环境作用下结构材料的侵蚀机理2.

2013-10-21结构全寿命维护第5章环境作用下结构材料的侵蚀机理25.1结构耐久性病害与环境作用调查5.2混凝土碳化机理与预测5.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预测5.4混凝土中的钢筋锈蚀机理与预测5.5钢材锈蚀机理与预测5.6思考题第5章环境作用下结构材料的侵蚀机理35.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预测海洋环境潮差区海水全浸区海水潮差区海水浪溅区平均低潮位平均高潮位海底底面海泥区影响腐蚀性的因素有海盐含量、湿度、风速、雨量、温度、太阳辐射等海水大气区潮湿、充分充气的表面海水飞溅，无海生物污损周期沉浸，供氧充分，有海生物污损浅海区：海水通常为氧饱和影响因素有海生物污损、海水流速、水温等。往往存在细菌，如硫酸盐还原菌。海底沉积物的特征和性状不同影响腐蚀性的因素有海盐含量、太阳辐射等深海区：氧含量不一，温度接近0度，海水流速低，pH值比表层低海风带来细小的海盐颗粒45.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预测高低tw/td时间(h)潮位(cm)tw潮差区浪溅区浸泡区湿周期潮周期：T湿周期：tw干周期：td=T-tw潮差区55.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预测除冰盐侵蚀环境65.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预测外渗型和内掺型氯离子含量内掺型外渗型内掺氯盐侵蚀环境外渗化冰盐海洋环境盐湖盐碱地工业环境海砂海水减水剂粉煤灰PVC受火距混凝土表面深度75.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预测饱和混凝土中的氯离子传输液相孔隙部分固相部分固相部分固态产物固态产物热传导热传导Cl-扩散传输氯离子的结合：(1)吸附于CSH凝胶和内部孔隙表面；(2)与水化产物反应生成Friedel盐。生成Friedel盐：Cl-的结合3CaO·Al2O3·6H2O+Ca2++2Cl-+4H2O→3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O热量85.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预测未饱和混凝土中的孔隙饱和状体大气相对湿度10%时大气相对湿度60%时大气相对湿度100%时未饱和混凝土孔隙中总是小孔隙达饱和，而大孔隙未饱和。95.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预测未饱和孔隙中的氯离子传输孔隙水膜液相气相液相孔隙固相固相固态产物固态产物热传导热传导Cl-传输热量Cl-传输气态水扩散Cl-的结合105.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预测饱和孔隙中的氯离子传输液相孔隙部分固相部分固相部分固态产物固态产物热传导热传导Cl-传输液态水传输氯离子的传输包括：(1)氯离子随液态水的流动而运动的对流；(2)液态水中氯离子浓度差驱动的分子扩散。Cl-的结合115.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预测氯离子侵蚀混凝土的几个重要过程气态水扩散液态水传输Cl-在孔隙水中扩散CO2溶解气液转换水蒸气压差驱动毛细压力差驱动水头压差驱动浓度差驱动热力学平衡至钢筋表面Cl-的电化学迁移电势差驱动Cl-结合物理化学结合局部酸化作用“活化—钝化”腐蚀原电池催化剂作用促成去极化Cl-随孔隙水流动对流作用降低混凝土电阻125.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预测混凝土中氯离子传输的主要机制扩散Diffusion渗透Permeation对流Convection迁移Migration浓度梯度水压梯度电位梯度湿度梯度氯离子传输135.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预测环境分类氯离子传输类型扩散腐蚀危险高低低海床低潮高潮海水全浸区海水潮差区海水大气区海水浪溅区海洋环境海洋环境不同部位的腐蚀危险性毛细吸附毛细吸附145.