碳化与氯盐共同作用下混凝土劣化的研究综述

12月混凝土与水泥制品

悦匀陨晕粤悦韵晕悦砸耘栽耘粤晕阅悦耘酝耘晕栽孕砸韵阅哉悦栽杂圆园19晕燥.12December碳化与氯盐共同作用下混凝土劣化的研究综述渊1.青岛理工大学土木工程学院袁266033曰2.青岛理工大学蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心

266033曰3.青岛市人民防空办公室袁266033曰4.中石化石油工程设计有限公司袁东营257026冤

肖薇薇1袁张纪刚1,2袁张君博3袁王鹏刚1,2袁金祖权1,2袁刘锦昆4摘要院碳化作用与高浓度氯离子侵蚀双重作用下的混凝土结构更容易发生耐久性问题遥通过分析碳化作用与氯

离子侵蚀对混凝土的破坏机理袁根据国内外学者对碳化与氯离子侵蚀共同作用下的相关研究袁综述了碳化与氯离子侵蚀共同作用下的相互影响及原因袁并指出了未来试验研究方向和建议遥

关键词院混凝土曰碳化曰氯离子曰侵蚀曰劣化

researchsummarizestheinteractionbetweencarbonationandchlorideionerosionandthereasons,andpointsouttheresearchdirectionsandsuggestionsinthefuture.

中图分类号院TU528.01

Keywords:Concrete;Carbonation;Chlorideion;Erosion;Deterioration

文献标识码院A

doi:10.19761/j.1000-4637.2019.12.024.05

Abstract:Basedontheanalysisofthedamagemechanismofcarbonationandchlorideionerosiononconcrete,the

0前言

随着我国对沿海城市的不断开发建设袁城市中较高浓度的二氧化碳与海洋大气中高浓度的氯离子使混凝土结构面临恶劣的服役环境袁混凝土结构破坏较为严重袁工程的实际使用寿命与设计使用寿环境下的混凝土耐久性问题[2-4]遥近年来袁国内外已命差距较大[1]袁因此袁越来越多的学者关注海洋大气

11.5遥

为完整遥因此袁若保证钢筋不被锈蚀袁必须满足pH逸

受自由水蒸发和化学收缩的影响袁混凝土内孔

隙较多遥渗透进混凝土的CO2在孔隙中会发生一系列的化学反应袁具体化学公式如下[11]院

Ca渊OH冤2+H2CO3寅CaCO3+2H2OCO2+H2O寅H2CO3渊1冤渊2冤渊3冤渊4冤

离子侵蚀作用下耐久性试验研究[5-6]袁而对两者共同作用下的研究较少遥本文分析了碳化与氯离子侵蚀究进行了综述和分析遥1混凝土碳化机理

碱性物质反应袁降低混凝土pH值的过程遥碳化是研究混凝土耐久性问题的重要部分袁而碳化深度指标遥

[7]广泛开展了对混凝土结构在单一的碳化作用与氯

3CaO窑2SiO2窑3H2O+3H2CO3寅3CaCO3+2SiO2+2CaO窑SiO2窑4H2O+2H2CO3寅2CaCO3+2SiO2+

6H2O6H2O

对混凝土的作用机理袁并对两者之间相互影响的研

的进行逐渐被消耗袁碳酸钙含量不断增加袁最终使混凝土pH值稳定在8.5左右袁未能满足钝化膜产生的临界pH值条件袁钝化膜慢慢被破坏袁钢筋发生了锈蚀遥

2氯离子侵蚀机理

沿海城市的大气环境中氯离子浓度较高袁在造成沿海城市混凝土耐久性问题的因素中袁氯离子侵蚀占主导地位遥目前袁对氯离子侵蚀造成钢筋锈蚀的机理袁国内外已形成较为统一的观点院

