迁移型阻锈剂对碳化混凝土耐久性的维护作用.pdf

第 2 8卷 第 3期 2 O 1 1年 9月 建 筑科 学与工程 学报 J o u r n a l o f Ar c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g Vo 1 28 Se p t NO 3 2 01 1 文章编号 ： 1 6 7 3 2 0 4 9 ( 2 0 1 1 ) 0 3 0 0 0 1 0 8 迁移型 阻锈剂对碳化 混凝土耐久性 的维护作用 屈 文俊 ， 王 哲。 ， 温华 杰。 ( 1 同济 大学 建筑工程 系， 上海2 0 0 0 9 2 ； 2 中国建筑股份有限公司 ， 北京l 0 0 1 2 5 3 华 盛顿州立大学 土木 与环 境工程系 ， 华盛顿 普尔 曼 WA 9 9 1 6 4 ) 摘要： 基 于迁移型阻锈 剂的 已有研究成果 ， 包括其基本原理、 物理性 能、 渗透机理 、 渗透性能、 阻锈机 理 、 阻锈 性 能及 其对 混凝 土特 性 的影响 等 ， 设 计 完成 了碳 化 混凝土 中迁移型 阻锈 剂对 钢筋 的保 护性 能试 验 ； 通过 对试 验 结果 的研 究 ， 讨论 了混凝 土碳 化 条 件 下 以及 碳 化 且 氯 离子 侵 蚀 同时发 生条 件 下 ， 迁移 型 阻锈 剂对 混凝 土构件 耐 久性 的 维护作 用及 对 混 凝 土碳 化速 率和 混 凝 土孔 隙溶 液液 相 碱 度 的影 响 ； 分 析 了混凝 土碳 化 条件 下迁 移型 阻锈 剂 维护钢 筋钝 化状 态的作 用机理 ， 并 总结 了不 同施 用 方法对 迁移型 阻锈 剂作 用效 果 的影 响 。试 验 结果 表 明 ： 迁移 型 阻锈 剂通 过在 钢 筋表 面 形成 保 护 层保 护钢 筋 ， 其作 用效 果 与碳化 层 深度 、 氯 离子含 量及 施 用 方 法有 关 ； 碳 化 层 尚 浅 时施 用 迁移 型 阻 锈 剂 ， 可 以成 功保 护钢 筋 不受腐 蚀 ； 迁移 型 阻锈 剂与混 凝 土的碳 化速 度 并无 直接 关 系。 关键 词 ： 碳 化 混凝 土 ； 耐久性 维护 ； 钢 筋极 化 电 阻 ； 迁移 型 阻锈 剂 ； 腐蚀 率 中 图分类 号 ： TU5 2 8 文 献标 志码 ： A ( 1 Du r a b i l i t y M a i nt e na nc e Ef f e c t o f M i g r a t i n g Co r r o s i o n I nh i b i t o r o n Ca r b o ni z e d Co n c r e t e Qu We n j L l n ，WANG Z h e ，WEN Hu a j i e 。 De p a r t me n t o f Bu i l d i n g E n g i n e e r i n g，To n g j i Un i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2，Ch i n a ；2 Ch i n a S t a t e Co n s t r u c t i o n En g r g I t d，Be i j i n g 1 0 0 1 2 5，Ch i n a ；3 De p a r t me n t o f C i v i l& En v i r o n me n t a l En gi ne e r i n g，W a s hi ng t on St a t e Uni ve r s i t y，Pul l ma n W A9 91 64，W a s hi n gt on，USA) Ab s t r a c t ：Ba s e d o n t h e k no wn p r o pe r t i e s of s ur f a c e a p pl i e d m i g r a t i n g c or r o s i o n i n hi b i t o r( M CI )， i n c l ud i ng b a s i c c on c e pt ， ph ys i c a 1 pe r f or ma nc e， pe ne t r a t i o n m e c h a ni s m a n d e f f e c t i ve ne s s， pr o t e c t i on me c h a