外电场作用下混凝土中离子的迁移与分布规律研究.pdf
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1、2 0 1 2年第 8期 8月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT P R0DUC 2 01 2 No 8 Aug u s t 外 电场作用下混凝土 中离子的迁移与 分布规律研究 张嘉新 , 高小建 , 朱 卫 中 ( 1 黑龙江省寒地建筑科学研究院, 哈尔滨 1 5 0 0 8 0 ; 2 哈尔滨工业大学土木工程学院, 1 5 0 0 0 6) 摘 要: 以饱和石 灰水为 电解液 , 对外掺 3 Na C 1 的混凝土 圆柱体试件进行 电化 学除氯试验 , 研 究了三种 不 同 电流密度( 1 0 A I n 2 、 2 0 A I 1 1
2、2 、 3 O A I n 2 ) 作用 2 8 d后 混凝 土 中氯 离子和钾 、 钠 离子 的分 布规 律。结果表 明: 电流密度 越 高时 , 在距 离钢筋越近 区域 , 混凝 土中的残余 氯 离子含 量越 少 ; 电流密度 为 2 0 A n 1 2 和 3 0 A m2 时 , 可使 混凝 土 中 距 离钢筋 2 0 m m 范围 内的氯离子含 量均 降低 到水泥用量 O 1 5 ( 占水 泥质 量) 以下。在 电化 学除氯 电场作 用下, 大量 钾、 钠 离子向钢 筋附近 区域迁移和聚 集, 使混凝 土试件 内层钠 离子含量 达到最外层 的 4 8 1 7 3倍 , 钾 离子含量
3、达到 最外层 的 3 8 1 7 5倍 , 从 而增加 了混凝土 内部发 生碱 骨料反应破坏 的风险 , 并导致部分 水化 产物分 解, 使 混凝 土与 钢 筋 粘 结 力 显 著 降低 。 关键词: 混凝土 ; 电化 学除氯 ; 电流 密度 ; 离子迁移 ; 耐 久性 A b s t r a c t : E l e e t r o e h e ml c a l c h l o ri d e e x t r a c t i o n( E C E ) t r e a t me n t i s a p p l i e d t o c y l i n d ri c a l c o n c r e t
4、 e s p e c i me n s c o n t a i n i n g 3 N a C 1 b y t h e w e i g h t o f c e me n t w i t h s a t u r a t e d C a( O H ) 2 s o l u t i o n a s t h e e l e c t r o l y t e s o l u t i o n , a n d t h e d i s t ri b u t i o n o f c h l o r i d e , p o t a s s i u m a n d s o d i u m i o n s i n c o
5、 n c r e t e s p e c i me n s a r e s t u d i e d a f t e r 2 8 d a y s EC E t r e a t me n t w i t h t h r e e d i ff e r e n t c u r r e n t d e n s i t i e s f 1 0 A m 2 0 A m a n d 3 0 A m2 ) T h e r e s u l t s s h o w t h a t l e s s r e s i d u a l c h l o ri d e i o n s r e m a i n i n c o n
6、 c r e t e w i t h a s h o r t e r d i s t a n c e t o r e i n f o r c e d s t e e l i n t h e E CE t r e a t e d s p e c i me n wh e n a h i g h e r c u r r e n t d e n s i t y a p p l i e d T h e a mo u n t o f c h l o ri d e i o n s i s r e d u c e d t o l e s s t h a n 0 1 5f b y t h e w e i g h
