混凝土表面硅烷处理对冻融、氯离子侵蚀后钢筋锈蚀的影响.pdf

假 第4 7 卷 第8 期 2 ) l 4 年8 月 混凝土表面硅烷处理对 冻融 、 氯离子侵蚀后钢筋锈蚀的影响 马志鸣 -一 。赵铁军 ，管庭 ，王鹏刚 ( I 同济大学土木工程学院 上海2 0 0 0 9 2 ；2 青岛理工大学土木工程学院 ，山东 青岛2 6 6 0 3 3 ) 摘要 为研究冻融损伤环境下硅烷表面防护处理对钢筋混凝土内部钢筋锈蚀的影响， 并为硅烷防护技术在恶 劣环境下的应用提供参考， 对带钢筋普通混凝土试件进行硅烷表面防护处理， 通过冻融循环试验、 氯离子侵蚀试 验 ， 在不同氯 离子腐蚀龄期 ， 利 用半 电池电位法测定钢 筋半 电池电位、 利 用线性极化法测定腐蚀 电流密度 ， 定量分 析了不同冻融损伤下， 不同硅烷表面涂覆量对混凝土内部钢筋锈蚀的影响。结果表明： 冻融损伤后对混凝土进行 硅烷防护处理可有效降低钢筋的半电池电位值和腐蚀电流密度， 减小钢筋锈蚀概率， 对混凝土有较好的防护作用。 关键词 冻融损伤；氯离子侵蚀 ；硅烷防护 ；钢筋锈蚀 ；带钢筋混凝土 中图分类号T G1 7 4 4 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 1 5 6 0 ( 2 0 1 4 ) 0 8 0 0 7 5 0 3 0 前言 钢筋混凝土结构在冻融损伤环境下 ， 由于 内部膨 胀压力的存在， 产生数量较多、 种类各异的裂缝； 此时 外界的氯离子 、 硫酸根离子等会迅速侵入其内部 ， 造成 钢筋锈蚀和混凝土破坏 ， 从而降低结构的使用寿命。 采用硅烷乳液对钢筋混凝土结构进行表面处理能 显著提高其抗氯离子侵蚀 的能力和使用 寿命 。 目前 ， 这类研究多针对 未受损伤的钢筋混凝 土结构进行 ， 而 针对不同损伤的钢筋混凝土结构的则较少 j 。本工 作对带钢筋的混凝 土结构进行硅 烷表面处理 ， 利用半 电池 电位 法和线性 极化法 分别测定 了在不 同冻融损 伤 、 不同氯离子腐蚀龄期下 ， 钢筋 的 电位值 、 腐蚀 电流 密度和钢筋的锈蚀 情况 ， 定量评价 了硅烷处理对 冻融 损伤下混凝土内部钢筋锈蚀的影响。 1 试验 1 1 带钢筋混凝土试样的制备及防护处理 水泥采用市售 P O 4 2 5普通硅 酸盐水 泥； 细骨料 为河砂 ， 最大粒径为 5 m m； 粗骨料选用 粒径为 52 5 mm连续级配花 岗岩质碎石 ； 钢筋采用普通 螺纹 钢筋 收稿 日期 2 0 1 4 0 3 1 6 基金项目 9 7 3项 目( 2 0 0 9 C B 6 2 3 2 0 3 ) ； 青岛市基础研究一 联合基金计划项 目( 1 3 - 1 - 4 1 1 5 一 j c h ) 资助 通信作者 马志鸣( 1 9 8 7一) ， 博士研究生， 研究方向为混 凝土结构耐久性 ， 电话： 1 8 5 2 1 5 9 0 5 1 3 ， E- m a i l ： mz ml 0 3 5 l 1 6 3 】 6 3 t o m ( H R B 3 3 5 ) ； 市售凝胶型 S t o C r y l H G 2 0 0有机硅防水剂 ， 密度 0 9 6 g c m ， 硅烷含量约 7 5 1 0 0 ， 具有抗老 化 、 抗风化好 ， 透气性好 ， 适用于各种基材 ， 黏着力强 ， 渗透性好 ( 32 0 m m) 等优点。制备水灰 比为 0 6 ( W A= 0 6 ) 的带钢筋混凝土试件 ， 试件尺寸及配筋位 置见图 1 。经试 验优化后 的混凝土配合 比见表 1 。其 中， C表示 空 白钢筋混凝 土试件 ， G C表示经过硅烷表 面防护处理的钢筋混凝土试件。 钢 筋 ( 咖1 0) 图 1 带钢筋试件尺寸及钢筋位置示意 表 1 混凝土配合 比 k g m 钢筋混凝土成型后在标准养护室内养护 2 8 d 温 度 ( 2 0 2 ) o C ， R H9 5 ， 达 到养护龄期后取出。