ni s m a nd e f f e c t i v e n e s s， a n d t h e i n f l ue nc e o n c o nc r e t e ma t e r i a l ， t he t e s t o f p r ot e c t i on e f f e c t i v e ne s s o f M CI on s t e e l i n c a r bo ni z e d c o nc r e t e wa s de s i g ne d a nd pe r f or me d Ba s e d o n t he t e s t d a t a，du r a bi l i t y ma i n t e na nc e e f f e c t s o f M CI i n t he s i t u a t i o n of c a r b on i z a t i o n a nd c a r bo ni z a t i on a s we l l a s c hl or i d e i n t r us i o n we r e d i s c us s e d， i n f l ue nc e s o f M CI o n c a o ni z a t i on s p e e d a n d a l k a l i n i t y o f c o n c r e t e p o r e s o l u t i o n we r e a l s o d i s c u s s e d，p r o t e c t i o n me c h a n i s m o f M CI o n s t e e l i n t he s i t u a t i on o f c a r b o ni z a t i on wa s a na l y z e d，a n d e f f e c t i v e n e s s c o mpa r i s on s o f d i f f e r e nt a pp l i c a t i on m e t ho ds of M C1 we r e ma de Th e t e s t r e s u l t s s h ow t h a t M CI e f f e c t s b y f o r mi ng pr o t e c t i o n l a ye r a r o und s t e e l ，t he e f f e c t i ve n e s s c o nc e r ns d e pt h o f c a r b on i z a t i o n。c hl o r i de c on t e n t a nd a ppl i c a t i on m e t ho dM CI a pp l i e d a t e a r l y s t a g e o f c a r b o ni z a t i on c a n e f f e c t i v e l y pr o t e c t s t e e l i n l on g t e r m M CI ha s n o t hi n g t o do wi t h c a r b o ni z a t i on r a t e o f c o nc r e t e Ke y wo r d s：c a r b on i z e d c o nc r e t e；du r a bi l i t y ma i n t e n a nc e；po l a r i z a t i on r e s i s t a n c e of s t e e l ；m i g r a 一 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 7 O 3 基金项 目： “ 十一五” 国家科技支撑计划项 目( 2 0 0 6 B A J 0 3 A0 7 0 4 ) ； 国家 自然科 学基金项 目( 5 0 l 7 8 0 5 0 ) 作者简介 ： 屈文俊( I 9 5 8 一 ) ， 男， 河南 辉县人 ， 教授 ， 博 士研究 生导师， 工学博士 ， E ma i l ： q u we n j u n o n l i n e s h e n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 建筑科 学与工程 学报 2 0 1 】年 0 引 言 由于混 凝 土碳化 和氯 离子 侵蚀 导致 钢筋 混凝 土 结 构 中钢筋 脱钝 ， 使得 钢 筋 暴 露 在 腐蚀 条件 下 。