7、 t o f c e m e n t ) i n 2 0 m m c o n c r e t e p o rt i o n s n e a r t h e s t e e l f o r e v e r y s p e c i me n t r e a t e d wi t h c u r r e n t d e n s i t i e s o f 2 0 A m a n d 3 0 A m2 Un d e r t h e e x t e r n a l e l e c t ric fi e l d o f EC E t r e a t me n t a g r e a t q u a n t
8、 i t y o f p o t a s s i u m a n d s o d i u m i o n s mi gra t e a n d a c c u mu l a t e i n t o t h e s t e e l s u rro u n d i n g a r e a T h e a mo u n t o f s o d i u m i o n s i n t h e i n n e r l a y e r c o n c r e t e r e a c h e s 4 8 t o 1 7 3 t i me s o f t h o s e i n t h e e x t e r
9、 n a l l a y e r c o n c r e t e a n d t h e a mo u n t o f p o t a s s i u m i o n s i n t h e i n n e r l a y e r c o n c r e t e b e c o me s 3 8 t o 1 7 5 t i me s o f t h o s e i n t h e e x t e rn a l l a y e r c o n c r e t e a f t e r t h e EC E t r e a t me n t T h e ris k o f a l k a l i a
10、 g g r e g a t e r e a c t i o n a t t a c k i s c o n s e q u e n t l y i n c r e a s e d i n t h e i n n e r c o n c r e t e ,a n d a s ma l l q u a n t i t y o f c e me n t h y d r a t i o n p r o d u c t s b e c o me d e c o mp o s e d ,w h i c h i s a t t rib u t i n g t o t h e b o n d s t r e
11、 n g t h b e t we e n s t e e l a n d c o n c r e t e d e c r e a s i n g e v i d e n t l y K e y w o r d s : C o n c r e t e ; E l e c t r o c h e m i c a l c h l o ri d e e x t r a c t i o n( E C E ) ; C u r r e n t d e n s i t y ; I o n m i g r a t i o n ; D u r a b i l i t y 中图分类号 : T U 5 2 8 文献
12、标识码 : A 文章编号 : 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 2) 0 8 0 9 0 6 0前言 氯盐侵蚀导致的钢筋锈蚀是撤 除冰盐地 区和 海洋环境条件 下混凝 土结构耐久性 破坏和失效 的 最主要原 因, 多年来一直受到 国内外学者的广泛关 注 1 - 2 。 电化学除氯技术( E l e c t r o c h e m i c a l c h l o r i d e e x t r a c t i o n ) 3 是指在无需破坏原混凝土结构保护层 的 条件下 , 通过外加 电场使侵入混凝土保护层 的氯盐 有害组份直接排 出, 并且使 已经活化 、 开始锈蚀的 钢筋表面重
