防止混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕風(fēng)險(xiǎn)所需保護(hù)層厚度研究

［韓國(guó)］ 伊英碩

1 概 述

在城市環(huán)境中，碳化是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的最關(guān)鍵的問題。在過去10 a間，進(jìn)行了大量有關(guān)混凝土碳化的研究?；炷撂蓟怯捎诖髿庵械腃O2氣體滲透到混凝土內(nèi)，與混凝土中的堿性氫氧化物相互作用所導(dǎo)致的一種化學(xué)腐蝕。碳化主要是二氧化碳?xì)怏w的滲透和擴(kuò)散，由于二氧化碳滲透到非碳酸鹽混凝土中，從而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并形成Ca-CO3(碳酸鈣)，這樣，鋼筋表面的耐腐蝕層就會(huì)變得非常脆弱而不穩(wěn)定。由于碳化作用，混凝土孔隙溶液的pH值會(huì)從13.0左右降至9.0，這時(shí)鋼筋的鈍化膜(耐腐蝕層)會(huì)因pH值的降低而被破壞，最終因這種腐蝕作用導(dǎo)致鋼筋混凝土的耐用性和安全性大打折扣。因此，從事混凝土工程的工程師懂得碳化對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕破壞作用是相當(dāng)重要的。

在該研究涉及的試驗(yàn)系列Ⅰ中有兩個(gè)目的:①測(cè)定混凝土碳化對(duì)鋼筋腐蝕的影響，并進(jìn)行量化，因此研究主要集中在與碳化進(jìn)程有關(guān)的腐蝕物的量化上;②根據(jù)鋼筋的級(jí)別，尋求碳化引起鋼筋銹蝕開始的時(shí)間。許多研究人員從碳化的角度出發(fā)認(rèn)為，在碳化深度達(dá)到鋼筋的那一瞬間即會(huì)產(chǎn)生破壞作用，因此有學(xué)者認(rèn)為，碳化深度一觸及鋼筋，銹蝕就開始了(室外試驗(yàn)還有不同的結(jié)果)。因此，研究試驗(yàn)旨在研究混凝土碳化導(dǎo)致的鋼筋開始銹蝕的時(shí)間、碳化的加速試驗(yàn)、CO2濃度對(duì)碳化速率的影響、碳化過程的特性，以及混凝土的類型等等，同時(shí)也對(duì)碳化導(dǎo)致鋼筋銹蝕隨時(shí)間變化的過程進(jìn)行評(píng)價(jià)。希望通過研究，能找到具有抗碳化作用和防止鋼筋因碳化而引起銹蝕的混凝土配合比的優(yōu)化方案。還有一個(gè)目的是，研究混凝土碳化與氯離子侵蝕(chloride penetration)的相互影響，其作用機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜，取決于這兩個(gè)過程的重復(fù)循環(huán)周期。該研究中，還用試驗(yàn)方法探討了在上述雙重影響條件(即碳化和氯離子侵蝕)下混凝土性能惡化的風(fēng)險(xiǎn)。該試驗(yàn)方案對(duì)混凝土試件給定了如下邊界條件:①單一原因?qū)е碌幕炷列阅軔夯?②因氯離子侵蝕導(dǎo)致的混凝土性能劣化，以及氯離子侵蝕與碳化共同作用導(dǎo)致的混凝土惡化?？梢陨钚?，綜合考慮上述兩種因素的作用，就能探索出一種新的、切實(shí)可行的、耐久性極高的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

2 試驗(yàn)方案

2.1 混凝土試件準(zhǔn)備

混凝土材料準(zhǔn)備如下:天然砂的相對(duì)密度2.63，容重1830 kg/m3，砂的細(xì)度模數(shù)和吸水率分別為2.80和0.9%，粗骨料(碎石)的相對(duì)密度為2.70，容重1660 kg/m3，骨料最大粒徑25 mm，吸水率0.78%。鋼筋僅埋在普通混凝土中，鋼筋長(zhǎng)190 mm，直徑8 mm，鋼筋截面面積為4770 mm2。

表1列出了混凝土配合比。經(jīng)實(shí)測(cè)，所有混凝土拌和物的塌落度和含氣量分別為150+10 mm和4.5+1%?；炷猎嚰?組鋼筋，直徑8 mm，截面面積4770 mm2，保護(hù)層厚度為12 mm。試件置于水中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度20℃，時(shí)間28 d。

表1 混凝土配合比

2.2 試驗(yàn)系列I

所有混凝土試件表面均涂上密封漆，讓一側(cè)暴露于CO2氣體中。兩組試件各取自不同的混凝土拌和物。圖1為測(cè)量碳化和銹蝕的加速試驗(yàn)情況。試驗(yàn)程序(a)為檢驗(yàn)CO2濃度對(duì)混凝土碳化速率的影響。

