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杂散电流与氯离子共存环境下钢筋混凝土劣化机理的研究

耿健  
【摘要】: 地铁工程混凝土结构往往处于杂散电流与氯离子共存的腐蚀环境中,二者对混凝土耐久性劣化的相互促进作用使得这类工程混凝土面临更为严重的耐久性问题,其耐久性的劣化机理也比单因素作用更加复杂。本文围绕着杂散电流与氯离子共存环境下,钢筋混凝土的劣化特征、劣化机理以及相应的高耐久性材料制备开展了深入的系统的研究工作,其获得的研究成果对地铁等地下工程混凝土材料的耐久性设计与应用,具有重要的理论和实践指导意义。 论文进行的主要工作和取得的重要成果有: 通过系统研究杂散电流与氯离子共存环境下,受腐蚀钢筋电化学当量和锈蚀特征的依时变化规律,以及相应混凝土力学性能退化特点,掌握了该环境条件下钢筋混凝土的钢筋锈蚀速度快、锈蚀程度严重以及混凝土抗压强度和弹性模量失效快的劣化特征。同时采用电化学测试技术,探明了氯离子引发钢筋锈蚀极限浓度值随杂散电流强度增加而下降的变化规律,首次提出了杂散电流与氯离子共存环境下的、氯离子引发钢筋锈蚀极限浓度值的表征方法:[Cl~-]/[OH~-]=2.33e~(-0.12A)。建立了该环境条件下的钢筋混凝土锈蚀破坏模型,与已有单一因素影响下的同类模型相比,该模型对钢筋混凝土锈蚀破坏过程,特别是锈蚀诱导期,进行了更为详细的描述:诱导期应分为两个阶段,第一阶段为诱导发展期,主要由杂散电流诱发钢筋锈蚀;第二阶段为诱导加速期,该阶段主要由氯离子诱发钢筋锈蚀。 深入研究了杂散电流对水泥石内部固化态氯离子稳定性的影响规律,研究结果表明杂散电流会对水泥石固化氯离子的能力产生不利影响,随杂散电流强度增加和通电时间延长,氯离子由固化态向游离态的转变趋势越为显著。采用C_3A和C-S-H凝胶制备等宏观试验方法,以及X射线衍射(XRD)、热重分析(TG)、表面电位等微观测试手段探明了杂散电流对固化态氯离子稳定性的不利影响,主要与以物理吸附形式固化的氯离子稳定性有关。同时采用Stern凝胶双电层理论对这种影响机理进行了详细的论述与分析。此外,根据杂散电流影响下氯离子由固化态向游离态的转变规律,提出了水泥石内部化学键合和物理吸附两种固化态氯离子的分离方法。 系统研究了杂散电流对氯离子向混凝土内部迁移过程的影响规律,探明了氯离子在杂散电流影响下会加速向钢筋表面区域汇聚的迁移特征。通过分析杂散电流在混凝土内部所形成电场的分布特点,根据电渗流理论和X射线能谱(EDXA)等微观测试分析结果,提出了“扩散电迁移”假说对杂散电流影响下的氯离子迁移机制进行解释。同时在考虑杂散电流对混凝土固化氯离子能力和氯离子分布影响的基础上,建立了杂散电流存在情况下氯离子向混凝土内部的迁移方程。 根据杂散电流与氯离子共存环境下钢筋混凝土的劣化特征和劣化机理,提出了该环境条件下地铁工程混凝土材料:56d电阻率100kΩ·cm,28d电通量≤350C,氯离子扩散系数0.5-0.8×10~(-13)m~2/s的高阻抗、高抗渗的设计要求与设计方法。从材料学角度出发,采用材料复合制备原理,利用矿物掺合料、轻集料和绝缘型聚合物等功能材料复合使用的方法,成功的制备出了56d混凝土电阻率为110.5kΩ·cm,28d电通量为223C的能够满足地铁工程高阻抗和高抗渗要求的新型高性能混凝土。


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