濱海大氣鋼筋混凝土受氯離子侵蝕破壞的原因分析

濱海大氣鋼筋混凝土受氯離子侵蝕破壞的原因分析

0氯離子對混凝土結(jié)構(gòu)的影響在沿海環(huán)境中，由于海水的蒸發(fā)，潮濕的環(huán)境中含有大量的游離氯離子。在漫長的使用過程當(dāng)中,氯離子會隨著海風(fēng)、海霧等方式吸附到混凝土表面,并通過擴散作用進入到混凝土內(nèi)部。一般的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的耐久性,但是當(dāng)氯離子滲透到混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部后,會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載力破壞和結(jié)構(gòu)的過早失效,由此帶來的損失也是十分的巨大。目前,國內(nèi)外學(xué)者主要是針對海水中的氯離子腐蝕進行研究,對于濱海大氣中氯離子能夠引起混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕還沒有引起太多的重視,但是一些工程實例表明了研究該問題的重要性。例如浙江舟山某小區(qū)1#樓,1995年12月竣工但在1999年底被拆除,經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)引起此次事故的主要原因就是濱海大氣所含氯離子進入混凝土內(nèi)部造成腐蝕破壞。本文采用鹽霧模擬手段,研究氯離子在混凝土中的擴散,為正確評估鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在濱海大氣環(huán)境中的耐久性和指導(dǎo)生產(chǎn)實踐提供理論依據(jù)。1試驗總結(jié)1.1試驗梁的設(shè)置本試驗的目的是通過制造鹽霧環(huán)境腐蝕鋼筋混凝土梁試件,對不同水灰比的條件下的Cl-擴散加以研究,建立混凝土結(jié)構(gòu)在鹽霧環(huán)境中的侵蝕模型。本次試驗共設(shè)計了10根試驗梁,梁的截面尺寸為100mm×120mm。將試驗梁共分為5組,每組梁分別由水灰比0.56和0.50的2根梁組成。試驗時,將其中的1組梁留作試驗對比梁,其他4組放入鹽霧試驗箱中進行周期腐蝕。試驗梁腐蝕結(jié)束之后,分層檢測不同部位混凝土內(nèi)的氯離子總含量進行分析,研究氯離子在混凝土內(nèi)部的擴散規(guī)律。1.2試驗材料試驗采用由天津濱海漢拿混凝土有限公司生產(chǎn)的預(yù)拌混凝土,其具體的配合比參見表1。1.3溫度對鹽霧的影響噴霧共分4個周期,每個周期4周。為了加速混凝土試件的腐蝕速度,模擬干濕循環(huán)的實際環(huán)境,每周六日開箱晾干2d。試驗時采用間斷噴霧的方式,以1h為周期,噴霧20min間歇40min,以保持鹽霧箱內(nèi)的鹽霧濃度。參考一年當(dāng)中沿海地區(qū)的平均氣溫,將試驗時的溫度設(shè)定為20℃。本次試驗的10根梁根據(jù)腐蝕周期的長短編號如表2所示。1.4大氣氯離子含量自1986年5月至1987年7月,浙江省建筑科學(xué)設(shè)計研究院采用濕蝕裝置在舟山地區(qū)島嶼,歷時2年多的布點、采樣、分析試驗過程,得到臨海大氣氯離子含量值,參見表3。本試驗以距海岸100m的氯離子濃度為基準(zhǔn),模擬現(xiàn)實中被腐蝕近20年的混凝土結(jié)構(gòu),結(jié)合鹽霧箱的噴霧速度和鹽霧箱容積,經(jīng)過換算得到試驗用鹽水濃度約為11%。