2017第5章环境作用下结构材料的侵蚀机理

第5境作用下结构材料的侵蚀机结构耐 害与环境作混凝土碳化机理与预混凝土中的氯离子侵蚀机钢材锈蚀思考5.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预海洋环境分区（氧气、海水海风带来细小的海盐颗 影响腐蚀性的因素有海盐含量 辐射

平

影响因素有0pH值比表层

往往存在细菌，如硫酸盐还原菌。海沉积物的特征和性状不5.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预湿周湿周湿周w干周期：td=T-低高时间潮差

潮周潮位潮位5.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预除冰盐侵蚀5.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预外渗型和内盐湖盐碱盐湖盐碱砂海5.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预饱和混凝土中的氯离子传Cl-的结ClCl-的结Cl-热传固态产热传固态产热液相孔隙部固相部吸附于CSH凝胶和内部孔隙表面5.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预未饱和混凝土中的孔隙饱和状大气相对湿度10大气相对湿度60大气相对湿度1005.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预未饱和孔隙中的氯离子传热传固态热传固态产Cl-的结热传固态固热Cl-传 液气态水扩Cl-传

气 孔液固5.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预饱和孔隙中的氯离子传Cl-的结液态水Cl-的结液态水传热传固态产热传固态产Cl-液相孔隙部固相部复习：混凝土碳化机理与预测复习：混凝土碳化机理与预测（同学描述固相中孔隙中： 混凝土碳化孔隙中：

碳化反应固态产热传固态产热传热

CO2 Ca2+与CO2的扩

液气 孔隙部液固态产热固态产热传固态产

固液界面上溶5.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预氯离子侵蚀混凝土的几个重要气态气态水扩

至钢筋表液态水液态水传气液转ClCl-(??区(??区

Cl-Cl-结湿度梯电位梯水压梯5.3混凝土中的氯离子侵蚀湿度梯电位梯水压梯混凝土中氯离子传输的主要机浓度梯5.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预海洋环境不同部位的腐 境

氯离环境分 传输类 腐毛浓度梯水压梯电位梯湿度梯扩散高 5.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预固孔固相对湿度对氯离子侵蚀固孔固固孔固孔固固态产固态产水膜水膜固态产0 复习：混凝土碳化机理与预测（同学描述复习：混凝土碳化机理与预测（同学描述固态产水固态产水膜固态产固孔固水膜固态水膜固态产固孔固相对湿度过低，CO2扩散较快 5.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预温度对氯离子侵蚀速5.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预氯离子侵蚀速度与时间的关时间时间↑，水化程度↑，孔隙率↓，氯离子侵蚀速度n取tD(t)D00t

310

时间/扩散系数随时间的变化关系曲线5.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预混凝土表面氯离子浓 Cs距混凝土表面深度不到5.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预测（5.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预测（自阅基本假假定2扩散是混凝土中氯离子传输的唯一方式。5.35.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预测（自阅Fick第二根据质量守恒，Δx长度微元体质量改变量Δmm(JxJxx)A

截面积为m(Ax)Jxm(Ax)

ΔCJx JxΔ

JD

Δx长微元C

C

C

式

x

x5.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预测（自阅饱和混凝土中氯离子传输的预

C(x0,t0)假定5混凝土表面氯离假定5混凝土表面氯离求解式(5.3.1)，得t时刻x深度处的氯离子浓度

erf

erf(x)

xet20 tC(x,t)C0(CsaC0)1erft

式22

表观扩散系数，为常当C0=0

假定C(x,t)Cs1erf 假定

式2 2

Dat5.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预测（自阅饱和混凝土中氯离子传输的预表层氯离子含量Csa（计算值） CsCsCsa距混凝土表面深度5.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预测（自阅混凝土临界氯离子含混混凝土临界氯离子含量：在钢筋周围混凝土中的氯离子含如果恰好达到引起钢筋去钝化而3A5.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预测（自阅表观扩散系数Da的取表观扩散系数（既有材料和结构评估用采用氯离子含量实测曲线拟合表观扩散系 (新材料和结构设计用ttDaDa(t)DRCM,0ktkcke0t