钢 筋 一旦 开始 腐蚀 ， 其有 效截 面积 受损 ， 而体 积 会随着 腐 蚀程 度提 高 而膨胀 ， 导致 了混 凝 土保护 层 的开裂 ， 因而影 响 了混凝 土 结 构 的使 用 性 能 ， 重 则 危 害结 构 的安全 。 目前 ， 在 世界 范 围 内 ， 由钢 筋锈蚀 导致 的混 凝 土结 构耐久 性 破坏 已经成 为 困扰 既有混 凝 土结构 维 护 的重要 问题 。 在 已经 提 出的众 多既有 混凝 土结 构耐 久性 维护 措施 当中 ， 外 涂 迁 移 型 阻锈 剂 ( MC I ) 方 法 因其 经 济 性 、 实用 性 以及 易操作 性受 到业 界 的重视 ， 并 已在工 程 中得 到广 泛应 用 ， 如 美 国 五 角大 楼 外 墙 修 复工 程 中 ， 就 曾根据 其墙 体 钢筋 锈 蚀 情 况 ， 对 9 3 1 0 m 外墙 施用 MC l _ 2 0 2 0 v ( ) 型迁移 型 阻锈剂 。 迁 移 型 阻锈 剂 即 表 面适 用 型 的混 凝 土 阻锈 剂 ， 可施 于 混凝 土表 面 ， 以气 相 和液 相 向混 凝 土 的孔 隙 内扩 散 ， 并 到 达 钢 筋 周 围 ， 在 钢 筋 表 面 形 成 单 分 子 层 ， 同 时保护 钢 筋 阳极 区和 阴极 区 。一 般 提 到 的迁 移 型阻锈 剂是 指 表 面应 用 的链 烷醇 胺 ( AMA) 基 的 有机 阻锈 剂 。 基 于 多年 的研 究工 作 和 在 美 国 、 欧洲 等 地 的工 程应 用 实践 ， 迁移 型 阻 锈 剂 在氯 离 子 侵 蚀 条 件下 通 过在 混凝 土层 向内渗透 并 有效地 保 护钢筋 的能力 已 经得 到 欧洲标 准 化委员 会 以及美 国公 路发 展 战略研 究项 目的肯定 ， 并 在 美 国、 日本 、 意 大 利 和 中东 等地 区进 行 的试验 和 工程应 用研 究 中通 过 了测 试 。但是 对 于在 混凝 土碳 化情 况下 或混凝 土碳 化且 氯 离子侵 蚀 同时 发生情 况 下 ， 迁 移 型 阻锈 剂 对 钢 筋 的保 护作 用所 进 行 的研 究 屈 指 可数 且 并 无 定 论 ， 制 造 商 提供 的说 明也没有 明确 阐述 其 在此种 情 况下 的作 用 。 l 迁移 型阻锈 剂的性能与机理 1 1 物理 性能 以本 文试 验 采 用 的 MC I - 2 0 2 0型 迁 移 型 阻 锈 剂 为例 ， 根据 制造 商提 供 的说 明 ， 该 迁 移型 阻 锈剂 相 对 密度在 1 O 3 1 O 之问 ， p H 值在 9 0 9 5之 问( 纯 阻锈剂 液体 ) ， 是一种 透明琥珀 色的略粘稠 的液体 。 1 2渗 透机 理 根据制造商提供的说 明， MC I 可通过如下途径 向混 凝土 内进 行渗 透 ： ( 1 ) 在混 凝 土 表 面使 用 MC I时 ， 活 性 介 质 能 够 通过毛细孑 L 作用向内渗透 。 ( 2 ) MC I 既可 以被 可 渗透 的蒸 汽携 带 渗 入 混 凝 土 ， 同 时又可 以借 助 其 质 量梯 度 分 布 带 来 的压 力差 进入 混凝 土 。 ( 3 ) MC I 也 可 以呈 气 相 向 内渗 入 ， 进 而 达 到 高 度 的渗透 性 。 当混 凝 土处 于干燥 状 态 时 ， MC I 通 过 毛细 孔 渗 透作 用 渗 透更 快 。在 碳 化 和 氯 离 子 污 染 的 混 凝 土 中 ， MC I 主要通 过扩 散 的形 式 而 不 是 毛细 孔 作 用 向 内渗 透 。 MC I 渗透 性 能 受到 混凝 土孔 隙率 的影 响 ， 孔 隙 率越 小 ， MC I 的 渗 入 越 困难 ， 因 此 它 的阻 锈 效 果 较 差 。湿度 对 MC I 渗透 性能 也有 一定 影 响 ， 干燥 条件 下 ， MC I 有 更 好 的渗 透 性 ， 但 相 对 湿 度 为 5 0 9 5 时 MC I 渗 入 的 速 度 无 明 显 变 化 。此 外 ， MC I 渗透 速 度 与 渗 透 方 向 无 关 ， 这 表 明 重 力 作 用 对 MC I 的迁 移特性 并 无 明显 影 响 。 1 3 渗 透性 能 MC I 的渗 透 性 能受 到使 用 时 间 、 使 用环 境 及混 凝土孔隙度 等因素影 响。