將混凝土試件置于溫度20℃、相對(duì)溫度65%、CO2濃度為5%的室內(nèi)。試驗(yàn)程序(b)為研究與碳化有關(guān)的鋼筋腐蝕過程和含水量對(duì)碳化速率的影響。試驗(yàn)含水量對(duì)碳化過程影響的做法是，將混凝土試件敞露在濃度為5%的CO2環(huán)境中3 d，然后浸于水中3 d，一個(gè)周期共6 d，按此方法反復(fù)循環(huán)。加速實(shí)驗(yàn)條件的詳細(xì)情況在圖中另有說明。隨時(shí)間推移的碳化深度測(cè)量方法是，在試件切割的新鮮面用酚酞乙醇指示劑進(jìn)行檢測(cè)。

為判斷出鋼筋腐蝕的情況，取用了兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，即腐蝕鋼筋的重量損失和腐蝕電流密度。如果是鋼筋銹蝕導(dǎo)致重量損失，就要測(cè)出鋼筋的原重(Wo)并達(dá)到0.1 mg的精度水平。試驗(yàn)完成后，用裝載機(jī)將試件破碎，取出鋼筋，將銹蝕的鋼筋浸泡在克拉克溶液中20 min，然后根據(jù)ASTM(美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì))G1標(biāo)準(zhǔn)，清除銹蝕物后，稱出銹蝕鋼筋(Wc)的重量，按下式估算金屬損失(WL)總量:

同時(shí)，采用線性極化儀GECOR 6測(cè)量鋼筋的腐蝕電流密度。由于這個(gè)腐蝕電流密度值只是測(cè)量時(shí)的瞬時(shí)值，其有效性是有限的。

2.3 試驗(yàn)系列II

設(shè)計(jì)的混凝土在各種外部條件下的試驗(yàn)過程如圖1所示。在第1個(gè)試驗(yàn)系列中，將混凝土試件置于溫度20℃、相對(duì)濕度65%、CO2濃度為5%的碳化加速試驗(yàn)室內(nèi)，同時(shí)將試件浸泡在0.5 M的氯化鈉溶液中。這是模擬海蝕環(huán)境的混凝土結(jié)構(gòu)在浸水帶和潮間帶的情形。在第2個(gè)試驗(yàn)系列中，根據(jù)日本土木學(xué)會(huì)規(guī)范(JSCE Code)，在拌和混凝土?xí)r，加入1.2 kg/m3的氯化鈉，作為氯離子的臨界含量。試件持續(xù)地敞露在碳化加速試驗(yàn)室內(nèi)。在第3個(gè)試驗(yàn)系列中，將混凝土試件放入碳化加速試驗(yàn)室內(nèi)3d后，置入0.5 M的氯化鈉溶液中浸泡3 d。為了模擬海蝕環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)的潮間帶，敞露于碳化與氯離子侵蝕兩個(gè)條件的比例控制在1∶1。在試件切割的新鮮面，用酚酞試劑來檢測(cè)和確定混凝土的碳化深度?；炷林邢У穆入x子含量和氯離子總量沿碳化深度進(jìn)行檢測(cè)。

圖1 混凝土在各種外部條件下的試驗(yàn)

3 成果與討論

3.1 試驗(yàn)系列Ⅰ(混凝土與鋼筋銹蝕的碳化過程)

混凝土內(nèi)的自然碳化過程，可經(jīng)歷數(shù)年測(cè)得。測(cè)量碳化現(xiàn)象的常規(guī)方法，一般是用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行預(yù)測(cè)。通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算和相關(guān)試驗(yàn)均表明，鋼筋的銹蝕過程是由混凝土的碳化程度決定的(詳細(xì)過程略)。

根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)，如果碳化深度達(dá)到鋼筋表面，(碳化部分的鋼筋表面因氧化膜破壞而開始生銹)并且所在之處的pH值明顯下降，這時(shí)鋼筋便開始顯著地腐蝕。事實(shí)上，研究表明，碳化深度剛達(dá)到鋼筋表面之前，鋼筋便因碳化作用開始銹蝕。還有報(bào)告表明，當(dāng)所謂的混凝土“未碳化深度”(見圖2)大約為8 mm而沒有氯離子滲透時(shí)，鋼筋便開始生銹。這里的未碳化深度，意即碳化深度末端與鋼筋表面的間距，對(duì)于受到氯離子侵蝕的混凝土結(jié)構(gòu)來說，這一間距就變?yōu)?0 mm。對(duì)這些研究結(jié)論，存在眾多爭(zhēng)議。例如一個(gè)引發(fā)爭(zhēng)議的問題是，用酚酞試劑測(cè)碳化深度，pH值通?？赡茉?.3～9.5的范圍，而其實(shí) pH 值要在11.0～11.5的范圍才可能引起鋼筋生銹。

研究中，未碳化深度是通過測(cè)定鋼筋的腐蝕電流密度和金屬損失量并根據(jù)其相互關(guān)系確定的。圖3所示為確定這種關(guān)系的示意圖。根據(jù)法拉第定律，對(duì)試驗(yàn)后實(shí)際測(cè)得的鋼筋重量損失量，采用方程(2)轉(zhuǎn)換成銹蝕鋼筋截面損失率(ΔAc)，

