隙固相固相水膜厚水膜薄扩散系数与相对湿度的关系共九十页5.3 混凝土中的氯离子侵蚀机理(j l)与

7、预测温度对氯离子侵蚀(qnsh)速度的影响温度 ，离子的扩散速度，氯离子侵蚀速度温度对不同胶凝材料组成混凝土表观扩散系数的影响共九十页5.3 混凝土中的氯离子侵蚀(qnsh)机理与预测氯离子侵蚀速度与时间(shjin)的关系时间 ，水化程度，孔隙率 ，氯离子侵蚀速度n取0.20.3扩散系数随时间的变化关系曲线（n=0.2）时间 ，孔隙吸附离子且Cl-结合量，孔隙率 ，氯离子侵蚀速度共九十页5.3 混凝土中的氯离子侵蚀(qnsh)机理与预测混凝土表面(biomin)氯离子浓度混凝土中氯离子含量外渗型混凝土表层不同深度的氯离子含量距混凝土表面深度/mm不到6mm浸泡区：混凝土表面氯离子浓度一般与海

8、水中的氯盐浓度接近，迅速达到最大值。大气区：氯离子源主要是周围的海洋大气环境，有个累积过程，会受风力、风向、雨水等自然环境变化的影响。潮差区和浪溅区：氯离子源来源于波浪或喷沫，随着波浪而周期性变化。CsCs 表层氯离子含量实测值实测氯离子含量共九十页5.3 混凝土中的氯离子侵蚀(qnsh)机理与预测饱和(boh)混凝土中氯离子侵蚀深度的预测假定1 混凝土混凝土为半无限大（一维）的各向同性均质材料。基本假定：假定2 扩散是混凝土中氯离子传输的唯一方式。假定3 氯离子不与混凝土发生物理化学结合。假定4 混凝土中的氯离子扩散系数为不随时间变化的常数。假定5 混凝土表面氯离子含量为不随时间变化的常数。

9、共九十页5.3 混凝土中的氯离子侵蚀(qnsh)机理与预测 Fick第二(d r)定律 xJxJx+x根据质量守恒， x长度微元体质量改变量m为当 x0且 t0时截面积为A x长微元体扩散系数，为常数假定1假定2假定3假定4式(5.3.1)共九十页5.3 混凝土中的氯离子侵蚀(qnsh)机理与预测饱和(boh)混凝土中氯离子传输的预测初始条件边界条件erf( )为误差函数假定5求解式(5.3.1)得t时刻x深度处的氯离子浓度C(x, t)：假定4表观扩散系数，为常数内部氯离子初始含量表面氯离子含量(计算值)，常量表面氯离子含量计算值式(5.3.2)式(5.3.3)当C0=0时：共九十页5.3

10、混凝土中的氯离子侵蚀机理(j l)与预测饱和(boh)混凝土中氯离子传输的预测混凝土中氯离子含量外渗型混凝土表层不同深度的氯离子含量距混凝土表面深度/mmCsCsaCs 表层氯离子含量实测值实测氯离子含量Csa 表层氯离子含量表层氯离子含量Csa（计算值） VS 表层氯离子含量实测值Cs 氯离子含量理论曲线共九十页5.3 混凝土中的氯离子侵蚀(qnsh)机理与预测混凝土临界(ln ji)氯离子含量混凝土临界氯离子含量：在钢筋周围混凝土中的氯离子含量如果恰好达到引起钢筋去钝化而开始锈蚀所需的含量。临界氯离子含量取决于：混凝土配合比、水泥中C3A含量、水泥品种、水灰比、温湿度、钢筋表面状态、氯离子

