多因素耦合作用下混凝土中氯离子传输的研究进展.pdf
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1、孙继成等: 多因素耦合作用下混凝土中氯离子传输的研究进展 5 多因素耦合作用下混凝土中氯离子 传输的研究进展 孙继成 , 姚燕 , 王玲 , 吴浩 ( 中国建筑材料科学研 究总院 绿色建筑材料国家重点实验室 。 北京1 0 0 0 2 4) 【 摘要】 实际工程中, 氯离子引起的钢筋锈蚀是多种破坏因素共同作用的结果 , 其它因素为氯离子的传输 和侵蚀创造了有利条件, 从而加速钢筋混凝土结构的劣化和失效。本文概述了应力、 冻融循环、 干湿循环及碳化 等多因素耦合作用下氯离子在混凝土中传输行为的研究进展 , 并对进一步的研究进行了展望。 【 关键词】 多因素耦合 ; 氯离子; 传输机制; 混凝土
2、【 中图分类号】 T U 5 2 8 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 1 ) 0 4 0 0 0 5 0 3 钢筋混凝土中的钢筋锈蚀问题已在高速铁路、 跨江海 大型桥梁、 隧道 以及海港码头等基础设施建设中逐渐引起 钢筋混凝土工程界专家和政府部门的高度重视。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
3、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 双因素作用下氯离子传输的研究进展 1 1 应力对氯离子传输的影响 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。 S a i t o 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 9 0 抗压强度应力的混凝土氯离 子渗透性几乎和按 9 0 加载
4、后卸载的试件相同, 但 6 o 抗 压强度的循坏荷载却使氯离子渗透量快速增长。L i m 等 研究了单轴压缩荷载与氯离子渗透性之间的关系, 采用 A S T M C 1 2 0 2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。S c h n e i d e r _ 4 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 基金项目】 国家重点基础研究发展计划资助项 目( 2 0 0 9 C B 6 2 3 1 0 6 ) 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
5、 3 0 ( 弯曲荷载) 即有显著的加速作用, 超过 5 0 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。 陈好等 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
6、水平对混凝土中 c l 一 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。 0 0 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 1 0 渗透深度, m 5 1 0 “ 1 5 2 0 一 2 5 图1 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 1 1 宋玉普 混凝土结构的疲劳性能及设计原理 M j E 京: 机械 工业 出版社 。 2 0 0 6 1 2 肖建庄, 等 高性能混凝土简支梁正截面的抗弯疲劳性能 J
7、 建筑科学与工程学报, 2 0 0 8 , 2 5 ( 1 ) : 9 6 1 0 1 收稿日期】 2 0 1 0一 l 2 1 4 作者简介】 仲伟秋( 1 9 7 4一 ) , 男, 长春人, 讲师, 博士。 研究方 向: 钢筋混凝土结构耐久性和水下不分散混凝土 性能。 6 低温建筑技术 2 0 1 1 年第 4 期( 总第 1 5 4 期) 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: D = D + Al or + A 2 o r ( 1 ) 式中, D 为应力状态下氯离子扩散系数, 1 0 一m m2 s ; D 。 为无应力状态下氯离子的有效扩
8、散系数 , 1 0 m m s ; 为名义应力值 , MP a ; A , , A 为经验系数。对压应力状态下受 压试件上表面分别为 0 0 8 4 4 6和 一 0 0 1 1 , 受压试件下表面 分别 为 0 0 9 2 9 5和 一0 0 1 8 9 6 , 拉应力 状态 下分 别为 一 0 0 1 2 5和 0 2 0 8 2 。 1 2 干湿循环对氯离子传输的影响 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
9、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 F i c k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 F i c k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
10、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 30 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
11、对混凝土结构造成严重的侵蚀。 1 3 冻融循环对氯离子传输的影响 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。 G 6 r a r d等 的试验结果表明, W C为0 4 5的非引气混 凝土经 3 l 、 6 l 、 9 5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
12、度影响明显 , 温度越低 , 氯离 子扩散速率越慢。H o n g等 副甚至认为混凝土中的氯离子 扩散作用在 一 1 8 C 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 碳化对氯离子传输的影响 碳化与氯离子侵蚀是钢筋混凝土中引
13、起钢筋锈蚀的两 种主要原因。正常环境下, 当 C O 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_ l 副研究了 c 0 : 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 2 8 d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。 T u m i d a j s k i 等 研究表明, 硫酸盐 一
14、 氯盐复合溶液中充 入 C O 气体, C O :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。G o n i 等 通过掺加3 氯离子的静浆碳化实验表明, 碳化促进 了 F r i e d e l 盐分解, 但静浆中的自由氯离子并没有大量增加。 柳俊哲 、 P a p a d a k i s 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 F r i e d e l 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,
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