式常取1

5.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预测（自阅龄期系数n的取ttDaDa(t)DRCM,0ktkcketk5.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预测（自阅）环境条件影响系数ke和混凝土养护条件影响系数 1371ttDaDa(t)DRCM,0ktkcket5.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预测（自阅混凝土表面氯离子含量的取csAc(W/B)

W/B拟合回归系数钢筋钢筋锈蚀的柳营路某停建工程- 柳营路某停建工程-停建的嘉 - 停建的嘉 -钢筋锈蚀的外滩18号立 板底钢筋锈蚀、保护层脱 钢筋锈蚀的路板底钢筋锈蚀保护层脱 柱钢筋锈洋房楼梯楼梯梁角部钢筋锈胀开窗过梁钢筋锈蚀钢筋锈蚀的梁钢筋锈

艺丰花

柱钢筋锈梁钢筋锈钢筋锈蚀的

钢筋锈蚀的石塘中学梁锈蚀之 石塘中学梁锈蚀之高安大楼梁锈高安大楼梁锈蚀高安大楼梁锈蚀工程现象总上述上述现象是否具有普遍性如何解释上述现象的发生混凝土中钢筋钝化膜破坏的机2~6nm厚致密的水化氧化膜。氯离子破坏钝 溶FeCl2使氧化膜溶解。混凝土中钢筋锈蚀的电化学机锌 铁混凝土中钢筋锈蚀的电化学机

氧化

氧化膜缺陷

电子电子传输过程：阳极区释放的电子通过钢筋向阴极区传阴极反应过O2HO+4e-Cl-的作用，O2的作用，H2O的作混凝土中钢筋锈蚀的电化学机（4）腐蚀产物生成过程Fe2++2OH-→Fe(OH)2（白锈，氢氧化亚铁，4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3（褐锈，氢氧化铁，4.2；吸水变黄锈2Fe(OH)3→Fe2O3+3H2O（红锈，氧化6Fe(OH)2+O2→2Fe3O4+6H2O（黑锈，四氧化三铁，1

混凝土中钢筋锈蚀的电化学机理-总结(同学排序钢钢筋表面存在电位差，构成腐蚀电池钢筋钢筋表面钝化膜遭到破坏，处于失去保护层，露的钢筋加速锈钢筋表面有电化学反应和离子扩周围周围环境中氧气扩散到钢筋附近，除参与阴极区的还原应外，还参与锈蚀产物的次生反最终的锈蚀产物取决于供氧情混凝土pH值对钢筋锈蚀的影pH>10pH>10，pH值增大，腐蚀速度降低pH<9~10，钢筋完全脱钝，锈蚀速度不再受pH值影响pH<4，析氢腐蚀，pH值降低，腐蚀速度上升 在10~60度之间在10~60度之间温度超过60度时，温度增大，速度下降(氧在水中的溶解度减小其它因素对钢筋锈蚀的影混凝土电阻水泥品种和掺保护层厚度、质思考本节讲述部分到此结以下部 同讨论：饱和混凝土中氯离子侵蚀深度的预基本假假定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。非饱和混凝土中的氯离子传输（自阅热传固态热传固态产Cl-的结热传固态固热Cl-传 液气态水扩Cl-传

气 孔液固JCJCDCgrad氯离子扩散方水分传递方热传导方

JHDHgrad(HJTDTgrad(T

Fick扩散定Fourier热传导定液体渗流方 Jw

Dacy定应力-应变关

JFE

Hook定J递阅JH+

H

grad(H)