11、来源等多种因素的影响。共九十页5.3 混凝土中的氯离子侵蚀机理(j l)与预测表观(bio un)扩散系数的取值表观扩散系数（新材料和结构设计用）：龄期t0(一般为28d)混凝土用氯离子快速电迁移标准试验方法测定的扩散系数值表观扩散系数（既有材料和结构评估用） 采用氯离子含量实测曲线拟合。早期混凝土扩散系数的修正系数常取1。混凝土养护条件影响系数环境条件影响系数龄期系数式(5.3.4)共九十页5.3 混凝土中的氯离子侵蚀机理(j l)与预测龄期(ln q)系数n的取值龄期系数n：与混凝土的材料组成、水灰比、湿度等多个因素有关。 硅酸盐水泥粉煤灰矿渣硅粉水下区0.300.690.710.62潮汐

12、、浪溅区0.370.930.600.39大气区0.650.660.850.79胶凝材料环境类别共九十页5.3 混凝土中的氯离子侵蚀(qnsh)机理与预测环境(hunjng)条件影响系数ke 和混凝土养护条件影响系数kc胶凝材料和环境硅酸盐水泥矿渣水中潮汐区浪溅区大气区水中潮汐区浪溅区大气区ke1.320.920.270.683.882.700.781.98养护时间13728kc2.081.5010.79环境条件影响系数ke混凝土养护条件影响系数kc共九十页5.3 混凝土中的氯离子侵蚀(qnsh)机理与预测混凝土表面(biomin)氯离子含量的取值 硅酸盐水泥粉煤灰矿渣硅粉水下区10.310.8

13、5.0612.5潮汐、浪溅区7.767.456.778.96大气区2.574.423.053.23胶凝材料环境类别表面氯离子含量：取决于环境条件和混凝土自身特性可取值为：拟合回归系数W/B 为水胶比拟合回归系数Ac共九十页5.4 混凝土中的钢筋(gngjn)锈蚀机理与预测钢筋锈蚀(xi sh)的起因钢筋锈蚀裸露钢筋混凝土中钢筋停建工程钢筋堆场外露钢筋构件混凝土中性化氯盐侵蚀杂散电流内掺外渗化冰盐海洋环境盐湖盐碱地工业环境海 砂海 水减水剂粉煤灰酸性液体酸性气体酸性固体微生物腐蚀共九十页5.4 混凝土中的钢筋锈蚀(xi sh)机理与预测钢筋锈蚀(xi sh)的工程实例柳营路某停建工程-1柳营路某

14、停建工程-2停建的嘉裕大厦-1停建的嘉裕大厦-2共九十页5.4 混凝土中的钢筋锈蚀机理(j l)与预测钢筋锈蚀(xi sh)的工程实例外滩18号立面板底钢筋锈蚀、保护层脱落板底钢筋锈蚀、锈迹基础梁钢筋锈胀、外露共九十页5.4 混凝土中的钢筋(gngjn)锈蚀机理与预测钢筋(gngjn)锈蚀的工程实例板底钢筋锈蚀 保护层脱落柱钢筋锈蚀楼梯梁角部钢筋锈胀开裂窗过梁钢筋锈蚀外露斜土路洋房共九十页5.4 混凝土中的钢筋锈蚀(xi sh)机理与预测钢筋(gngjn)锈蚀的工程实例艺丰花园柱钢筋锈蚀梁钢筋锈蚀梁钢筋锈蚀板钢筋锈蚀板钢筋锈蚀共九十页5.4 混凝土中的钢筋(gngjn)锈蚀机理与预测钢筋锈蚀的

15、工程(gngchng)实例现浇板钢筋锈蚀预制板钢筋锈蚀梁内钢筋锈蚀柱内钢筋锈蚀墙内钢筋锈蚀苏州阳明山大酒店共九十页5.4 混凝土中的钢筋(gngjn)锈蚀机理与预测钢筋锈蚀的工程(gngchng)实例石塘中学梁锈蚀之一石塘中学梁锈蚀之二高安大楼梁锈蚀之一高安大楼梁锈蚀之二共九十页5.4 混凝土中的钢筋(gngjn)锈蚀机理与预测工程(gngchng)现象总结（1）梁柱构件中角部较一般部位容易发生锈胀开裂（2）梁柱构件中箍筋先于纵筋锈胀开裂，且箍筋容易发生 保护层脱落现象（3）楼板钢筋锈蚀会发生保护层整体脱落现象（4）梁中钢筋锈蚀沿梁跨不均匀分布（5）不同环境下（碳化、氯盐）的钢筋锈蚀形态不同（