渊1冤破坏钝化膜遥大气中的氯离子扩散到混凝

混凝土内碱性的Ca渊OH冤2含量随着碳化反应

碳化指慢慢渗透到混凝土内部的CO2通过和

则是实际工程中判断建筑物使用寿命的重要评价

由于水泥与水反应产物中Ca渊OH冤2的存在袁

[8][10]早期混凝土的碱性较高[9]遥在碱性较高并有氧气存

在的环境下袁钢筋表面可形成保护钢筋的致密钝化膜遥但该钝化膜的存在是有条件的袁洪乃丰研究证

9.88时开始生成曰于钝化膜在pH逸11.5时生成的较

基金项目院国家自然科学基金资助项目渊51678321冤遥

明袁钝化膜面临两个pH临界值院淤钝化膜在pH逸

土内部并在钝化膜表面局部积累袁导致混凝土内部膜被破坏遥

pH值降至4.0以下[12]袁此时pH低于9.8袁钢筋钝化

渊2冤组成腐蚀电池遥混凝土中的氯离子首先会

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肖薇薇袁张纪刚袁张君博袁等碳化与氯盐共同作用下混凝土劣化的研究综述

聚集在小范围钢筋表面袁造成钢筋钝化膜局部损坏遥此时受损部位的铁基体作阳极袁未受损的钝化膜作阴极袁两者之间大阴极尧小阳极的腐蚀电偶形成小孔阳极渊失电3腐冤阳蚀子极袁使生去反成极应Fe化快速2+遥在发展氯袁铁基体发生腐蚀遥

致反应变得缓慢袁但袁当溶液Fe离2+聚子集造在成钢的筋腐表面蚀电池时中袁导袁

Fe2+生成FeCl2袁使反应顺利进行中氯遥离在子这的个过程中存在会消淀袁释袁可耗溶于水的FeCl2又与OH-生成Fe渊OH冤2沉放出氯离子袁氯离子又与Fe2+反应袁从而使反应不断进行遥在此过程中袁氯离子本身并没有被消耗袁因此袁

起到重复破坏作用[13]遥

电阻渊袁4加冤快氯电离化子学浓腐度的蚀遥增加袁大大降低两极之间的3.1

3碳碳化与氯离子侵蚀的相互影响3.1.1

在国正面效化对氯外袁RUKZON应

离子侵蚀的影响等[14]发现碳化减缓了氯离子

在普通混凝土内部的扩散遥GONIS等[15]认为袁碳化虽然使Friedel盐分解袁但自由氯离子含量却没有大幅度增加遥PUATATSANANON等[16]考虑碳化降低混凝土孔隙率的原因袁采用有限差分程序分析了钢筋混凝土在两者共同作用下的内部结构袁模拟显示碳化使混凝土内部生成碳酸钙袁减少了内部孔隙袁使氯离子难以扩散遥刘达丰等[17]通过试验验证了这一观点袁研究表明袁碳化程度越高袁阻碍作用越明显遥而郑永来[18]通过研究3种碳化程度的混凝土袁对这一结论进行了更为精确的描述院未碳化的混凝土中氯离子扩散系数大约为碳化后的2倍遥

国内外学者认为碳化对氯离子侵蚀具有正面效应的主要原因较为统一院碳化产生的CaCO充作用使混凝土内部更加紧密袁氯离子扩散受3的填到阻碍袁这种阻碍与未碳化的混凝土相比显得较为明显遥当碳化深度逐渐加深袁CaCO3沉淀也随之增加袁

此时袁碳化对氯离子扩散的阻碍作用虽有所增加袁但差距不大遥因此袁碳化对氯离子扩散的阻碍作用并不能用单一的线性关系进行描述袁完全碳化与未碳化尧碳化程度轻微与碳化程度严重对氯离子扩散系数的影响并不能一概而论袁两者之间更为准确的关3.1.2

系值得ANSTICE负探面效究遥应

[19]PADAKIS等[22]研究表尧BROOMFIELD[20]明袁碳化使尧CaTUUTTI[21]和PA鄄

渊OH冤低了混凝土碱性袁使Friedel盐分解为游离2减少袁降HASSNAN等氯离子遥

[23]将水泥净浆先进行碳化后浸泡在氯

盐中袁发现经过碳化处理后的试块结合氯离子的能力几乎为零遥而SAILLIO等[24]在此基础上增加了对部分碳化与完全碳化试件的研究表明袁碳化后的混凝土总孔隙权袁得出一致结论遥张鹏[25]尧元成方[26]尧苏卿[27]尧金祖[28]率虽尧巴然有光忠所等[29]研究降低袁但最可几孔径却有所增大袁这一变化提高了内部孔隙的连通性袁从而使氯离子更易渗透遥牛荻涛[30]卉Friedel等