对于不 同条件混凝土试 件 ， 其测试 结 果可 能不 同 。 俄 罗 斯 腐 蚀 与 保 护研 究 所 采 用 同位 素 示 踪 技 术 ， 用放 射 性 氚 离 子 取 代 MC 1 分 子 结 构 中 的氢 离 子 ， 检测 MC I 在 混 凝 土 中 的 扩 散 性 能 ， 结 果 表 明 ： MC I 在 混凝 土表 面 浸 渍 2 4 d扩散 深 度 超 过 3 c m； 作 为外加 剂掺 入 表 面修 补 砂 浆 2 4 d时 有 3 0 扩散 进入 老混 凝 土 中 4 c m 。此 外 ， 根 据 含 氮 量 测 试 ， 保护 层厚 度 2 5 mm 时 ，MC I 可 于 3 0 d内覆 盖 钢 筋 表 面 ； 保 护层 厚度 5 0 mm 时 ， MC I 可 于 l 2 0 d内 覆 盖钢 筋 表面 。 x射线 光 电子 能谱 仪 测 试 显示 ， MC I 在 2 d内 可以渗透到混凝土内部 ， 并达到稳定 ， 随后其浓度不 再 随时 间继续 增加 ， 也 不会 由于 挥发 等原 因 而下 降 ， 因此能够提供对钢筋长期有效的保护 。 对于海洋7 昆 凝土结构 ， MC I 渗入深度达 5 0 mm 时需 要几 乎 1年 时间一 。不 过在 一些 直接 暴露 在 海 水 中被海 盐严 重 污染 的混 凝 土结 构 中 ， XP S测 试 表 明 ， MC I 迁 移进 入 2 5 mm 深 度 ( 水 灰 比 0 6 5 ) 大 约 需要 4 5 0 d 。 1 4阻锈机 理 MC I 通过 扩 散 达到 钢 筋 表面 后 ， 含 氮 的非 极性 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 屈 文俊 ， 等 ： 迁移 型 阻锈 剂对碳 化 混凝 土 耐久性 的 维护作 用 3 基 团通 过物 理或 化学 吸 附排 除水 分 子 和氯 离 子 ，紧 贴于钢筋表面， 形成单分子保护膜 ， 其极性基团在表 面定 向排 布形 成 疏水 层 。这 层保 护层 的厚 度 和组 成成 分 取决 于 阻锈 剂 的 浓 度 ， 该 保 护 层 能 够 阻碍 金 属离子 、 腐蚀介质 、 水分子和氧向金属表 面渗透 ，从 而起 到 阻锈作 用 ， 如 图 1所示 。 ( a ) 成膜 组 分在 混 凝 土表 面 吸 附 极 性基 团 氢 连 接 键 筋 ( b) M CI 单 分 层 隔 绝 氯 离 子 图 1 MC I 单分子层对钢筋的保护机理 Fi g 1 Pr o t e c t i o n M e c h an i s m o f Si ng l e - mo l e c u l e La y e r o f M CI o n S t e e l 也有 观 点 认 为有 机 阻 锈 剂 是一 种 螯 合 剂 ， 能 够 吸附 在钢 筋表 面 ， 与亚铁 离 子形 成螯 合环 ( 由 2个或 2个 以上 非 金属 离子 或官 能 团 构成 配 位键 紧扣 在 中 央金 属离 子上 形成 的杂 环化 学 复合 物 ) ， 取 代 原本 吸 附在钢 筋表 面 的 ( ) H、 氯 离 子 以及 其 他 阴 离子 ， 这 层 螯 合物 完全 覆 盖 了钢 筋 表 面 的 阳极 区 和 阴极 区 ， 终 止 了腐蚀 反应 的进 行 。 总之 ， 无论单分子薄膜保护层或是螯合物层 ， 其 作 用在 于它 能 够完 全覆 盖 电化学 反应 的 阳极 和 阴极 反 应 区 ， 阻 止 钢 筋 腐 蚀 电 化 学 反 应 的 发 生 ， 因 此 MC I 被 归类 为复 合 型阻锈 剂 。 1 5阻锈 性能 1 5 1 氯 污 染混凝 土 在氯 离 子 侵蚀 条 件下 ， MC I 能 数倍 地 延缓 钢 筋 在混 凝 土 中腐 蚀 开 始 的 时 间 ， 并 能有 效 降低 腐 蚀 速 率 ， 从 而保 护 未 锈 蚀 钢 筋 。对 于 已经 被 氯 离 子 侵 蚀的钢筋 ， MC I 也有能力降低钢筋 的腐蚀率。由于 具 有 强还 原性 ， MC I 能 够从 氧化 铁 表 面 置换 出部 分 离 子 ， 特别 是 氯离子 ， 并 恢 复钢筋 钝化 膜 。 MC I 应用 于 混凝 土 表 面 时 ， 混凝 土 中 氯盐 浓 度 对 于 MC I 阻 锈 效果 有 巨大 影 响 。