16、6）锈后钢筋截面往往不再是圆形 上述现象是否具有普遍性？如何解释上述现象的发生？共九十页5.4 混凝土中的钢筋锈蚀机理(j l)与预测混凝土中钢筋(gngjn)钝化膜破坏的机理（1）混凝土的保护作用（钝化膜） 新鲜混凝土pH值达13，钢筋处于高碱性环境，表面生成 26nm厚致密的水化氧化膜。 （2）中性化破坏钝化膜 中性化反应使混凝土pH值降低 pH值下降到11.5左右，钝化膜趋于不稳定 pH值下降到910时，钝化膜作用完全破坏（3）氯离子破坏钝化膜 Cl-具有很强的穿透氧化膜能力，在氧化膜内层形成易溶FeCl2 使氧化膜溶解 共九十页混凝土中钢筋锈蚀(xi sh)的电化学机理5.4 混凝土中

17、的钢筋锈蚀(xi sh)机理与预测稀H2SO4溶液铁棒锌棒共九十页5.4 混凝土中的钢筋锈蚀机理(j l)与预测混凝土中钢筋锈蚀(xi sh)的电化学机理阴极H2OOH-e-O2混凝土钢筋混凝土 钢筋锈蚀的模拟电路大气环境UeRstRcReRa钢筋锈蚀电化学原理示意混凝土钢筋混凝土 大气环境阳极Fe2+阴极反应过程： O2+2H2O+4e-4OH- 阳极反应过程：FeFe2+2e- 电子传输过程：阳极区释放的电子通过钢筋向阴极区传送共九十页5.4 混凝土中的钢筋(gngjn)锈蚀机理与预测混凝土中钢筋锈蚀(xi sh)的电化学机理（4）腐蚀产物生成过程： Fe2+2OH-Fe(OH)2 （白锈

18、，3.8） 4Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3 （褐锈,4.2；吸水变黄锈,6.4） 2Fe(OH)3Fe2O3+3H2O （红锈,3.2） 6Fe(OH)2+O22Fe3O4+6H2O （黑锈，2.1）FeFeOFe3O4Fe2O3Fe(OH)2Fe(OH)3Fe(OH)3 3H2O0123456712.13.23.84.26.4体积(cm3)共九十页5.4 混凝土中的钢筋(gngjn)锈蚀机理与预测混凝土中钢筋锈蚀(xi sh)的电化学机理混凝土中钢筋锈蚀的发生必须具备三个条件：(1) 钢筋表面存在电位差，构成腐蚀电池；(2) 钢筋表面钝化膜遭到破坏，处于活化状态；(3) 钢

19、筋表面有电化学反应和离子扩散所需的水和氧气。周围环境中氧气扩散到钢筋附近，除参与阴极区的还原反应外，还参与锈蚀产物的次生反应。最终的锈蚀产物取决于供氧情况共九十页5.4 混凝土中的钢筋锈蚀机理(j l)与预测混凝土pH值对钢筋(gngjn)锈蚀的影响pH10，pH值增大，腐蚀速度降低pH910，钢筋完全脱钝，锈蚀速度不再受pH值影响 pH4，析氢腐蚀，pH值降低，腐蚀速度上升2240共九十页5.4 混凝土中的钢筋锈蚀(xi sh)机理与预测温度对钢筋锈蚀(xi sh)的影响温度不同，强碱环境下的拐点不同温度低于10度时，腐蚀速度较慢在1060度之间时，腐蚀速度随温度上升而加大 温度超过60度时