静 置在实验室 中7 d ， 保证试 件表面干燥 ， 将硅烷凝 胶按 照 4 0 0 g m 的外涂量均匀涂抹在混凝土表面 ， 取出， 放 置在实验室干燥 环境下 1 4 d ， 保证硅烷凝胶在混凝 土 表面偶联反应完全， 即制得硅烷表面防护试件。 1 2 冻融及氯离子侵蚀 冻融循环 ： 参考 聊 2 7 01 9 9 8混凝土抗冻性试验 偶 g4 7 卷 第8 期 2 o i年8 月 电池电位较高。其原 因如下 ： 由于冻融对混凝土造成 损害 ， 水分侵入混凝土内部 的速率加快 ， 且水 中微量氯 离子与钢筋发生化学反应 ， 造成钢筋锈蚀 ， 故在氯离子 侵蚀开始阶段钢筋 已发生不 同程度的锈蚀 ， 半 电池 电 位在起点处较高 ； 冻融循环次数为 1 0 0次时， 半 电池电 位在2 0 d 时即达到峰值( 一 6 2 5 m V左右) ， 此时钢筋为 严重锈蚀状况 ， 是 因为在较高的冻融循环次数下 ， 混凝 土在冻融膨胀应力作用下迅速发生劣化破坏 ， 混凝 土 内部结构孔隙增大 ， 对钢筋的保护程度有 限， 在这种环 境下氯离子迅速侵入到混凝土内部造成钢筋锈蚀 。 一8 o o 一6 0 0 兽一 4 0 o 一一2 o 0 O 5 O 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 t ， d 图 4普通 试件半 电池 电位 随时间的变化曲线 图 5为外涂硅烷试件半 电池 电位随时 间的变化 曲 线。由图 5可 以看 出： 当冻融循环次数 为 0， 1 0 ， 5 0次 时 ， 半电池电位最 高值 ( 绝对值 ) 范 围为 一5 O一 一1 2 6 m V， 为低( 1 0 腐蚀危险) 腐蚀状况； 当冻融循环次数 为 1 0 0次时 ， 其半电池 电位最高值有较大幅度的提高 ， 为中度腐蚀状况。 -2 5 0 名一 2 0 0 一1 5 0 U 一1 0 0 一 5 0 0 5 O l o 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 t ， d l萼 l 5 硅烷表面处理试件半 电池 电位 随时I司的变 化曲线 对 比图 4 、 图5数据可知 ， 同一试件 的半 电池 电位 随着冻融循环次数和腐蚀龄期 的增加而增加 。在不 同 冻融损伤下 ， 经过硅烷表面防护处理的带钢筋混凝土 试件 ， 其半电位最高值均较普通试件有大幅度降低 ， 进 而降低了混凝土内部钢筋的腐蚀程度和锈蚀速率。其 原因为 ， 经过硅烷表面防护处理的试 件具有 良好 的抗 渗透性， 在相同的冻融 - 氯离子侵蚀耦合作用环境下， 氯离子侵入试件内部的速率和含量均较低， 从而降低 了钢筋的腐蚀程度和速率。 2 2 腐蚀电流密度 图6为普通带钢筋混凝土试件在冻融损伤和氯离 子侵蚀耦合作用下， 腐蚀电流密度随时间的变化曲线。 由图6 可知： 当冻融循环次数为0次( 未受冻融损伤) 、 1 0次 时 ， 腐 蚀 电 流 密 度 最 高 值 范 围 为 0 10 5 A c m ， 查数据可知钢筋的腐蚀状况为低至 中锈蚀速 率， 并且 1 0 次冻融循环后试件的腐蚀电流密度较 0 次 时高； 当冻融循环次数为 5 0， 1 0 0次时 ， 腐 蚀电流变化 趋势与半电池电位变化趋势一致， 具有较高的初始值， 试件的最高腐蚀电流密度 ， 1 0 I A c m ， 由表 3 可 知在较高冻融循环下， 钢筋锈蚀状况为高锈蚀速率 ； 且在 不同冻融循环下 ， 由图4和图 6得出的钢筋锈蚀状况一 致 ， 即冻融损伤加剧了钢筋的锈蚀， 并且随着冻融损伤的 加剧钢筋锈蚀程度和腐蚀速率均有大幅度提高。 图 6 普通试 件腐蚀电流密度随时间 的变化 曲线 图 7为硅烷表面处理试件在冻融损伤和氯离子侵 蚀作用下腐蚀 电流密度 随时间的变化 曲线 ： 当冻融循 环次数为 0 ， 1 0， 5 0次时 ， 试 件的腐蚀电流密度最高值 均 0 1 A c m ， 由表 3可知 钢筋 的锈蚀状况为钝化 状态 ； 当冻融循环次数为 1 0 0次时， 可知钢筋锈蚀状况 为低至中锈蚀速率； 对比普通试件腐蚀电流密度可知， 硅烷表面处理降低 了钢筋 的锈蚀程度和速率 。