1.5研究對象的確定試驗過程中,由于鹽霧會發(fā)生沉降,所以將試驗梁的側(cè)表面作為鹽霧腐蝕的研究對象。試驗過程中,以5mm為模量,分別對距梁表面5、10、15、20、25mm之內(nèi)的氯離子總含量進行檢測分析,具體的檢測方法參照規(guī)范JTJ270—98《水運工程混凝土試驗規(guī)程》的相關(guān)條款進行。2試驗結(jié)果及分析2.1氯鹽腐蝕破壞混凝土結(jié)構(gòu)總體上看混凝土的抗腐蝕性能還是很強,只有經(jīng)過4個周期的腐蝕之后,混凝土試件的表層才出現(xiàn)了由于腐蝕而產(chǎn)生的疏松破壞現(xiàn)象。其中有少數(shù)嚴(yán)重腐蝕的混凝土表面,只需用鐵片輕輕刮擦便可以把受腐的混凝土粉末刮下,甚至少數(shù)表面的字跡也可以用手搓掉?；炷猎嚰砻嫫茐牡默F(xiàn)象以圖1中的試塊最為突出,圖1中的試塊與梁A4同時放入鹽霧箱接受腐蝕,是梁A4的強度檢驗試塊之一。眾所周知,水泥經(jīng)過水化作用,將砂子和碎石黏結(jié)到了一起,形成堅硬的混凝土,可以承擔(dān)很大的作用力。然而,由于水分的蒸發(fā)、硬化過程中收縮的不均勻、混凝土的徐變、溫度應(yīng)力等原因會造成混凝土在微觀上存在大量的孔洞和裂隙。當(dāng)氯離子通過這些渠道滲入混凝土?xí)r,會對混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生兩種形式的破壞:一種是溶于水中的游離態(tài)氯離子在水分蒸發(fā)后,以結(jié)晶的形式析出,隨著析出氯鹽晶體的增多,其產(chǎn)生的結(jié)晶應(yīng)力會超出混凝土的極限抗拉承載力,造成混凝土表面的剝蝕與開裂。另一種則是游離態(tài)氯離子與水化產(chǎn)物鋁酸三鈣通過化學(xué)反應(yīng)生成Friedel鹽,不僅改變了混凝土內(nèi)部的結(jié)構(gòu),而且會由于Friedel鹽體積比C3A大數(shù)倍而引起混凝土的破壞。正是這兩種破壞的共同作用,導(dǎo)致了試驗試件表層混凝土發(fā)生氯鹽腐蝕破壞。該現(xiàn)象說明處在濱海大氣環(huán)境中的表層混凝土,會隨著時間的推移而發(fā)生腐蝕破壞,從而使得結(jié)構(gòu)中鋼筋的保護層變薄,進而威脅到結(jié)構(gòu)的整體耐久性。就本次試驗的結(jié)果看,20年后的混凝土結(jié)構(gòu)表面混凝土?xí)兊檬杷梢讋兟?輕者必定影響結(jié)構(gòu)的外觀,重者則會導(dǎo)致鋼筋的銹蝕而使結(jié)構(gòu)的承載力下降。如果想使結(jié)構(gòu)的壽命達到50年甚至更長,就必須要給處于濱海環(huán)境的混凝土建筑物做外部防腐處理,并定時進行檢修。2.2混凝土的氯離子含量曲線圖處于濱海大氣中的混凝土,其內(nèi)部的氯離子總量會隨著時間的增長不斷積累。本次試驗采用化學(xué)方法,分別測取了距離試驗梁表面不同深度處的氯離子含量,見圖2、3。從圖2、3中可以看到混凝土內(nèi)的氯離子總量隨著腐蝕周期的增多而呈現(xiàn)出增長的趨勢(含量曲線與坐標(biāo)軸圍成的面積增大),并且總量隨著距離梁表面位置的加深而減少。如果出去0~5mm這層氯離子含量,總體上看氯離子的含量曲線近似于一條直線變化,且這種線性趨勢隨著混凝土內(nèi)部氯離子總含量的增加而越發(fā)的明顯。目前,混凝土的腐蝕研究普遍采用Fick第二擴散定律,而該定律的一個主要假設(shè)就是氯離子是按照線性擴散的方式進入到混凝土內(nèi)部。由于基于本次試驗數(shù)據(jù)的氯離子含量曲線圖展現(xiàn)出了線性變化趨勢,所以就可以得出結(jié)論,研究濱海大氣中的混凝土氯離子腐蝕同樣可以采用Fick第二擴散定律。