圖2 未碳化深度示意

式中，ML為鋼筋重量損失量，mg;A為鋼筋截面面積，cm2;t為試驗(yàn)時(shí)間，a;ρ為鋼筋密度，7580 mg/cm3。

圖3 確定腐蝕電流密度和金屬損失量之間關(guān)系示意

此方程可變換為:

式中，te為試驗(yàn)終止時(shí)間;ti為銹蝕開始時(shí)間。

通過某一時(shí)段鋼筋重量損失與腐蝕電流密度間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以計(jì)算出鋼筋開始銹蝕的時(shí)間。表2列出了一些計(jì)算成果，確定了鋼筋的銹蝕時(shí)間和未碳化深度。為安全起見，日本土木學(xué)會(huì)(JSCE)指出，未碳化深度至少應(yīng)定在10 mm以上。然而在該研究中，當(dāng)最大未碳化深度僅達(dá)到5 mm時(shí)，就發(fā)現(xiàn)鋼筋開始銹蝕，這一結(jié)論稍稍低于日本土木學(xué)會(huì)的指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn)。目前的研究成果表明，如果未碳化深度大于5～10 mm，混凝土結(jié)構(gòu)是不會(huì)因?yàn)樘蓟兄卮箫L(fēng)險(xiǎn)的。只是當(dāng)使用酚酞試劑來測(cè)碳化深度以確定混凝土中鋼筋去鈍化(即破壞鋼筋表面鈍化膜)的速率和程度時(shí)，才應(yīng)考慮未碳化深度。基于此項(xiàng)研究，在保護(hù)層厚度設(shè)計(jì)方面，則需要有更系統(tǒng)的方法來保護(hù)鋼筋，防止其銹蝕。

表2 未碳化深度的確定

3.2 試驗(yàn)系列Ⅱ(交錯(cuò)綜合條件下混凝土性能的惡化)

對(duì)于碳化混凝土來說，氯離子的濃度分布(剖面)是不符合菲克(Fickian)擴(kuò)散特性的，而通常是由于碳化和水沖刷的作用，通過氯離子吸附－釋放的反復(fù)過程而形成。實(shí)際上，在碳化深度達(dá)到鋼筋表面之前，鋼筋就可能開始腐蝕了，特別是水灰比較高的混凝土更是如此。因此，應(yīng)對(duì)雙重影響條件和單一影響條件兩種情形進(jìn)行對(duì)比分析。就氯離子含量而言，不論是在雙重影響條件下還是在單一影響條件下，只要達(dá)到某一碳化深度，兩者便趨于接近。對(duì)于水灰比為0.45和0.50的混凝土，當(dāng)碳化深度分別為21 mm和23 mm時(shí)，氯離子含量就很接近了，其原因在于，氯離子的物理化學(xué)吸附作用，隨著碳化過程的進(jìn)展而消失，即當(dāng)碳化深度達(dá)到21～23 mm時(shí)，氯離子便對(duì)鋼筋產(chǎn)生銹蝕作用?；炷撂蓟c氯離子侵蝕相互影響，可能會(huì)導(dǎo)致實(shí)際工程中最嚴(yán)重的問題。

研究表明，交錯(cuò)綜合條件下混凝土的碳化速率，比單一條件下混凝土的碳化速率要慢得多，并且混凝土碳化也不是在雙重影響條件下性能惡化的主要原因。然而，混凝土碳化對(duì)氯離子侵蝕影響很大。對(duì)于在混凝土拌和階段就被氯離子污染的混凝土，又由于碳化導(dǎo)致氯離子富集，使碳化深度達(dá)到6.5～7.0 mm，從而影響到混凝土的耐久性。然而這個(gè)碳化深度，又會(huì)增大碳化與氯離子侵蝕雙重作用對(duì)混凝土的危害。在這種情況下，因碳化造成的氯離子富集，可能影響到氯離子的濃度分布，使碳化深度直至達(dá)到21～23 mm。

4 結(jié)語

(1)觀察表明，基于CO2濃度的增大，較高水灰比的混凝土的碳化過程比低水灰比的混凝土來得要快。就混凝土的碳化速率而言，還要研究含水量的問題。

(2)當(dāng)混凝土的未碳化深度達(dá)到最大深度5 mm時(shí)，鋼筋便開始被腐蝕。為使受到一定CO2濃度侵蝕的混凝土結(jié)構(gòu)達(dá)到目標(biāo)使用壽命，必須根據(jù)計(jì)算所需的保護(hù)層厚度將混凝土未碳化深度考慮為5 mm。

(3)對(duì)于交錯(cuò)綜合條件下混凝土性能惡化的情況，由于碳化造成的氯離子富集可能影響到氯離子的濃度分布，使碳化深度直至達(dá)到21～23 mm。研究結(jié)論表明，在針對(duì)混凝土碳化設(shè)計(jì)混凝土保護(hù)層厚度時(shí)，應(yīng)充分考慮本文論及的雙重影響條件對(duì)上述碳化深度的影響。在進(jìn)一步的研究中，必須對(duì)雙重影響條件影響氯離子濃度分布的問題進(jìn)行預(yù)測(cè)。