[31]盐则认的分为解碳更化重引要起遥的混凝土尧吴敏

万小梅等微观结构变化比

[32]认为碳化对氯

离子侵蚀产生影响的原因主要是混凝土孔隙结构

的变化袁试验显示袁碳化使混凝土与砂浆的氯离子扩散系数均有所提高袁由于砂浆中硬化水泥浆体更集中袁砂浆因碳化造成的大孔隙比例增加现象更为明显袁氯离子渗透性提高较大遥常洪雷等[33]利用水泥净浆对试验室采用的三种研究碳化对氯离子影响的常用试验方法进行研究袁发现硬化前加入氯离子的试件内部结合氯离子含量高于硬化后加入氯离子的试件袁这是由于前者Friedel盐含量较多的原因袁同时袁碳化导致了混凝土内某深度处氯离子出现聚集现象遥

碳化对掺有矿物掺合料混凝土的影响与普通

混凝土不同遥白轲[34]碳化对含有矿物掺尧合料混凝土的徐亦斌[35]和刘强等[36]研究表明袁

氯离子扩散的促进作用远远大于普通混凝土袁因为矿物掺合料的加入使Ca渊OH冤2的量减少袁碱性物质含量减少导致内部pH值降低遥刘强的试验同时证明了氯离子扩散

系数与试件的碳化深度具有幂函数关系遥

在此基础上袁为了更加真实地表现大气中氯离子存在形式袁有学者用盐雾替代氯盐浸泡袁采取盐雾与碳化耦合的试验方法遥通过这种方法袁元成方等[26]研究表明袁适量粉煤灰的填充效应可提高混凝土内部密实度袁对氯离子扩散产生阻碍作用袁因此袁当内掺粉煤灰小于30%时袁阻碍作用随着粉煤灰的增多而越发明显遥龚傲龙等[37]在混凝土试块成型前将水中加入不同浓度氯离子进行试验袁发现碳化分解11.5释合料时放可袁胶使固释凝材料中的结合放化率氯达离到子70%更加袁稳同氯定时离遥

袁子试验证袁当明了pH值矿降物为掺

此外袁王建刚等[38]首次用野混凝土孔隙曲折度冶分析氯离子渗透规律袁发现两者具有较好的负相关性袁碳化提高了曲折度袁改善了抗氯离子渗透性遥

与部分学者认为碳化对氯离子扩散具有正面效应的观点不同袁较多数的学者通过试验发现碳化对氯离子扩散具有负面效应遥但对于引起负面效应的原因中哪种因素起主导作用袁学者们尚未给-25出-

明

圆园19年第12期混凝土与水泥制品总第284期确3.1.3

结论遥国正内负外效对于应

碳化对氯离子侵蚀性能影响研究的试验CHINDAPRASIRT结果因试验变量等的不同袁导致差异性较大遥

[39]认为袁碳化对不同种类

水泥砂浆的氯离子扩散影响不同遥对普通水泥砂浆而言袁碳化对Cl-扩散具有阻碍作用袁但对火山灰水泥砂浆却有促进作用遥MATSUMURA等[40]试验证明袁碳化在40益和65益条件下袁对氯离子扩散产生的影响正好相反遥MONTEMOR等[41]研究了碳化速度的影响袁认为在自然碳化下袁混凝土内掺粉煤灰越多袁混凝土内部氯离子含量越少曰加速碳化下则相反遥这可能是因为不同的碳化速率的控制因素不同遥TUMIDAJSKI等[42]将CO2充入浸泡有混凝土的复合盐溶液中袁发现CO内氯离子的扩散袁但却促进了2大大降低了普通混凝土矿渣混凝土的氯离子