其原 因 如下 ： 经过硅烷防护处理的带钢筋混凝土试件， 即使在 较严重的冻融损伤下 ， 有机硅形成 的偶联憎水膜仍 可 以较好地抵抗 水分和氯离子侵蚀 ， 在氯离子腐蚀环境 下进人混凝土 内部的水分和氯离子减少 ， 从而提高 了 混凝土 内部钢筋 的抗锈蚀性 ， 延长 了混凝土结构 的耐 久性 。 0 2 5 g 0 2 0 - 0 1 5 i 0 1 0 、 0 0 5 0 5 O l o o 1 5 0 2 0 0 2 5 0 t ， d 图 7 硅烷表面处理试件腐蚀 电流密度随时 问的变化 曲线 劈裂试验结果显示 ， 在冻融循环 次数为 1 0 0次时 ， 普通混凝土试件 内部钢筋表面锈蚀严重 ， 出现大量锈 迹 ； 而经过硅烷表面处理 的混凝 土试件内钢筋仅有少 ( 下转第 8 3页) 柳 偶 秒 第 4 7 卷 第 8 期 2 0 1 4 年 8 月 霹 图 6 C r l 2 M o V钢渗钒前后在 3 5 N a C 1 溶液中的 T a f e l 极化 曲线 由表 1 可以看出， 渗钒后 E 。 值大于渗钒前的， 。 T r 的值小于渗钒前的， 由叼= 萼 1 0 0 ， c o r r ( 空 白) 计算可 知 ， C r 1 2 M o V经 过渗 钒处 理后 耐 蚀性 提 高 了 3 6 。这是因为渗钒后表面形成 了平整致密 的 V C化 合物渗层 ， 在 N a C 1 溶液 中， 首先发生氧化反应生成 了 V O ， 且 V O ： 不断增多 ， 阻止了氧的进一步扩散 ， 在一定 程度减小了腐蚀的速率， 提高了耐蚀性 1 。 3 结论 ( 1 ) C r l 2 Mo V钢通过混合盐浴渗钒 ， 得到了致密的 V C渗层 ， 极大地提 高了表面硬度 ； 提高盐浴处理温度 和延长保温时间 ， 都能增加渗层厚度； 渗层 的硬度随着 到表面距离的增大而递减。 ( 2 ) 在 3 5 N a C 1 溶 液 中 ， C r l 2 Mo V钢 经 1 0 0 0 c I = 、 保温 6 h最佳工艺渗钒后耐蚀性 比渗钒前提高 了 3 6 ， 其耐蚀性机理有待进一步研究。 参考文献 1 刘秀娟， 王华昌， 李东伟， 等盐浴组成对T D法盐浴渗钒 涂层性能的影响 J 材料热处理， 2 0 0 7 ， 3 6 ( 2 ) ： 4 1 - 4 3 2 周朝政， 孔德军 ， 袁锋 ， 等冷作模具钢表面 T D处理 强化技术 J 模具工业， 2 0 1 0 ， 3 6 ( 4 ) ： 6 3 6 7 3 王根保 钒化对钢摩擦磨损性能影响的试验研究 J 摩 擦 学学报 ，1 9 9 7 ， 1 7 ( 4 ) ： 3 1 4 3 2 0 4 O l i v e i r a c K N E v a l u a t i o n o f h a r d c o a t i n g s o b t a i n e d o n A I S I D 2 s t e e l b y t h e r mo - r e a c t i v e d e p o s i t i o n t r e a t m e n t J S u r f a c e a n d C o a t i n g s T e c h n o l o g y ，2 0 0 6( 2 0 1 ) ： 1 8 8 0 1 8 8 5 5 A g h a i e - K h a f r i M， F a z l al i pou r F V a n a d i u m c a r b i d e c o a t i n g s o n d i e s t e e l d e p o s i t e d b y t h e t h e r mo - r e a c t i v e d i ff u s i o n t e c h - n i q u e J J o u mal o f P h y s i c s a n d C h e m i s t r y o f S o l i d s ， 2 0 0 8，6 9： 2 4 6 52 4 7 0 6 C o r a 0 N， A g c a y a z l A， N a m i k i K， e t a1D i e w e ar i n s t a m- p i n g o f a d v an c e d h i s h s t r e n g t h s t e e l s。