浅谈氯离子对钢筋锈蚀的影响

浅谈氯离子对钢筋锈蚀的影响

钢筋混凝土中的钢筋腐蚀问题已在高速铁路、横跨海洋的大桥梁、隧道、港口和其他基础设施建设中引起关注。氯离子侵蚀是引起钢筋锈蚀的主要原因之一,氯离子在混凝土中传输行为成为国内外学者关注的热点。然而,混凝土的破坏常常是各种物理、化学和力学因素综合作用的结果,各种因素促进和加速混凝土的劣化和失效过程。海洋浪溅区和除冰盐使用地区的混凝土除承受氯盐侵蚀外,还可能受到荷载作用、干湿循环及冻融循环等多因素的破坏作用,使混凝土构件的安全性和耐久性下降。本文主要分析评价了应力、干湿循环、冻融循环及碳化等多因素耦合作用下氯离子在混凝土中传输的研究现状。1氯离子通过双因素的影响研究1.1应力对混凝土的影响随着人们对混凝土服役条件的认识加深,应力、氯离子侵蚀作用下混凝土耐久性研究已引起人们的重视,国内外学者就不同应力、应力水平作用下的氯离子传输机制做了大量研究工作。Saito等研究发现轴向压力导致的微裂纹对混凝土氯离子的渗透影响很小,受90%抗压强度应力的混凝土氯离子渗透性几乎和按90%加载后卸载的试件相同,但60%抗压强度的循坏荷载却使氯离子渗透量快速增长。Lim等研究了单轴压缩荷载与氯离子渗透性之间的关系,采用ASTMC1202方法评价,结果表明,卸载后混凝土试件的电通量受临界应力影响,当荷载超过临界应力时,电通量显著增加,氯离子渗透性增大。Schneider等通过对高性能混凝土应力腐蚀的研究认为,即使是高性能混凝土,荷载同样会加速其化学腐蚀速度,荷载水平越高,加速作用越强。荷载水平超30%(弯曲荷载)即有显著的加速作用,超过50%时荷载引起的损伤超过化学介质的作用。邢峰研究认为荷载引起的氯离子渗透深度增长幅度与荷载水平之间的关系可以用三次多项式来模拟。混凝土中氯离子侵蚀速度在外界环境条件下主要取决于氯离子有效扩散系数。而事实上,施加应力对混凝土内部的微细裂缝起到了抑制或扩展的作用。拉应力在混凝土中产生的微裂缝使氯离子的扩散系数增大,从而加快了氯离子的腐蚀过程,减小混凝土结构的使用寿命。相反,压应力的作用会使混凝土更加密实,从而降低了氯离子的扩散速度。陈妤等针对不同应力水平及服役年限的混凝土构件进行氯盐渗透试验,发现应力水平对混凝土中Cl-扩散分布的影响比较明显。在相同服役年限下,应力水平为0.5的混凝土构件中其氯离子扩散速度要比应力水平为0.3的快得多。图1为不同应力水平和服役年限的氯离子浓度分布。袁承斌等试验研究表明,应力状态下的氯离子扩散系数与无应力状态下的氯离子扩散系数及所加名义应力值存在相关关系,经验公式如下:Dσc=De+A1σc+A2σ2c2c(1)式中,Dσc为应力状态下氯离子扩散系数,10-6mm2/s;De为无应力状态下氯离子的有效扩散系数,10-6mm2/s;σc为名义应力值,MPa;A1,A2为经验系数。对压应力状态下受压试件上表面分别为0.08446和-0.011,受压试件下表面分别为0.09295和-0.01896,拉应力状态下分别为-0.0125和0.2082。1.2干法交替下表层混凝土内氯离子传输混凝土表层的干湿交替导致氯离子在混凝土中传输机理十分复杂,暴露条件不同,氯离子侵入机理也不同。姬永生等研究发现,干湿循环作用下混凝土表层的氯离子含量远大于氯盐溶液浸泡混凝土表层的氯离子含量,这是由混凝土毛细管孔隙的吸收作用引起的,且随着侵蚀龄期的延长而不断增大。在干湿循环状态下,氯离子在混凝土中的传输速度取决于侵蚀介质的氯盐浓度、干湿循环次数以及湿润过程结束时与风干过程结束时的含水率差。陈伟通过对干湿循环过程的分析,提出了计算毛细管吸入作用影响深度和受影响区边界点氯离子浓度的方法,在此基础上,对Fick扩散模型的边界条件进行了修正,并利用有限差分法对模型数值求解。实验证明,该模型较Fick模型更为合理。张奕等通过实际工程检测结合基于机理分析数值模拟研究干湿交替区域混凝土中氯离子分布随高程的变化规律,结果表明,随高程增加,氯离子侵蚀程度呈先加剧后缓解的趋势,在某一高程处氯离子侵蚀达到极值,该区域应该作为混凝土结构耐久性设计和维护的关键部位。李春秋等在干湿交替下表层混凝土内水分的不同传输机理的基础上,建立了干湿交替下表层混凝土内氯离子传输模型。研究表明:干湿交替下混凝土内氯离子入侵比永久浸没于氯盐溶液中的混凝土要严重得多。同时,由于混凝土对氯离子的强吸附性,干湿交替下混凝土中氯离子传输的影响深度小于水分传输。金伟良等研究海水干湿交替区氯离子对混凝土结构的侵入规律,结果表明,海水年浸润时间比例在0.3～0.5之间时,平均表面氯离子含量和平均氯离子扩散系数都较大,将可能对混凝土结构造成严重的侵蚀。