13、新钝化 , 是一种高效 、 快速 、 低成本且非 破损型的钢筋混凝土修复技术 。从上世纪 9 O年代 开始 , 欧美发达 国家开始投入大量人力 、 物力进行 研究 , 关 于 电化学除氯的作用机理 、 氯离子排出效 基金项 目: 国家 自然科 学基金资助项 目( 5 0 8 7 8 0 6 8 ) 。 果 、 除氯前后混凝土宏 、 微 观性能的变化 等方面已 取得大量成果 4 - 7 ; 我 国在此方面的研究 目前仍处于 起步阶段圈 。在 电化学除氯所施加的外部 电场作用 下 , 混凝土 内部氯离子通过孔溶液 向外部迁移的同 时 ,其 它阴阳离子也分别 向电场 的正负极 区域移 动 , 从而可
14、能对混凝 土长期耐久性造成不利影 响唧 。 本文将采用 自行研制的电化学除氯装置 , 研究不同 电流密度作用下混凝土试件 中氯离子与碱性离子 的分布状态和微观结构 , 为正确评价电化学除氯后 混凝土结构的整体耐久性提供理论依据 。 1 试 验 方法 1 1 原材料与试件制作 试验原材料采用哈尔滨某公 司生产 的 P 0 4 2 5 9 一 2 0 1 2年第 8期 混凝土与水泥制品 总第 1 9 6期 级水泥, 碱含量为 O 7 3 ( N a 2 0 + 0 6 5 8 K : 0) 。细集料 为松花江产江砂 , 细度模数为 2 8 2 , 属 中砂 、 区级 配。粗集料采用阿城松 山采石场
15、产石灰岩质碎石 , 粒径 5 - 2 5 m m, 连续级配 , 压碎指标 为 4 8 , 针片状 含量 3 。采用上海产 Mi g h t y 1 0 0高效减水剂, 推荐 掺量为胶凝材料质量 的 0 7 1 2 。采用鞍 钢产 H R B 4 0 0 1 0的普通钢筋 。氯化钠为工业 纯产品 , N a C 1 含 量大 于 9 6 。 设计了 3个不 同水灰 比的混凝土 , 通过调整减 水剂掺量 , 使每一水灰比的混凝土坍落度达到 1 8 0 - 2 0 0 c m, 保证各试件成型质量良好 。每种混凝土 中掺 入水泥质量 3 的氯化钠以引入氯离子 ,具体配合 比见表 l 。 表 1 试
16、验用混凝土配合比 k g m 编号水灰 比水泥 水 砂子 石子减水剂N a C 1 A 0 5 48 0 2 40 6 05 1 0 75 0 5 1 4 4 B 0 4 48 0 1 9 2 6 22 11 06 1 5 1 4 4 C 0I 3 2 48 0 1 5 4 63 6 l 1 30 3 1 2 1 4 4 采用 1 0 0 mmx l 5 0 mm的圆柱体混凝 土试 件 , 沿试件轴心方向埋人一根钢筋 , 钢筋与混凝 土试件 的相对位置如图 1 所示。具体制作方法见文献 8 。 混凝土试件成型 1 d后拆模 ,然后用塑料布包裹起 来放入标准养护室养护 , 以防止混凝土 中的氯盐
17、 因 浇水养护而流失。到 2 8 d龄期 时, 将试件从 养护室 中取出, 进行电化学除氯处理 。 中 l 0 0 l 图 1 混 凝 土 试 件 尺 寸 1 2 试 验方 法 采用 自行研制 的试验装置对每一水灰 比的混 凝土试件进行电化学除氯试验 ,具体过程见文献 8 。选用 的电解液为饱和氢氧化钙溶液 , 采用 3种 电流密度 : 1 0 A m2 , 2 0 A m 2 , 3 0 A m ( 通过混凝土 表面 ) ;选用耐腐蚀性极强的钛金属 网圆筒置于混 一 1 0一 凝土试件外侧与 电源阳极相接 , 混凝土试件 中的钢 筋与电源 阴极相接 , 这样便使混凝土试件处 于一个 外加 电
18、场 中, 混凝土 中的氯离子便往外部迁移到电 解液中排出。 采用数显氯度计 和酸度计对 电解 质溶液 中的 氯离子浓度和 p H值进行定期测量 ,同时为保证 电 解质溶液碱度和加快氯离子排出 ,每 2 d更换一次 电解液。电化学除氯时间为 2 8 d , 除氯结束后 , 将混 凝土试件从 中间沿着钢筋方 向劈开 , 在混凝土试件 中 1 2个不 同部位选取砂浆样 品,取样部位相对位 置如图 2所示 。将所取的砂浆样品烘干后磨细 , 用 一 定量蒸馏水溶解 。 采用 P X S 一 3 5 0型精密离子计测 量水溶液中的氯 、 钾 、 钠离子浓度值 , 推算 出混凝 土 试件中不同部位处 的离子