_ I n v e s t i g a t i o n s o n t h e e ff e c t s o f s u b s t r a t e m a t e r i a l a n d h a r d - c o a t i n g s J T r i b o l o - g Y I n t e rna t i o n a l ，2 0 1 2，5 2：5 0 6 o 7 8 9 1 0 李爱农 ，王秋领，王华昌C r l 2钢 T D盐浴渗钒组织与 性能研究 J 热加工工艺， 2 0 1 0 ， 3 6 ( 6 ) ：1 1 61 1 8 Ar i a T， Mo ri y a ma S G r o w t h b e h a v i o r o f c h r o mi u m c arb i d e a n d n i o b i u m c arb i d e l a y e r s o n s t e e l s u b s t r a t e o b t a i n e d b y s al t b a t h i m m e r s i o n c o a t i n g p r o c e s s J T h i n S o l i d F i l ms ， 1 9 9 5，2 5 9： 1 7 4 1 8 0 刘秀娟 ， 李庆亮 ，姜俊侠， 等T D盐浴渗钒层初期生长 表面形貌的研究 J 表面技术， 2 0 1 0 ， 3 9 ( 4 ) ： 3 9 4 1 刘秀娟模具钢表面T D法制备碳化钒覆层的研究 D 武汉： 武汉理工大学 ， 2 0 0 7： 7 5 李凤华 ， 衣晓红 ， 樊占国， 等 硼稀土共渗钛合金的耐蚀 性研究 J 东北大学学报 (自然科学版 ) ，2 0 1 3 ，3 4 ( 2 ) ： 2 6 1 2 6 4 编校： 魏兆军 ( 上接第 7 7页 ) 量锈迹。综上 ， 电化学法测 定的钢筋锈蚀结果与实 际 钢筋锈蚀情况 一致 ， 通过 电化学方法可 以准确地测定 混凝土内部钢筋锈蚀情况。 3 结论 ( 1 ) 不 同处理方式下混凝 土试件 内部钢筋 的锈蚀 程度均随着冻融循环次数 的增加 而增加 ， 随着氯离子 腐蚀龄期的延长而增加 。冻融损伤和氯离子侵蚀的耦 合作用更加剧 了混凝土 内部钢筋 的锈蚀状况。 ( 2 ) 对混凝土试件进行硅烷防护处理， 可以有效提 高混凝土的抗 渗透性 ， 在冻融损伤和氯离子侵蚀耦合 作用下 ， 具有 良好 的抵抗水分 和氯离子的能力。硅烷 防护处理后试件的腐蚀 电流密度和半电池 电位均较普 通试件大幅降低， 从而降低了钢筋的腐蚀程度和速率。 参考文献 1 张鹏 ， 戴建国， 赵铁军 ， 等 海水暴露环境下带裂缝混 凝土的表面 防水处 理 J 建筑材料学报 ， 2 0 0 9( 2) ： 21 421 8 2 赵铁军 渗透型涂料表面处理与混凝土耐久性( 第 1 版) M 北京： 科学出版社 ， 2 0 0 9 ： 3 3 张鹏， 戴建国， 赵铁军 带裂缝混凝土的吸水性能及防 水处理的影响 J 建筑材料学报， 2 0 1 0 ( 1 ) ： 7 0 7 4 4 马志鸣， 赵铁军 ， 朱方之 ， 等 掺硅烷乳液制备整体防水 混凝土的抗冻性试验研究 J 新型建筑材料， 2 0 1 2 ( 7 ) ： 535 5 5 李化建 ， 易忠来， 谢永江 高速铁路混凝土结构硅烷浸渍 防腐措施技术要求的研究 J 混凝土与水泥制品， 2 0 1 1 ( 1 0 ) ： 1 8 6 m 2 7 01 9 9 8 ， 水运工程混凝土试验规程 S 编校： 魏兆军