迁移型阻锈剂对碳化混凝土耐久性的维护作用.pdf
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1、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
2、 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
3、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
4、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
5、 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
6、 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
7、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
8、 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
9、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
10、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
11、 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
12、 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
13、 , 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 ,
14、 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
15、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
16、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
17、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
18、 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
19、 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
20、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
21、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
22、 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
23、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
24、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
25、 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 (
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