由于本次試驗得到的數(shù)據(jù)并不是很多,還不能夠建立出像受海水浸泡條件下的混凝土氯離子腐蝕模型,但作為對濱海大氣條件下的有益探討,為今后研究提供參考。2.3混凝土的內(nèi)部氯離子含量對于混凝土的氯離子腐蝕研究,氯離子的擴散深度是一個十分重要的研究內(nèi)容,還是判斷鋼筋銹蝕時間的主要依據(jù)。目前,國內(nèi)現(xiàn)行的GB50010—2002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定:對于普通混凝土結(jié)構(gòu),其內(nèi)部的氯離子含量最高限值為0.1%,所以將0.1%作為氯離子滲透深度的前沿。通過對試驗數(shù)據(jù)的整理,運用線性插值法,可以得到氯離子在混凝土內(nèi)部的擴散深度,如圖4所示。氯離子的滲透深度之所以會出現(xiàn)兩個發(fā)展階段,主要與混凝土內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。腐蝕前期,混凝土內(nèi)部存在大量的裂縫和孔隙,所以外部的氯離子可以很容易的以各種方式侵入到混凝土內(nèi)部,這就是越變階段。當(dāng)氯離子向混凝土內(nèi)部進一步擴散時,由于混凝土內(nèi)部缺陷基本已經(jīng)被前期進入的氯離子及其進入后生成的附屬產(chǎn)物填充,氯離子的濃度已經(jīng)明顯小于混凝土外部的氯離子濃度,所以氯離子的擴散速度也就減緩到一個相對固定的值,氯離子的擴散深度曲線進入到平緩發(fā)展階段。2.4混凝土的水灰比對氯離子擴散的影響影響氯離子擴散的因素很多,水灰比是其中一個主要的因素,現(xiàn)將第3和第4周期的氯離子總含量繪于圖5、6中。從圖5、6中可以發(fā)現(xiàn),雖然混凝土內(nèi)部的氯離子總含量隨著周期的延長而增長,但是擁有低水灰比的梁B內(nèi)的氯離子總含量要比梁A小約0.2%~0.3%。結(jié)合圖2、3,可以看到隨著混凝土試驗梁被腐蝕周期的增長,混凝土的水灰比對氯離子擴散的阻礙作用就越發(fā)明顯。雖然水灰比會阻礙氯離子向混凝土內(nèi)部擴散,但是其對氯離子的擴散速度影響卻并不是十分明顯。因為圖4中平緩發(fā)展階段的兩條曲線近似平行,斜率基本相等。這也就說明,水灰比只會造成擴散氯離子數(shù)量的變化,但并不能造成氯離子擴散速率的改變。因為如果擴散速率存在差異,那么會最終由此導(dǎo)致擴散深度差值的進一步擴大。3鹽霧環(huán)境中的氯離子擴散系數(shù)d的檢測算法研究混凝土的氯離子腐蝕,認(rèn)識氯離子的擴散規(guī)律是一個方面,更主要的是能夠找出推算其擴散的數(shù)學(xué)模型。自從1970年Collepardi首次應(yīng)用Fick第二擴散定律建立了氯離子在混凝土中的擴散模型,自此眾多學(xué)者都將Fick第二擴散定律作為研究氯離子擴散的首選模型。其展開形式為:式中:C(x,t)———t時刻x深度處的氯離子濃度;C0———初始氯離子濃度;Cs———表面氯離子濃度;D———氯離子擴散系數(shù);erf(z)——誤差系數(shù)。只要能夠知道C0、Cs、D、x和t,就能夠由式(2)知道距離混凝土表面x深度處的氯離子濃度C(x,t)。而C0、Cs和x都可以通過假定和前面介紹過的氯離子檢測方法得到,所以D就成為解式(1)的關(guān)鍵,也就成為正確評估鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在鹽霧侵蝕下的耐久性的關(guān)鍵。在實際計算中由于誤差函數(shù)erf的存在,導(dǎo)致計算困難。