20、，温度增大，速度下降共九十页5.4 混凝土中的钢筋(gngjn)锈蚀机理与预测其它因素(yn s)对钢筋锈蚀的影响混凝土电阻抗孔隙水饱和度和相对湿度水灰比水泥品种和掺和料保护层厚度、质量、完好性共九十页思考题氯离子与二氧化碳气体作为对混凝土的两种侵蚀介质本身存在方式有何区别？其对混凝土侵蚀作用机理又有何主要区别？对于未接触(jich)液态水的非完全干燥的非饱和混凝土，当混凝土内部各处的水分含量不同时会发生传输，此时是否会存在毛细吸附驱动的水分传输？请从机理上解释。共九十页讨论(toln)：饱和混凝土中氯离子侵蚀深度的预测假定1 混凝土混凝土为半无限大（一维）的各向同性( xin tn xn)均

21、质材料。基本假定：假定2 扩散是混凝土中氯离子传输的唯一方式。假定3 氯离子不与混凝土发生物理化学结合。假定4 混凝土中的氯离子扩散系数为不随时间变化的常数。假定5 混凝土表面氯离子含量为不随时间变化的常数。共九十页孔隙(kngx)水膜液相气相液相孔隙固相固相固态(gti)产物固态产物热传导热传导Cl-传输热量Cl-传输气态水扩散Cl-的结合讨论：非饱和混凝土中的氯离子传输共九十页氯离子扩散(kusn)方程水分(shufn)传递方程热传导方程液体渗流方程讨论：非饱和混凝土中的氯离子传输应力-应变关系Fick扩散定律Fourier热传导定律Dacy定律Hook定律共九十页水分(shufn)传递+

22、热传导氯离子扩散+水分(shufn)传递氯离子扩散+热传导讨论：非饱和混凝土中的氯离子传输共九十页水分传递(chund)+热传导+氯离子扩散讨论(toln)：非饱和混凝土中的氯离子传输共九十页 问题的提出：传统钢筋锈蚀理论与工程实践的矛盾 传统钢筋锈蚀理论：钢筋开始锈蚀的时间为保护层 完全碳化所需的时间。 试验研究和工程调查：在用酚酞试剂测定的碳化深度 发展到距离钢筋表面某个(mu )长度时，钢筋就已 开始锈蚀，且随碳化深度加深，钢筋锈蚀速 度加快，直到碳化深度发展到超过钢筋位置 某个长度时，锈蚀速度才基本稳定下来。5.4 混凝土中的钢筋(gngjn)锈蚀机理与预测钢筋开始锈蚀时间的预测（一般

23、大气环境）共九十页5.4 混凝土中的钢筋锈蚀(xi sh)机理与预测钢筋开始锈蚀(xi sh)时间的预测（一般大气环境）谱线强度完全碳化CaCO3酚酞试剂无色区域酚酞试剂显色区域Ca(OH)2距混凝土表面深度(mm)Ca(OH)2与CaCO3含量变化曲线605040302010020406080100120部分碳化区 未碳化区 问题的解释（1）部分碳化区的存在共九十页5.4 混凝土中的钢筋(gngjn)锈蚀机理与预测钢筋开始锈蚀时间(shjin)的预测（一般大气环境） 问题的解释（2）PH值对钝化膜的影响对混凝土中钢筋来说存在两个临界PH值：（1）PH=9，钢筋表面的钝化膜开始生成，低于此值时

24、钢筋表面不可能有钝化膜存在，完全处于活化状态（2）PH=11.5，钢筋表面形成完整的钝化膜，低于此值时钝化膜呈不稳定状态；随着PH值的降低，钝化膜逐渐溶解、破裂直至完全破坏，钢筋锈蚀速率加快；只有高于此临界值时才能保证钢筋处于完全钝化状态，不发生锈蚀。 共九十页5.4 混凝土中的钢筋锈蚀(xi sh)机理与预测钢筋(gngjn)开始锈蚀时间的预测（一般大气环境） 模型的建立共九十页5.4 混凝土中的钢筋(gngjn)锈蚀机理与预测钢筋开始(kish)锈蚀时间的预测（一般大气环境） 参数分析相对湿度越低，碳化反应速度越低，扩散进去的CO2越来不及反应，碳化反应控制作用越显著，部分碳化区越长。部分