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预测相对湿度对氯离子侵蚀速度的影响固态产物固态产物孔隙相对湿度过高或潮湿环境相对湿度过低或干燥环境固相固相固态产物固态产物孔隙固相固相水膜厚水膜薄00.20.40.60.8100.20.40.60.81D/D0RH/%扩散系数与相对湿度的关系155.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预测温度对氯离子侵蚀速度的影响温度↑，离子的扩散速度↑，氯离子侵蚀速度↑1.02.03.04.05.0515253545表观扩散系数(10-12/m2s-1)温度(oC)OPCPSLPFAPSFOPC+1温度对不同胶凝材料组成混凝土表观扩散系数的影响165.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预测氯离子侵蚀速度与时间的关系时间↑，水化程度↑，孔隙率↓，氯离子侵蚀速度↓00()ntDtDt0123401020304050D/D0时间/年n取0.2~0.3扩散系数随时间的变化关系曲线（n=0.2）时间↑，孔隙吸附离子且Cl-结合量↑，孔隙率↓，氯离子侵蚀速度↓175.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预测混凝土表面氯离子浓度混凝土中氯离子含量外渗型混凝土表层不同深度的氯离子含量距混凝土表面深度/mm不到6mm浸泡区：混凝土表面氯离子浓度一般与海水中的氯盐浓度接近，迅速达到最大值。大气区：氯离子源主要是周围的海洋大气环境，有个累积过程，会受风力、风向、雨水等自然环境变化的影响。潮差区和浪溅区：氯离子源来源于波浪或喷沫，随着波浪而周期性变化。CsCs表层氯离子含量实测值实测氯离子含量185.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预测饱和混凝土中氯离子侵蚀深度的预测假定1混凝土混凝土为半无限大（一维）的各向同性均质材料。基本假定：假定2扩散是混凝土中氯离子传输的唯一方式。假定3氯离子不与混凝土发生物理化学结合。假定4混凝土中的氯离子扩散系数为不随时间变化的常数。假定5混凝土表面氯离子含量为不随时间变化的常数。195.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预测Fick第二定律CJtxΔxJxJx+Δx()xxxmJJAt根据质量守恒，Δx长度微元体质量改变量Δm为()xxxJJmAxtxxxxJJCtx当Δx→0且Δt→0时截面积为ACCDtxxJCDtxΔx长微元体扩散系数，为常数假定1假定2假定3假定4式(5.3.1)205.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预测饱和混凝土中氯离子传输的预测初始条件边界条件erf()为误差函数0)0,0(CtxCsa)0,0(CtxC假定5tDxCCCtxCa0sa02erf1)(),(求解式(5.3.1)得t时刻x深度处的氯离子浓度C(x,t)：假定4表观扩散系数，为常数内部氯离子初始含量表面氯离子含量(计算值)，常量表面氯离子含量计算值texxtd2)(erf02tDxCtxCas2erf1),(式(5.3.2)式(5.3.3)当C0=0时：215.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预测饱和混凝土中氯离子传输的预测混凝土中氯离子含量外渗型混凝土表层不同深度的氯离子含量距混凝土表面深度/mmCsCsaCs表层氯离子含量实测值实测氯离子含量Csa表层氯离子含量表层氯离子含量Csa（计算值）VS表层氯离子含量实测值Cs氯离子含量理论曲线225.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预测混凝土临界氯离子含量混凝土临界氯离子含量：在钢筋周围混凝土中的氯离子含量如果恰好达到引起钢筋去钝化而开始锈蚀所需的含量。临界氯离子含量取决于：混凝土配合比、水泥中C3A含量、水泥品种、水灰比、温湿度、钢筋表面状态、氯离子来源等多种因素的影响。235.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预测表观扩散系数的取值表观扩散系数（新材料和结构设计用）：0RCM,0tce()naatDDtDkkkt龄期t0(一般为28d)混凝土用氯离子快速电迁移标准试验方法测定的扩散系数值表观扩散系数（既有材料和结构评估用）采用氯离子含量实测曲线拟合。