初 始 氯 盐 侵 入 量 ( 与 水泥 质 量 比) 小 于 0 2 时 ， 即使 混 凝 土 暴 露 在 不利 的环 境下 ， MC I 也 有 明显 阻锈 效 果 。但 是 当初 始氯盐侵入量大于 0 4 3 时 ， MC I 阻锈效果可以忽 略 不计 。 1 5 2碳 化 混 凝 土 最 初开 发 的 MC I 针 对 的 是 氯 污 染 条 件 下 混 凝 土中钢筋的腐蚀 防护 ， 因此 ， 在碳化条件下对 MC I 阻锈 性 能 的试验研 究 开展 的较 少 。已有 研究 对碳 化 混凝 土 中 MC I 的阻 锈效 果给 予 了一定 肯定 ， 但 言 之 不详 。 碳 化钢筋 混 凝 土 中 1 O 质 量 浓 度 的有 机 阻 锈 剂 能够 使 钢 筋腐 蚀 率 维 持 在低 水 平 上 ， 但 有 研 究 认 为此效 果 是 由于 阻锈 剂 引入 了碱 性 离 子 ， 导 致 钢 筋 附近环 境 p H 值 的上 升 。 1 6 对 混 凝土 性 能的影 响 合 格 的阻锈 剂不 应该 导致 混凝 土性 能 的过 多衰 退 ， 也不 应该 加速 其衰 退 。使用 阻锈 剂后 ， 混 凝土 的 抗 弯 、 抗 压强 度 不 应 该 低 于原 混 凝 土 的 9 0 ， 在 寒 冷地 区混 凝 土 的冻融抵 抗 力也 应该 维持 在一 个正 常 的水 平上 。 阻锈 剂 对 于 混凝 土 性 能 的 影 响 ， 主要 集 中在 阻 锈剂 直接 拌合 在 混 凝 土 中的情 况 。对 于 既有 结 构 ， 当维 护作用 的阻锈 剂 施 用 于 混 凝 土 表 面 时 ， 由 于混 凝 土各 项性 能 已经 稳定 ， 因此 表 面施 用 的 MC I 对于 混 凝 土性 能并无 太 大影 响 “ 。 2 碳化混凝土 的 MC I 维护试验 在氯离子侵蚀条件下 ， MC I的作用 已经得到了 肯 定 。对不 同混 凝 土 碳 化 深 度 、 不 同氯离 子 含量 条 件下的 8组试件施用 MC I ， 并通过与未施用 MC I 试 件 的对 比试 验 ， 研究 在 混 凝 土 碳 化 或 者混 凝 土 碳 化 与 氯离 子侵 蚀 同时发 生 条 件 下 ， MC I 对 于 混凝 土 试 件钢 筋 的保 护作 用 。 2 1 试 件 试 验采用 以下几何 构 造尺 寸试 件 ： 圆柱 形 ， 半 径 R一5 0 mm， 高 H = = = 1 5 0 I T l m， 沿 混凝 土 圆 柱 体 的轴 心布 置直 径 为 8 mm 的热 轧 I型光 面钢 筋 。钢 筋一 端露 出试 件长 为 1 5 mm， 以便 焊接 导 电铜 丝 。试件 的几 何尺 寸如 图 2所示 。浇 筑混 凝 土试件 采用 普通 硅 酸 盐 水 泥 ； 河 砂 ， 经 清 洗 除 泥 ， 1 0 5 C下 烘 干 至恒 重 ； 粒 径 为 小 于 l 5 mm 的 碎 石 。采 用 强 度 等 级 为 C 2 0的普通混凝土， 水泥 、 水 、 砂 、 石 的配合比为 1： 0 6 5 ：2 25 ：3 6 8。 根据试 验 需要 ， 为确 定氯 离子 浓度 以及 MC I 施 用 方法 对 于 MC I 阻锈效 果 的影 响 ， 按 照不 同的氯 离 子掺 量和 不 同的 MC I 施 用方 法 ， 分 8组 浇 筑 6 8个 试 件 。掺 合料 在混 凝 土 试 件 搅 拌 时 通过 水 溶 加 入 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 建筑科 学与 工程 学报 2 O 1 1年 1 1 截 面 卜 _ 图 2试 件 几 何 尺 寸 ( 单 位 ： mm) F i g 2 Ge o me t r i c S i z e s o f S p e c i me n( Un i t ： ram) 各组 试件 的 Na C 1 与 MC I 掺 量见 表 1 。根 据制 造商 提供 的说 明 ， MC I 用量 应 为 ： 对 水平 表 面 ， 单 层 涂覆 3 6 8 m I ； 对 垂 直 表 面 及 天 花 板 ， 双 层 涂 覆 7 3 6 r f l I 。MC I 掺 入使用 时 ， 用 量 与根 据 比表 面 积确定 的用量相 同 。 