25、碳化区对钢筋开始锈蚀时间的影响不容忽视。共九十页CO2浓度越高，碳化反应越快，CO2扩散也越快，前者增长更明显(mngxin)，部分碳化区越不显著。5.4 混凝土中的钢筋锈蚀(xi sh)机理与预测钢筋开始锈蚀时间的预测（一般大气环境） 参数分析自然碳化比加速碳化试验中部分碳化更显著。共九十页5.4 混凝土中的钢筋锈蚀机理(j l)与预测钢筋开始锈蚀(xi sh)时间的预测（一般大气环境） 参数分析混凝土保护层越厚，被碳化时间越长，部分碳化累积效应越明显。共九十页5.4 混凝土中的钢筋锈蚀(xi sh)机理与预测钢筋(gngjn)开始锈蚀时间的预测（一般大气环境） 参数分析水泥用量越高，可碳化

26、物质含量越高，完全碳化的时间越长，部分碳化区越显著。共九十页5.4 混凝土中的钢筋锈蚀机理(j l)与预测钢筋开始锈蚀时间的预测(yc)（一般大气环境） 参数分析水灰比越大，CO2扩散越快，对碳化反应影响不大部分碳化区越不显著。共九十页5.4 混凝土中的钢筋锈蚀机理(j l)与预测胀裂前钢筋锈蚀速率(sl)的预测（一般大气环境） 基本假定（1）混凝土碳化使钢筋表面PH值降低是大气环境下钢筋脱钝激活的唯一方式。（2）氧气在混凝土中的扩散遵循Fick第一定律（3）氧气浓度在混凝土中呈线性分布 共九十页5.4 混凝土中的钢筋锈蚀机理(j l)与预测胀裂前钢筋(gngjn)锈蚀速率的预测（一般大气环境

27、） 基本假定（4）钢筋锈蚀产物为Fe3O4和Fe2O3，其中Fe3O4的摩尔含量为。 Fe2+2OH-Fe(OH)2 （白锈，3.8） 4Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3 （褐锈,4.2；吸水变黄锈,6.4） 2Fe(OH)3Fe2O3+3H2O （红锈,3.2） 6Fe(OH)2+O22Fe3O4+6H2O （黑锈，2.1）共九十页5.4 混凝土中的钢筋锈蚀(xi sh)机理与预测胀裂前钢筋锈蚀(xi sh)速率的预测（一般大气环境） 模型的建立（1）法拉第定律腐蚀电流密度（2）阴极反应消耗的氧气量Q1Q1Q2共九十页单位长度(chngd)钢筋腐蚀电流单位(dnwi)长度钢筋重

28、量损失量5.4 混凝土中的钢筋锈蚀机理与预测胀裂前钢筋锈蚀速率的预测（一般大气环境） 模型的建立钢筋截面锈蚀率共九十页5.4 混凝土中的钢筋锈蚀(xi sh)机理与预测胀裂后钢筋锈蚀速率的预测(yc)（一般大气环境） 假设氧气通过顺筋裂缝到达钢筋表面后，沿钢筋周边在混凝土中扩散，并服从Fick第一定律。 PRH环境湿度修正系数，即环境相对湿度大于腐蚀临界湿度的概率共九十页5.4 混凝土中的钢筋锈蚀机理(j l)与预测钢筋锈胀损伤过程及其破坏(phui)形态混凝土钢筋孔隙过渡区Cl- CO2 O2 H2O锈蚀产物VpVcrVair VpVcr钢筋脱钝锈蚀阶段 自由膨胀阶段 膨胀应力产生阶段 保护