為此按照文獻中的方法,對式(1)進行轉(zhuǎn)化,最終得到:式中:Ψ(z)為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù),其中所以可以最終得到鹽霧環(huán)境中的氯離子擴散系數(shù)D的理論公式如式(4)所示:本次試驗分別測取了距梁表面不同深度處的氯離子總含量平均值,以此為初值,將含量0.1%作為氯離子滲透深度的限值,則可以根據(jù)式(4)得到鹽霧環(huán)境中的氯離子擴散系數(shù)D,列于表4中?？傮w上看,梁A的擴散系數(shù)要大于梁B的擴散系數(shù),印證了低水灰比的混凝土能夠更好的阻礙氯離子向混凝土內(nèi)部的擴散。從表中可以看到,氯離子的擴散系數(shù)D不是一個常量,且有隨著腐蝕時間增長而減小的趨勢。由于本次試驗得到的數(shù)據(jù)并不多,所以不能夠找出D值的變化規(guī)律,有待進一步研究。實際在推算氯離子的滲透深度時,所選用的擴散系數(shù)可以參考表中列出的值。4混凝土的內(nèi)部氯離子含量目前,國內(nèi)外學(xué)者多利用鹽水浸泡試驗來研究混凝土的氯離子腐蝕,為了解決實際工程所遇到的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在濱海大氣中的腐蝕事故,本課題通過制造鹽霧環(huán)境來模擬現(xiàn)實當(dāng)中的濱海大氣環(huán)境,詳細(xì)的研究了氯離子向混凝土內(nèi)部擴散的規(guī)律,得到以下結(jié)論:(1)本次試驗表明經(jīng)過4個周期的腐蝕,鹽霧中氯離子的擴散深度已經(jīng)超過了25mm,也就意味著處于濱海大氣環(huán)境20年的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的氯離子擴散深度超過了25mm,而且其擴散深度依然有加深的趨勢。所以,大氣中的氯離子對于混凝土結(jié)構(gòu)也會造成嚴(yán)重的破壞,需要引起特別的重視。(2)被腐蝕的混凝土,其內(nèi)部氯離子的含量是由外向內(nèi)近似線性減少,基本符合著名的Fick第二擴散定律的線性假設(shè),證明了運用該定律研究大氣氯離子腐蝕的合理性與可行性,本文也是運用了該定律推導(dǎo)出了氯離子在混凝土內(nèi)的擴散系數(shù)。利用本次導(dǎo)得到的擴散系數(shù),和混凝土表面的氯離子濃度就可以推算出距離混凝土表面一定深度內(nèi)的當(dāng)前氯離子含量,從而為結(jié)構(gòu)的鑒定防腐提供參考。(3)試驗證明氯離子的擴散深度與腐蝕時間存在著正比的關(guān)系,其隨著時間的增長而加深。擴散深度隨著時間的推移其增長呈現(xiàn)兩個階段,即突變階段和平緩增長階段。導(dǎo)致該種現(xiàn)象的主要原因是由于這兩個階段氯離子的滲透方式的差異。(4)混凝土的水灰比是一個影響氯離子腐蝕效果的十分重要的一個參數(shù)。試驗證明,應(yīng)用的水灰比越小,擴散進入混凝土內(nèi)部的氯離子總量就越少,擴散深度也越淺,能夠使得鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命也就越長。但是,考慮到施工和經(jīng)濟因素,工程實際中所應(yīng)用的混凝土水灰比還需綜合考慮。(5)因為大氣中氯離子腐蝕試驗的數(shù)據(jù)很少,加之試驗本身的離散性比較大,因此本次試驗得到的建議氯離子擴散系數(shù)并不是十分的準(zhǔn)確,還需要更多的試驗和工程加以檢驗,不斷地提供更多的測量數(shù)據(jù),不斷地對這個模型進行修正和改進。圖4中可以