表 l各组试件的 N a C I 和 MC I 的掺量 Ta b 1 De s i gn Co mp o s i t i on s o f Na CI a nd M CI o f S pe c i m e ns 试件编号 S A B C M MA MB MC N a C l 掺量 0 0 0 2 0 5 1 5 0 0 0 2 0 5 1 5 MC I 掺 量 ml O 0 O O 3 5 3 5 3 5 3 5 注 ： Na C1 掺 量 为 Na CI质量 与 水 泥质 量 比 。 所 有 试件 一 次 浇 筑完 成 ， 试 件 拆模 后 在 温 度 为 ( 2 O 3 ) C、 湿 度 为 9 O 以上 的 标 准养 护 室 中养 护 2 8 d 。经过标准养护后 ， 所有试件 放入烘箱 中在 6 0 C 温度下 烘烤 4 8 h至试 件完 全干 燥 。 随后 ， 测定 3块 标 准立 方 体试 块 平 均 抗 压 强 度 为 2 6 7 MP a ， 满 足 C 2 0混 凝 土设 计 要求 。 2 2试验 方 案 根 据试 验 目的 ， 为确 定 不 同碳 化情 况 对 于 MC I 阻锈效 果 的影 响 ， 试 验 过 程 随 混 凝 土试 件 的加 速 碳 化进程 展 开 ， 在 不 同 的碳 化 深 度 情 况下 对 试 件 外 涂 施 用 MC I 或者 进 行 相 应 测量 。试 验 设 置 的 4个 检 测节点 分 别位 于碳 化开 始前 ( 加速 碳化 0 d ) 、 碳化 层 接 近钢 筋表 面 时 ( 加 速 碳 化 1 5 d ) 、 试 件 完 全碳 化 后 项 ： 钢筋 极化 电阻 值检 测 、 混 凝 土保 护层碳 化 深度 检 测 、 钢筋表面混凝土孔隙溶液 p H 值检测 。其 中钢 筋极 化 电阻值 采 用 三 电极 体 系 测 量 、 混 凝 土 碳 化 深 度采用酚酞试剂检测 、 孑 L 隙溶液 p H 值采用固液萃 取法 检测 。钢 筋腐 蚀率 对 比见表 2 ” ： 。 表 2 钢筋腐蚀率对 比 Ta b 2 Co mpa r i s o ns o f Co r r o s i o n Ra t e s f o r S t e e l 极化 电阻值 R， 腐蚀 电流 密度 ， 腐蚀速率 钢筋腐蚀率 ( n c m2 ) ( A c r ll ) ( “ m 年 ) 非常高 0 2 5 2 5 O 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 高 2 5 O 2 5 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 低度或 中度 2 5 0 0 2 5 0 0 0 0 1 1 0 1 ， 1 0 钢筋钝化 2 5 0 0 0 0 1 1 试验 中外 涂施 用 MC I 的 S 、 A、 B、 C 四组试 件 的 阻锈 剂施 用方 案 和检 测方 案见 表 3 。内掺 施 用 MC I 的 M 、 MA、 MB 、 MC四组试 件 的检测 方案 见 表 4 。 表 3 S 、 A 、 B 、 C四组试件加速碳化和检 测方案 Ta b 3 Ca r b o ni z a t i o n Ac c e l e r a t i on s a n d Te s t Pr o g r a m s o f G r o up s S， A ， B 。 C 试件编号 S 4 S 4 1 S 4 2 S 4 3 S 5 S 5 l S 5 2 S j 3 S 6 S 6 l S 6 2 S 7 S 7 1 碳化 O 口 进行 1 5 口 口 时 l旬 3 O 口 口 口 d 4 5 口 口 口 口 试件编号 A4 A4 1 A4 2 A4 3 A5 Aj 1 A5 2 Aj 3 A6 A 6 1 A6 2 A7 A7 l 碳化 O 口 进行 l 5 口 口 时 间 3 0 口 口 口 d 4 5 口 口 口 口 试件编号 B 4 B 4 1 B 4 2 B 4 3 B 5 B 5 l B 5 2 B 5 3 B 6 B 6 l B6 2 B 7 B 7 1 碳 化 O 口 进 行 1 5 口 口 时 间 3 0 口 口 口 d 4 5 口 口 口 口 敞件编号 C 4 C 4 l C 4 2 C 4 3 C5 C 5 l C 5 2 C 5 3 ( 、 6 C 6 1 C6 2 C 7 C7 1 碳化 O 口 进行 1 5 口 口 时间 3 0 口 口 口 d 4 5 口 口 口 口 ( 加速 碳化 3 0 d ) 、 碳 化 层 完 全 包裹 钢 筋 一段 时 间后 注： 表示外涂施用M C I ； 口表示检测极化电阻； 表示检测碳 ( 加速 碳化 4 5 d ) 。