29、层开裂及裂缝发展阶段 共九十页锈损钢筋(gngjn)体积胀裂力作用(zuyng)下混凝土变形量钢筋周边孔隙体积胀裂力作用下等代径向变形孔隙区等效厚度5.4 混凝土中的钢筋锈蚀机理与预测钢筋锈胀损伤过程及其破坏形态 胀裂时的钢筋锈蚀量/率共九十页5.4 混凝土中的钢筋(gngjn)锈蚀机理与预测钢筋(gngjn)锈胀损伤过程及其破坏形态 胀裂时的钢筋锈蚀量/率试验统计法模拟试验法力学分析法人工加速锈蚀试验长期暴露试验弹性分析方法有限元方法均匀锈蚀模拟坑蚀模拟施加荷载施加位移温度膨胀环共九十页qrqrftftftCd/2Sd/2qrftftCd/245o45oqrftftCd/2d/2一般(ybn

30、)边位置角区整体(zhngt)脱落胀裂时钢筋锈胀力5.4 混凝土中的钢筋锈蚀机理与预测钢筋锈胀损伤过程及其破坏形态 胀裂时的钢筋锈蚀量/率（Bazant 模型）共九十页qrcdqrpp cdcqr上限 下限(xixin)胀裂时孔边径向(jn xin)变形5.4 混凝土中的钢筋锈蚀机理与预测钢筋锈胀损伤过程及其破坏形态 胀裂时的钢筋锈蚀量/率共九十页5.4 混凝土中的钢筋锈蚀(xi sh)机理与预测钢筋锈胀损伤(snshng)过程及其破坏形态 胀裂时的钢筋锈蚀量/率胀裂时钢筋锈蚀率（1）胀裂时截面锈蚀率： （2）胀裂时直径锈损率： （3）胀裂时孔边径向变形： 一 般 边： 角 区： 整体脱落：

31、共九十页Bazant模型(mxng)存在的问题： （1）未考虑锈蚀产物向周边孔隙内的扩散(kusn)Youping Liu理论模型（2）未考虑体积膨胀力作用下锈蚀产物的变形金伟良理论模型（3）开裂面位置和开裂面应力分布与实际不符有限元模型（4）仅适用于光圆钢筋，不适用于变形钢筋试验模型（5）仅适用于均匀锈蚀，不适用于不均匀锈蚀温度膨胀环有限元模型（6）均布力作用下径向变形计算为近似值有限元模型（7）锈蚀产物体积膨胀系数的确定钢筋锈蚀机理研究5.4 混凝土中的钢筋锈蚀机理与预测钢筋锈胀损伤过程及其破坏形态 胀裂时的钢筋锈蚀量/率共九十页5.4 混凝土中的钢筋(gngjn)锈蚀机理与预测钢筋(gn

32、gjn)锈胀损伤过程及其破坏形态 胀裂宽度与钢筋锈蚀率关系w0=0.05mmdcrc原钢筋轮廓dcrcwdwdwdw原钢筋轮廓共九十页5.5 钢材锈蚀机理(j l)与预测钢材锈蚀的分类按作用机理分化学腐蚀：是指钢材直接与大气或工业废气中的氧气、碳酸气、硫酸气或非电解质液体发生化学反应而产生的腐蚀。电化学腐蚀：是指钢材表面具有不同电极电位的金属(jnsh)杂质，在与电解质或水、潮湿气体接触时，发生原电池反应，产生的腐蚀。按腐蚀形态分全面腐蚀或均匀腐蚀局部腐蚀应力作用下的腐蚀共九十页5.5 钢材锈蚀机理(j l)与预测腐蚀(fsh)电化学反应阳极氧化反应，放出电子： FeFe2+2e- 阴极还原反