1.3冻融损伤作用冻融循环作用既会使混凝土结构表面剥蚀,同时也会在混凝土内部产生微裂纹损伤。从而影响氯离子在混凝土中的传输机制。Gérard等的试验结果表明,W/C为0.45的非引气混凝土经31、61、95次冻融循环后,混凝土的相对氯离子扩散系数分别增大了约1.5、3.5、7.5倍。这表明冻融损伤作用会加速混凝土的氯离子扩散速度。余红发通过盐冻和常温下盐溶液浸泡的对比试验研究了冻融作用对混凝土氯离子扩散性能的影响,认为冻融能够抑止氯离子的扩散,因为混凝土的氯离子扩散速度受温度影响明显,温度越低,氯离子扩散速率越慢。Hong等甚至认为混凝土中的氯离子扩散作用在-18℃会停止,相比于冻融损伤的加速作用,低温对混凝土氯离子扩散的抑制作用占主导地位。王锋研究认为冻融循环使混凝土孔隙率增大,它是混凝土损伤的动力源,为氯离子侵蚀创造更为有利的条件。冻融次数越多,氯离子侵蚀越严重。李毅等引入冻融损伤因子的概念,利用损伤因子对氯离子扩散系数加以修正,得到一种同时考虑混凝土质量损失和内部损伤对氯离子传输影响的冻融循环后混凝土中氯离子浓度分布的预测方法。1.4粉煤灰混凝土抗氯离子渗透性能碳化与氯离子侵蚀是钢筋混凝土中引起钢筋锈蚀的两种主要原因。正常环境下,当CO2和氯离子到达钢筋表面后,钢筋表面的钝化膜开始破坏,钢筋开始锈蚀。目前,关于碳化和氯离子侵蚀双重作用对混凝土性能影响方面的研究也已引起人们的注意。白轲等研究了CO2对粉煤灰混凝土氯离子渗透性能的影响。结果表明,碳化作用提高了粉煤灰混凝土28d抗压强度,在标准养护条件下,粉煤灰对混凝土抗氯离子渗透性有改善作用,而碳化作用使混凝土抗氯离子渗透性能明显降低,且此时粉煤灰的掺入更加增强了对混凝土抗氯离子渗透性能的不利影响。Tumidajski等研究表明,硫酸盐-氯盐复合溶液中充入CO2气体,CO2延缓了氯离子在普通混凝土中的渗透速度,但却加速了氯离子在矿渣混凝土中的渗透速度。Goni等通过掺加3%氯离子的静浆碳化实验表明,碳化促进了Friedel盐分解,但静浆中的自由氯离子并没有大量增加。柳俊哲、Papadakis等通过掺入一定量氯盐的砂浆(或混凝土)碳化实验表明,碳化促进了Friedel盐分解,加速了氯离子在混凝土中的渗透。金祖权等研究表明,混凝土碳化后浸泡到腐蚀溶液中,增加了混凝土中的氯离子含量,提高了混凝土表观氯离子扩散系数,降低了混凝土对氯离子的结合能力。降低了混凝土中Friedel生成量,以及混凝土对氯离子的化学结合能力。2混凝土的破坏机理在混凝土实际服役条件下,除应力因素外,影响混凝土耐久性的因素还包括干湿循环、冻融循环等其它因素,而这方面的研究相对较少,对氯离子进入混凝土内部的机制还没有取得完全令人信服的结论。慕儒对冻融循环与外部弯曲应力、盐溶液复合作用下混凝土进行了耐久性的研究,结果表明外部弯曲应力加速了混凝土在冻融循环过程中的相对动弹性模量损伤速度,应力比越高,损伤速度越快。10%、25%和50%的外部弯曲应力作用下,NPC混凝土的抗冻融循环次数为冻融循环单一因素作用时的30%、8%和4%左右。50%外部弯曲应力与冻融循环同时作用下,各水灰比混凝土几乎都处于不稳定的状态,经过很少次数的冻融循环就发生断裂破坏。同时他还发现应力与冻融同时作用下混凝土的破坏形态与冻融循环单独作用时有很大区别,尤其应力比较高时,大部分混凝土试件都从中部断裂,表现为突然的脆性破坏。多因素耦合加速了混凝土的失效过程,且动弹性模量下降和重量损失都有可能达到破坏标准,引起破坏。余红发等基于除冰盐冻融、火灾作用、硫酸盐腐蚀、海浪冲刷或盐湖风沙磨蚀等其它耐久性因素对混凝土的叠加破坏作用使结构表面发生的剥落现象,推导出了考虑多种耐久性因素作用下的混凝土表面剥落氯离子扩散理论模型。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为自由氯离子浓度;c0为混凝土内初始氯离子浓度;cs为混凝土暴露表面的氯离子浓度,等于暴露环境介质的氯离子浓度;D为氯离子扩散系数;m为经验常数;T为温度;a,b,c′和d是由实验确定的材料特性参数。上述模型公式可以看出,在冻融循环和氯离子扩散渗透共同作用下,氯离子对混凝土的扩散渗透作用除了取决于扩散深度、混凝土特性和暴露条件以外,还与冻融介质和冻融循环次数有关。以上研究根据混凝土材料所处的环境进行了一些多因素的模拟试验及理论探讨,在研究方法和试验手段上都有了很多创新,与混凝土材料在实际情况下所处的环境有了一些相似,目前多因素耦合条件下混凝土耐久性研究日益受到人们的重视。3氯离子渗透的表征(1)除了少数研究