对 8组试 件共 设置 3项 主要 检测 化深度及钢筋表面混凝土孔隙溶液p H值。 表 4 M、 MA、 MB、 MC四组试件加速碳化 和检 测方案 Tab 4 Ca r b o ni z a t i o n Ac c e l e r a t i o n s an d Te s t Pr o g r ams of Gr o u ps M ， MA ， M B， M C 试件编号 M M1 M2 M3 MA MA1 MA 2 MA3 MB MBl MB 2 MB 3 MC MC 1 MC 2 MC 3 碳化 O 口 口 口 口 进行 l 5 口 口 口 口 时 间 3 O 口 口 口 口 d 45 口 口 口 口 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 二 竺 兰 竺 ： 兰 ：兰 移 型 阻 锈 剂 对 碳 化 混 凝 土 耐 久 性 的 维 护 作 用 一 ： ： _ ， =I 上 j 作 用 5 试 件 的加 速碳 化 在 混 凝 土 碳 化箱 内完 成 ，碳 化 环境如下 ： 二氧化碳质量分数保持在 ( 2 0 3 ) ； 相 对湿度 控 制 在 ( 7 0 5 ) 的范 围内； 碳 化试 验 在 ( 2 O 5 )C 的温度 下进 行 。 由于本 文试 验 目的在 于模拟 真实 环境 下MC I 施 用于混凝土表面和向内渗透达到钢筋表面时的阻锈 性 能， 因此为 了保证 MC I向钢筋表 面扩散 的单 向 性 ， f司时保证混凝土碳化亦单一沿垂直于圆柱体表 面的方向进行 ， 试验开始前 ， 在试件端侧及外露钢筋 处做密闭的绝缘防水处理 。 2 3极 化 电 阻值 检 测方 法 钢筋锈蚀过程是一个动态 的电化学反应 ，包含 了钢 筋表 面 的 阳极 反应 区和 阴极反应 区的离 子交 换 过 程 。在 阳极 反 应 中 ， 失 去 电子 的铁 原 子 以离 子 的形式 进 入 混 凝 土 孔 隙 溶 液 ，见 图 3 。钢筋 的极 化 电 阻值表 征钢 筋表 面 的金 属离 子离 开钢 筋进 入混 凝土孔隙溶液 的难易程度 ， 其大小与钢筋 的腐蚀率 成反比 。钢筋极化 电阻值与钢筋腐蚀程度 的关系 见表 2 o本文试验采用钢筋极化 电阻值来反映钢筋 的腐蚀程度 ， 进而判断不同碳化条件 、不 同阻锈剂施 用情况对钢筋腐蚀状态的影响 ，从 而确 定 MC I 对 钢 圈 3钢 筋 锈 蚀 过 程 Fi g 3 Co r r o s i o n Pr o c e s s o f St e e l 极 化 电阻 值 的检 测 采 用 三 电极 体 系 ，其 简 化 示 葸见图 4 o检测之前 ， 为了保证 试件中有 充分的 电 子形 成测 试 回路 ， 首 先将 待 测 试件 在 1 mo 1 I 的 碳酸钠溶液 中浸泡 2 4 h ； 随后 使用三 电极法 ，将工 电极 与外 露 钢筋 焊 接 成 导线 ，采 用 饱 和 甘 汞 电极 作为参比电极 、 石墨 电极作为辅助电极平行钢筋置 于碳酸 钠 溶液 中 ， 采用 $ 2 7 3 A型 电化 学工 作 站 测定 钢筋 的极 化 曲线 ， 得到 极化 电阻 值 。 3 试 验结果与分析 3 1 加速 碳化 开始 前 施用 MC I 对于 s、 A、 B、 c四组试件 ， 未施用 MC I的 S 4 、 A4 , B 4 、 C 4试件的极化电阻值发展 曲线见图 5 。 根 据极化 电阻值 测试 结 果并 对 照表 2 ，在 加 速 碳 化 g 0 c ： 蛊 工 作电极 图 4 三 电极体 系检测极化电阻值 Fi g 4 Thr e e El e c t r o d e Po l a r i z a t i O n Re s i s t a nc e M e a s u r e m e n t 加 速 碳 化时 间 d 图 5 未施用 MC I 试件极化 电阻值发展 曲线 Fi g 5 Po l a r i z a t i o n Re s i s t an c e De v e J o p me n t Cur v e s o f Sp e c i me n s W i t ho u t M CI 3 0 d 后 ， 未施用 MC I 的试件的钢筋均 已开始锈蚀并 且 随后始 终保 持在 锈 蚀状 态 。