33、应，接收电子： 析氢腐蚀：2H+2e-H2 (在含氧低的非氧化性酸中的碳钢) 吸氧腐蚀：O2+2H2O+4e-4OH （碳钢在大多情况下） 共九十页5.5 钢材锈蚀机理(j l)与预测钢材的腐蚀(fsh)形态全面腐蚀或均匀腐蚀点蚀缝隙腐蚀应力腐蚀腐蚀疲劳共九十页5.5 钢材锈蚀(xi sh)机理与预测点蚀（孔蚀/坑蚀）及形貌(xn mo)特征腐蚀集中于表面小范围直径小于深度孔口多数被腐蚀产物所覆盖，少数呈开放式共九十页5.5 钢材锈蚀(xi sh)机理与预测5.5 钢材(gngci)锈蚀机理与预测点蚀系数（点蚀因子）表面有钝化膜或阴极性镀层且局部膜或镀层破坏，或有碳钢内有硫化物夹杂有特殊离子的

34、介质中（如卤素离子在表面不均匀吸附）发生于某一临界电位（点蚀电位）以上。点蚀系数= 最大腐蚀深度P整体平均腐蚀深度d表示点蚀程度的点蚀因子点蚀发生条件共九十页5.5 钢材锈蚀(xi sh)机理与预测点蚀机理(j l)在蚀孔外部O2+2H2O+4e4OH-3FeOOH+eFe3O4+H2O+OH-点蚀孔内：FeFe2+2eFe2+H2OFeOH+H+MnS+2H+H2S+Mn2+点蚀孔口2FeOH+0.5O2+2H+2FeOH2+H2O2Fe2+0.5O2+2H+2Fe3+H2O2FeOH2+Fe2+2H2OFe3O4+6H+Fe(OH)2+OH-FeOOH+H2O氯离子半径小，穿过钝化膜产生强

35、烈的感应离子导电维持高电流密度,并使阳离子杂乱移动而活跃。硫化物夹杂形成阴极并产生含H2S的浓酸溶液。共九十页5.5 钢材锈蚀(xi sh)机理与预测点蚀的保护(boh)控制介质中有害离子阴极保护钝化处理使用缓蚀剂（如不锈钢用亚硝酸盐、硝酸盐、铬酸盐、硫酸盐和碱等）共九十页5.5 钢材锈蚀(xi sh)机理与预测缝隙(fngx)腐蚀金属结构的连接，如铆接、焊接、螺纹连接金属与非金属的连接，如金属与塑料、橡胶、木材、织物、石棉等，以及各种法兰盘之间的衬垫金属表面的沉积物、附着物，如灰尘、沙粒、腐蚀产物的沉积等共九十页5.5 钢材(gngci)锈蚀机理与预测缝隙(fngx)腐蚀机理铆接碳钢浸入充空

36、气的海水初期阶段后期阶段阳极：FeFe2+2e阴极：O2+2H2O+4e4OH-有缝隙且宽度足够侵蚀液进入（敏感宽度0.025 0.1 mm）；介质可以任何侵蚀性介质，含氯离子溶液最易引起缝隙腐蚀；与点蚀相比腐蚀临界电位低，更易发生。共九十页5.5 钢材锈蚀(xi sh)机理与预测影响缝隙腐蚀的因素(yn s)材料因素，如不锈钢随铬、铂、镍含量增高耐缝隙腐蚀性能提高几何形状：缝隙变窄速率增大，缝隙过大不产生缝隙腐蚀环境因素溶液中氧浓度，越高越快温度，80速率最大pH值，下将时增大溶液中Cl-浓度，越大越快缝隙宽度对2Cr13不锈钢的腐蚀速率影响腐蚀速率腐蚀深度共九十页5.5 钢材(gngci)锈蚀机理与预测缝隙腐蚀的防护合理设计，减少搭接、连接阴极保护，必须有足够(zgu)电流到缝隙内合理选材共九十页5.5 钢材锈蚀(xi sh)机理与预测应力腐蚀一般出现于局部区域破裂属于脆