早期混凝土扩散系数的修正系数常取1。混凝土养护条件影响系数环境条件影响系数龄期系数式(5.3.4)245.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预测龄期系数n的取值龄期系数n：与混凝土的材料组成、水灰比、湿度等多个因素有关。硅酸盐水泥粉煤灰矿渣硅粉水下区0.300.690.710.62潮汐、浪溅区0.370.930.600.39大气区0.650.660.850.79胶凝材料环境类别0RCM,0tce()naatDDtDkkkt255.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预测环境条件影响系数ke和混凝土养护条件影响系数kc胶凝材料和环境硅酸盐水泥矿渣水中潮汐区浪溅区大气区水中潮汐区浪溅区大气区ke1.320.920.270.683.882.700.781.98养护时间13728kc2.081.5010.79ck环境条件影响系数ke混凝土养护条件影响系数kc0RCM,0tce()naatDDtDkkkt265.3混凝土中的氯离子侵蚀机理与预测混凝土表面氯离子含量的取值sc(/)cAWB硅酸盐水泥粉煤灰矿渣硅粉水下区10.310.85.0612.5潮汐、浪溅区7.767.456.778.96大气区2.574.423.053.23胶凝材料环境类别表面氯离子含量：取决于环境条件和混凝土自身特性可取值为：拟合回归系数W/B为水胶比拟合回归系数Ac275.4混凝土中的钢筋锈蚀机理与预测钢筋锈蚀的起因钢筋锈蚀裸露钢筋混凝土中钢筋停建工程钢筋堆场外露钢筋构件混凝土中性化氯盐侵蚀杂散电流内掺外渗化冰盐海洋环境盐湖盐碱地工业环境海砂海水减水剂粉煤灰酸性液体酸性气体酸性固体微生物腐蚀285.4混凝土中的钢筋锈蚀机理与预测钢筋锈蚀的工程实例柳营路某停建工程-1柳营路某停建工程-2停建的嘉裕大厦-1停建的嘉裕大厦-2295.4混凝土中的钢筋锈蚀机理与预测钢筋锈蚀的工程实例外滩18号立面板底钢筋锈蚀、保护层脱落板底钢筋锈蚀、锈迹基础梁钢筋锈胀、外露305.4混凝土中的钢筋锈蚀机理与预测钢筋锈蚀的工程实例板底钢筋锈蚀保护层脱落柱钢筋锈蚀楼梯梁角部钢筋锈胀开裂窗过梁钢筋锈蚀外露斜土路洋房315.4混凝土中的钢筋锈蚀机理与预测钢筋锈蚀的工程实例艺丰花园柱钢筋锈蚀梁钢筋锈蚀梁钢筋锈蚀板钢筋锈蚀板钢筋锈蚀325.4混凝土中的钢筋锈蚀机理与预测钢筋锈蚀的工程实例现浇板钢筋锈蚀预制板钢筋锈蚀梁内钢筋锈蚀柱内钢筋锈蚀墙内钢筋锈蚀苏州阳明山大酒店335.4混凝土中的钢筋锈蚀机理与预测钢筋锈蚀的工程实例石塘中学梁锈蚀之一石塘中学梁锈蚀之二高安大楼梁锈蚀之一高安大楼梁锈蚀之二345.4混凝土中的钢筋锈蚀机理与预测工程现象总结（1）梁柱构件中角部较一般部位容易发生锈胀开裂（2）梁柱构件中箍筋先于纵筋锈胀开裂，且箍筋容易发生保护层脱落现象（3）楼板钢筋锈蚀会发生保护层整体脱落现象（4）梁中钢筋锈蚀沿梁跨不均匀分布（5）不同环境下（碳化、氯盐）的钢筋锈蚀形态不同（6）锈后钢筋截面往往不再是圆形上述现象是否具有普遍性？如何解释上述现象的发生？355.4混凝土中的钢筋锈蚀机理与预测混凝土中钢筋钝化膜破坏的机理（1）混凝土的保护作用（钝化膜）新鲜混凝土pH值达13，钢筋处于高碱性环境，表面生成2~6nm厚致密的水化氧化膜。（2）中性化破坏钝化膜中性化反应使混凝土pH值降低pH值下降到11.5左右，钝化膜趋于不稳定pH值下降到9~10时，钝化膜作用完全破坏（3）氯离子破坏钝化膜Cl-具有很强的穿透氧化膜能力，在氧化膜内层形成易溶FeCl2使氧化膜溶解36混凝土中钢筋锈蚀的电化学机理5.4混凝土中的钢筋锈蚀机理与预测稀H2SO4溶液铁棒锌棒375.4混凝土中的钢筋锈蚀机理与预测混凝土中钢筋锈蚀的电化学机理阴极H2OOH-e-O2混凝土钢筋混凝土钢筋锈蚀的模拟电路大气环境UeRstRcReRa钢筋锈蚀电化学原理示意混凝土钢筋混凝土大气环境阳极Fe2+阴极反应过程：O2+2H2O+4e-→4OH-阳极反应过程：Fe→Fe2++2e-电子传输过程：阳极区释放的电子通过钢筋向阴极区传送385.4混凝土中的钢筋锈蚀机理与预测混凝土中钢筋锈蚀的电化学机理（4）腐蚀产物生成过程：Fe2++2OH-→Fe(OH)2（白锈，3.8）4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3（褐锈,4.2；吸水变黄锈,6.4）2Fe(OH)3→Fe2O3+3H2O（红锈,