的扩散遥

元成方等[43]研究证明袁水胶比不同的混凝土受碳化影响不同遥碳化促进了高水胶比混凝土氯离子扩散袁但阻碍了低水胶比混凝土的氯离子扩散袁这是因为低水胶比改善了混凝土的孔隙结构袁使内部更加密实遥庞超明等[44]研究了不同的试验方法对试验结果的影响袁研究表明袁自然浸泡的试验方法明显降低了混凝土表面的氯离子浓度袁所测得的表观氯离子扩散系数有所增加遥但采用RCM和Permit的方法测得的数值却大大降低袁因此袁选取测试方式时袁要与试验方式相匹配遥对同种混凝土而言袁王栋[45]形成尧一陈定伟程度等[46]发现初期碳化时袁碳化产物CaCO上填堵了混凝土孔隙袁造成氯离子3的扩散减缓袁当碳化达到一定程度后袁氯离子与Ca2+的结合滞后于CO2与Ca2+的反应袁而Ca2+的消耗也降低了对氯离子的吸附作用袁因此袁氯离子扩散系数明显增大遥程阳等[47]同样认为碳化对氯离子的影响并不是单一效应袁初期碳化阶段以阻碍作用为主袁中间过程中促进作用慢慢占据主导袁而后阻碍作用又重新占据主导地位遥金南国[48]试验结论均证明碳化对氯离尧子许扩晨[49]散的尧杨影响蔚为需等[50]的要综合考虑遥

国内外学者认为袁碳化对氯离子侵蚀产生影响的不一致性袁主要原因在于选取的试验变量不同遥单独碳化试验与单独氯离子侵蚀试验的影响因素较多袁水灰比尧水泥品种尧温湿度尧掺合料品种及用量等都会对碳化结果产生正负效应袁而水胶比尧温湿度尧测定方法等又会对Cl-扩散结果产生不同的影响-26遥-对于两者的共同作用袁影响因素成倍增加袁不同的试验变量可能会产生截然不同的影响结果袁考3.2

虑实际氯情况离子的复侵蚀杂对性碳袁此部化的分将是以后的研究重点遥

相较于碳化对氯离子侵蚀影响

影响的大量研究袁氯离3.2.1

子侵蚀负面效对碳应

化影响目前只开展了少部分研究遥徐铭等[51]研究表明袁浸泡过氯盐溶液的混凝土

在快速碳化试验过程中袁碳化初期由于氯离子对混凝土的CO腐蚀产物使混凝土内部更为密实袁阻碍了着反应的进行袁

腐蚀2的扩散袁使初期碳化缓慢袁但随产物被碳化所分解袁产生的氯离子在非碳化区重新生成腐蚀产物袁伴随着分解-重生成-分解的循环过程袁碳化速率逐渐加快遥邢占东等[52]对双掺粉煤灰与矿渣混凝土进行了研究袁研究表明袁对于氯盐浸泡后的混凝土袁Cl-消耗部分Ca渊OH冤次水化作用受阻袁降低了胶凝材料总量2袁袁粉使其煤灰抗二碳化能力小于同等条件下的普通混凝土袁且粉煤灰含量越多抗碳化能力下降越快遥李林等[53]通过试验数据与灰色系统理论分析得出袁对于高性能混凝土袁碳化速度与Cl-渗透系数有良好的相关性袁并线性回归3.2.2

出相互正面效关系式遥许晨等[49]应

用SEM分析了经过两者共同作用后的混凝土微观结构发现袁经过氯离子侵蚀后的混凝土内部孔隙结构较小袁细化后的混凝土孔隙使CO扩散缓慢遥徐亦斌等[31]研究表明袁浸泡后的混凝土表2层氯离子通过晶体形式存在于孔隙中袁使结构更加致密袁阻碍了碳化的进行遥而王传坤等[54]研究表明袁氯离子阻碍CO晶体填充了2在混凝土内部扩散的原因除了氯盐以孔隙之外袁也可能是因为Friedel盐在孔隙中的沉积作用遥

国内外学者认为袁氯离子侵蚀对碳化产生负面效应的原因主要是发生了氯离子腐蚀产物被碳化分解-氯离子腐蚀产物重生成-重生成的氯离子产物再次被碳化分解的循环过程袁而认为氯离子侵蚀对碳化产生正面效应的原因主要是氯盐浸泡使混凝土内部孔隙减少袁一方面因为氯盐晶体的填充作用袁另一方面则是因为Friedel盐的沉积作用遥但正负影响中何为主导作用尚未有人研究遥4目前研究存在的相关问题及建议