19、含量分布情况。 钢筋 内 中 外 P I I l _ _ _ L I- 一 I I l l J l l r I I I I I - 1 I I ,取样 点 I I 图 2混凝 土试 件 中 的取 样 位 置 2结果与 分析 2 1 氯离子的分布规律 图 3为电化学除氯 2 8 d后各混凝土试 件 内部 的 自由氯离子含量分布情况 。在不 同电流密度条件 下 ,各混凝土试件中的氯离子分布规律基本一致 : 沿着圆柱体试件径 向由内而外距离钢筋阴极越远 位置处 , 自由氯离子含量越多 ; 无钢筋 的 区域混 凝土中氯离子含量 明显高于预埋钢筋的 I、 、 区域 。由此说明, 距离钢筋阴极越近处 ,
20、电场强度越 高 , 对氯离子产生 的排斥作用力越大 , 从而使氯离 子往外迁移 , 氯离子含量减少较多 , 而外部 电解液 中大量 自由氯离子的存在 又减缓 了外层混凝 土中 氯离子的排出。因此 , 在实际工程应用中, 距离钢筋 较远的无配筋区域混凝土中的氯离子很难排 出。 对 于混凝土 A而言 ,经过 1 0 A i m 2 , 2 0 A m 、 3 0 A m 电流密度除氯后 , 在预埋钢筋的 I、 、 区 域 ,内层混凝土 中的平均氯离子含量分别为 0 6 7 可 0 T + 。 T 一 张嘉新 , 高小建 , 朱卫 中 外 电场作用下混凝土 中离子的迁移与分布规律研究 专 兰 皿 唧
21、 钿 H _ 褪 骣 专 姜 旺 Il 如 H 褪 口 I ( a ) 混凝土 A中氯离子分布 姜 咖 抽 褪 姜 口 抽 褪 撅 O8 O7 O - 2 0 1 0 0 口 I ( b ) 混凝 土 B中氯离子分 布 I A B C ( e ) 混凝土 C中氯离子分布 ( d ) 钢筋位置处平均氯离子含量 图 3 电化学 除氯后混凝 土中氯离子分 布情 况 k g m。 、 0 3 5 k g m 。 和 0 3 3 k g m ;中部混凝 土的平均 氯 离 子含 量 分 别 为 0 9 6 k g m 3 , 0 5 3 k g m 和 0 5 6 k g m ;外层混凝土 中平均氯离子含
22、量分别 为 1 2 3 k g m 。 、 0 9 3 k g m 和 0 8 5 k g m 。 可见 , 电流密度越高 , 混凝土各层不 同区域 ( 试件的 内、 中 、 外 区) 中的氯 离子含量越少 , 说明其除氯效果越好 , 混凝土 B和 C 也具有类似 的规律 。 由于混凝 土在搅 拌时掺入 了 l 4 4 k g m 的 N a C 1 ,相 当于 8 7 4 k g m 的氯离子 , 尽 管水泥水化会固化一部分氯离子 , 但在如此高的氯 离子含量条件下 , 钢筋必定遭锈蚀破坏。G l a s s等的 研究认 为 ,混凝 土中氯离子含量达到水泥质量 的 0 1 7 以上时就会 产
23、生钢 筋锈 蚀现 象 _ 1 切 ,而 A C I B u i l d i n g C o d e 采用比较保守的控制值 :取可溶性氯 离子浓度为水泥质量的 0 1 5 为允许上限 ,本研究 混凝土 中水泥用量为 4 8 0 k g m , 按此计算的氯离子 临界含量为 0 7 2 k g m 。经过不同电流密度除氯后 , 3 种 混凝 土 试 件钢 筋 附近 处 的氯离 子 均 明显低 于 0 7 2 k g m , 并且电流密度越大时氯离子含量越低 , 如 图 3 ( d ) 所示 , 这时各试件中的钢筋已无锈蚀危险。 当 电流密度为 2 0 A m 和 3 0 A m 时 , 预埋钢筋
24、的混凝 土 试 件 段 中 间层 的 氯 离 子 平 均 含 量 也 均 低 于 0 7 2 k g m ,如果实际工程的混凝土保 护层为 2 0 mm 厚 , 这时整个保护层的氯离子含量均低于锈蚀 临界 值 。 2 2 钠离子的分布规律 图 4为电化学除氯后各混凝土试件 中钠离子 含量分布情况。在不 同电流密度情况下 , 各混凝土 试件 中的钠离子分布规律基本一致 : 沿着混凝土试 件径 向由外而 内距离 中心钢筋阴极越远位置处 , 钠 离子含量越少 ; 无钢筋的区域混凝土中钠离子含 量与距离试件中心远近程度和 Na C 1 的掺量多少没 有太大关系 , 且其含量远远小于钢筋附近区域的钠 离
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