H

grad(T热传氯离子扩+水分传氯离子扩+热传

JTDTHgrad(H)DTTgrad(T DClHgrad(H)DClClgrad(CfJTDTTgrad(T)DTClgrad(CfJJTDTTgrad(T)DTClgrad(CfDClTgrad(T)DClClgrad(Cf（自阅水分传递+热传导+氯离子扩JHDHHgrad(H)DHTgrad(T)DHClgrad(Cf)JTDTHgrad(H)DTTgrad(T)DTClgrad(Cf)JCDClHgrad(H)DClTgrad(T)DClClgrad(Cf)钢筋开始锈蚀时间的预测（一般大气环境问题的提出：传统钢筋锈蚀理论与工程实践传统钢筋锈蚀理论：钢筋开始锈蚀的时间为保护试验研究和工 ：在用酚酞试剂测定的碳化深 钢筋开始锈蚀时间的预测（一般大气环境问题的解 （1）部分碳化区的存酚酞试酚酞试 酚酞试 谱线谱线强 完全碳

部分碳化

未碳化 距混凝土表面深度Ca(OH)2与CaCO3含量变化（讲到了（讲到了钢筋开始锈蚀时间的预测（一般大气环境 1PH=9，钢筋表面的钝化膜开始生成2PH=11.5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（自阅钢筋开始锈蚀时间的预测（一般大气环境模型的钢筋开始锈蚀时间的预测（一般大气环境参数分钢筋开始锈蚀时间的预测（一般大气环境参数分（自阅钢筋开始锈蚀时间的预测（一般大气环境参数分部分碳化累积效应越明显钢筋开始锈蚀时间的预测（一般大气环境参数分钢筋开始锈蚀时间的预测（一般大气环境参数分（自阅胀裂前钢筋锈蚀速率的预测（一般大气环境基本假（自阅胀裂前钢筋锈蚀速率的预测（一般大气环境基本假Fe2++2OH-→Fe(OH)2（白锈4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3（褐锈,4.2；吸水变黄锈2Fe(OH)3→Fe2O3+3H2O（红锈6Fe(OH)2+O2→2Fe3O4+6H2O（黑锈（自阅胀裂前钢筋锈蚀速率的预测（一般大气环境模型的法拉第定腐蚀电流密度阴极反应消耗的氧气量钢筋截面锈蚀钢筋截面锈蚀胀裂前钢筋锈蚀速率的预测（一般大气环境模型的单位长度腐蚀电（自阅胀裂后钢筋锈蚀速率的预测（一般大气环境PRH——环境湿度修正系钢筋锈胀损伤过程及其破坏形Cl-CO2O2 混凝

Vair

（自阅钢筋锈胀损伤过程及其破坏形胀裂时的钢筋锈锈损胀裂混凝土变钢筋周边孔隙体

胀裂等代径向孔隙区等效厚钢筋锈胀损伤过程及其破坏形胀裂时的钢筋锈试验统计模拟试验

人工加速锈蚀试 均匀锈蚀模坑蚀模力学分析

弹性分析有限元方

施加荷施加位温度膨胀5.5钢材（注意不是混凝土中）锈蚀钢材锈蚀的分按作用机理电化学腐蚀：是指钢材表面具有不极电位的金属杂质，在按腐蚀形态5.5钢材锈蚀机理与预腐蚀电化学阳极阳极阴极析氢腐蚀：2H++2e-→H2(在含氧低的非氧化性酸中的碳钢吸氧腐蚀：O2HO4- （碳钢在大多情况下5.5钢材锈蚀机理与预钢材的腐蚀全面

腐 腐 疲5.5钢材锈蚀机理与预点蚀（孔蚀/坑蚀）及形貌特5.5钢材锈蚀机理与预点蚀系数（点蚀因子点蚀系数

最大腐蚀深度整体平均腐蚀深度点蚀发生条

5.5钢材锈蚀机理与预测（自阅点蚀机 点 点蚀孔

在蚀孔外Fe(OH)++OH-→FeOOH+H 5.5钢材锈蚀机理与预点蚀的5.5钢材锈蚀机理与预缝隙腐5.5钢材锈蚀机理与预有缝隙且宽度足够侵有缝隙且宽度足够侵液进入