在加速 碳 化开始 之 前 表面施用 MC I 的 s 5 、 A5 、B 5 、 C 5试件 的极 化 电阻值 发展 曲线 见 图 6 。 由图 5 、6可 以看 出 ， S 5 、 A5 、 B 5 、 C 5试 件分 别 比未 施 用 MCI 的 S 4 、A4 、 B 4 、 C 4试 件 在钢筋极化电阻值表现上有明显提高 。 在加 速碳 化 1 5 d时 ， 极化 电阻值分 别提高 3 3 8 2 、 25 8 o 、 8O 7 、 l 4 O 2 ； 在加 速 碳 化 4 5 d时 ， 极 化 电阻 值 分 别提 高 l 0 7 3 8 、3 8 4 8 、 1 3 8 6 、 1 1 6 1 萁 中， A5 与 A4 、 B 5 与 试件的极化电阻值对比曲线见 图 7 o根据表 2 ， 在加 速碳 化 4 5 d时 ，施用 MC I 的 S 5 、 A 5 、 、 试件钢筋均保持在或 已恢复至钝化状态 。 根 据试 验其 他 2项检 测结 果 ，表 面施用 MC I的 5 5, AS、 B5、C 5试 件 相 对 于 未 施 用 MC I的 S 4 、A4、 B 4 C 4试件 ， 混凝 土 保 护 层 碳 化速 度 及 混 凝 土 孔 隙 溶液 p H值并无明显改变 。在加速碳化开始之前， 此 8个 试件 混 凝 土 碳 化 层 深 度均 约 为 5 mm， 钢 筋 表面混凝土孔 隙溶液 p H 值均为 1 1 5 ， 在 加 速碳 化 4 5 d时 ， 混 凝 土 碳 化 层 已经 完 全 包 裹 钢 筋 表 面后 ， 钢筋表面混凝土孔隙溶液 p H值均降至 9 7以下 上述 3项试验结果对 MC I 在混凝土碳化条件 下保 护钢 筋 的作用 给予 了肯 定 。 对 于在碳 化层 尚 浅 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 建筑科学与工程学报 2 0 1 1年 - 吕 U c ； 0 趔 雹 晕 图 6 施 用 MCI 试 件 极 化 电 阻 值 发 展 曲线 Fi g 6 Po l a r i z a t i o n Re s i s t a nc e De v e l o pme nt Cur v e s o f Sp e c i me n s wi t h MCI 70 0 吕 6 0 0 5 O 0 趔40 0 邪3 00 蠢2 0 0 1O O 三 一 、 1 5 30 45 加 速 碳化 时 间 d 图 7 A5与 A4 、 B 5与 B4试 件 极 化 电 阻值 对 比 曲线 Fi g 7 Po l a r i z a t i o n Re s i s t a n c e Co m pa r i s on Cu r v e s of Sp e c i m e n s A5 a nd A4， B5 a nd B4 时施 用 MC I的 S 5 、 A5 、 B 5 、 C 5试 件 ， 表 面 施 用 的 MC I 明显 提高 了试 件钢 筋 的极化 电 阻值 ， 有 效 维持 了钢筋 的钝 化状 态 ， 即使 此后 随着 加 速 碳 化 时 间延 长 ， 碳化 层完 全包 裹 钢筋表 面 ， 钢筋 表面 混凝 土孔 隙 溶液 p H 值 已经 降至 9 6 ， MC I 依然能够持续 地保 护 钢筋钝 化 膜 ， 维 护试 件耐 久性 。此 外 ， 上述 3项试 验结 果均 表 明 ， 在 混 凝 土碳 化 或 者 混 凝 土 碳 化且 氯 离 子侵蚀 同时发生 条 件 下 ， MC I 对 钢筋 的保 护 作用 并非 基 于改 变钢 筋 表 面 孔 隙 溶 液 的 p H 值 ， 进 而使 钢 筋恢 复钝 化 状 态 。MC 1对 于 钢 筋 钝 化 状 态 的维 护 ， 是通 过渗 透包 裹钢 筋表 面后 ， 在钢 筋 表面形 成单 分 子保 护膜 ， 或者 与 钢 筋 表 面亚 铁 离 子 结 合 成 螯合 环保护层 ， 阻碍腐蚀介质、 水分子和氧向金属表面渗 透 ， 从 而使 钢 筋得 到保 护 。 对 于不 同氯 离 子 含 量 的 S 5 、 A5 、 B 5 、 C 5试 件 ， 由图 6 可以看出 ， MC I 的对 于钢筋的保护效果 随着 氯离 子含 量 的增 加 而 减 弱 。在 加 速 碳 化 4 5 d结 束 后 ， 未掺加 氯 离子 的 S 5试件 钢筋 极化 电 阻值表 现最 好 ， 钢筋处于高度稳定钝化状态 ；