碳化与氯离子侵蚀共同作用下的混凝土耐久性研究是沿海城市建筑物使用寿命预测的重要参考遥因此袁开展碳化与氯离子共同作用下的试验研究是未来混凝土耐久性研究必不可少的一部分袁但是目前关于两者耦合的研究还有不足之处袁需要进肖薇薇袁张纪刚袁张君博袁等碳化与氯盐共同作用下混凝土劣化的研究综述

一4.1

步完氯善离遥总结国子内侵蚀外针对对碳两化者相的影响互影响缺乏的研究

研究可知袁大

部分试验研究主要针对混凝土碳化对氯离子侵蚀的影响袁氯离子侵蚀对碳化作用的影响研究较少遥但对于海洋大气环境而言袁氯离子侵蚀是引起混凝土耐久性问题的主要原因袁因此袁开展氯离子侵蚀对碳化的影响研究是非常有必要的袁建议未来应对此部4.2

分进行试验环境模拟与试真验实和环境理论有分差析异

的重点研究遥目前开展的相关研究大部分是将加速试验和氯离子侵蚀试验单一进行袁这与工程面临的实际环境有所差距遥虽然目前部分试验采用的干湿循环试验方法袁但存在循环次数较少袁周期较短的缺点袁并不能有效的模拟真实海洋大气环境遥建议开展长周期的室内模拟试验和海边暴露试验袁并将室内试验数据与真实环境的试验数据进行对比袁以此进行室内加速试验的改进袁使之能够最大限度的模拟真实环境遥同时开展人工加速试验导致的混凝土劣化与自然环境导致的混凝土劣化的相关性研究袁为后期提高加速试验成果在海洋环境中混凝土耐久性评4.3

估的有目前试效验性袁变奠针量定对不同基础两者导致试遥

共同作用的相验结果差互异大

影响袁因试验

条件尧分析方法和试验手段的不同袁国内外尚未形成统一说法袁且试验结论的差异较为明显遥研究结果参考价值不大遥因此袁必须进行两者共同作用下混凝土耐久性的标准化研究袁提出标准的试验方法袁为今后的试验数据共享提供依据袁并依据标准对各4.4

试有验限结元果模进行型研究规律较少

性验证遥综合国内外对碳化与氯盐共同作用下的研究发现袁目前大部分均为室内试验研究袁而部分试验室试验受周围环境影响较大袁偶然因素较多袁无法保证试验结论的准确性遥因此袁有必要开展关于碳化与氯离子共同作用下的混凝土有限元模拟研究袁探索两者耦合下的混凝土微结构变化规律及内部损伤劣化机理袁将模拟试验的结果与理论分析进行验证袁提高结果的可靠性遥5结语

总结国内外针对碳化与氯离子侵蚀相互影响的研究可知袁虽然国内外已经认识到研究海洋大气环境下混凝土耐久性的重要性袁并已经开展相应试验袁但对其内部本质规律的研究还不够透彻遥目前大部分试验研究主要针对混凝土碳化对氯离子侵

蚀的影响袁而氯离子侵蚀对碳化作用的影响研究较为缺乏遥现有的试验结论虽可以发现一些规律袁但结论较为分散尧差异性较大遥综合已有的研究内容发现袁碳化与氯离子侵蚀共同作用下的影响规律较为复杂袁各种正尧负效应均有袁受试验变量影响较为明显遥随着人们对海洋大气环境中混凝土耐久性研究的不断深入袁碳化与氯离子侵蚀共同作用研究中存在的问题都将得到解决遥因此袁对于碳化与氯离子共同作用下的相互影响存在极大的研究空间袁有待专家学者的进一步探索遥

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收稿日期院2019-04-19

作者简介院肖薇薇渊1994-冤袁女袁硕士研究生遥通讯作者院张纪刚渊1975-冤袁男袁教授遥通讯地址院山东省青岛市抚顺路11号联系电话院17860735063E-mail院qdxw2018@126.com