电极工作面积和孔隙液pH值对钢筋脱钝临界氯离子浓度的影响

基于模拟混凝土孔隙液中的钢筋脱钝试验,揭示了钢筋电极的工作面积和模拟混凝土孔隙液的pH值对钢筋脱钝过程中开路电位、极化电阻和腐蚀电流密度的影响规律,确定了不同钢筋电极工作面积和pH值条件下钢筋脱钝的临界氯离子浓度,分别建立了钢筋电极工作面积和模拟混凝土孔隙液pH值与钢筋脱钝临界氯离子浓度之间的定量关系.结果 表明:随着钢筋电极工作面积的增大,钢筋脱钝的临界氯离子浓度降低;随着模拟混凝土孔隙液pH值的增加,以自由氯离子浓度[Cl-]表征的临界氯离子浓度增加,而以[Cl-]/[OH-]表征的临界氯离子浓度降低;与开路电位和极化电阻相比,钢筋脱钝过程中腐蚀电流密度的突变点更加明显.     

环境温度对混凝土管桩氯离子扩散性能的影响

基于Fick第二扩散定律,建立混凝土管桩中考虑环境温度和氯离子结合能力的氯离子扩散模型。针对环境温度对混凝土管桩中氯离子扩散性能的影响开展试验研究,将不同水灰比(0.30、0.45和0.55)混凝土管桩置于不同温度(21、30、50℃)的5%氯化钠盐雾中,开展为期32d的浸泡试验。依据试验结果和氯离子扩散模型,得到不同温度条件下、不同水灰比混凝土管桩中的自由氯离子浓度分布、表面氯离子浓度、氯离子表观和有效扩散系数、活化能和氯离子结合能力值。试验结果表明:随着环境温度的升高,自由氯离子浓度、表面氯离子浓度、氯离子表观和有效扩散系数增大。随着环境温度从21℃升高到30℃,氯离子结合能力显著增加,但随着环境温度从30℃升高到50℃,氯离子结合能力却略有减小。由于表观氯离子扩散系数的对数与环境绝对温度的倒数呈线性变化规律,因此,可推断氯离子在混凝土管桩中的扩散符合Arrhenius理论。     

耐久100年以上的高性能混凝土

以一种新型超细粉取代混凝土中部分水泥，配制水胶比为０．２８的高性能混凝土。若以海水为环境，其极限氯离子含量以钢筋表面氯离子浓度／混凝土界面碱度≥０．６，并假定钢筋保护层厚度为５ｃｍ试验测定了混凝土氯离子扩散系数，经计算，这种高性能混凝土中钢筋脱钝时间为１２０年；而对比的基准混凝土仅为２０年。     

荷载裂缝对混凝土中氯离子扩散的影响

混凝土结构中的荷载裂缝会缩短氯离子向钢筋表面传输的路径,导致钢筋局部脱钝起锈。采用二次加载法制作了8个带有自然开裂裂缝的普通混凝土(CO)和掺加矿粉混凝土(CS)试件,在恒温、盐水浸泡条件下进行开裂混凝土中的氯盐传输试验。将硝酸银显色法和电子探针扫描技术分别应用于定位裂缝周围区域氯离子的分布范围和测定氯离子浓度。结果表明,带有自然开裂裂缝的混凝土试件可用于非稳态氯盐传输试验;裂缝中氯离子浓度存在梯度,裂缝宽度增大浓度梯度变小;而缝宽增大会导致裂缝深度增加,因此对氯离子扩散的影响提高;混凝土中掺加矿粉有利于抑制氯离子的传输,对提高混凝土结构服役寿命有利。研究成果可为建立更加准确的开裂混凝土氯离子传输模型提供参考。     

混凝土表面氯离子浓度时变规律试验研究

采用氯盐浸泡试验,定期检测了混凝土表面处的氯离子浓度,并对数据进行了拟合分析,研究了混凝土表面氯离子浓度随时间的变化规律,分析了氯盐溶液浓度、水灰比和粉煤灰掺量对表面氯离子浓度大小及其累积速率的影响。结果表明,表面氯离子浓度随时间的增加逐渐增长并最终达到稳定状态。随着氯盐溶液浓度的增加,表面氯离子浓度将更快地达到稳定状态,表面氯离子浓度也相应增大;水灰比越大,表面氯离子浓度累积速率越快,表面氯离子浓度越大;掺入粉煤灰可加快表面氯离子浓度的累积速率,表面氯离子浓度随粉煤灰掺量的增加而增大。通过对现有模型的比较与修正,提出了一个更为完善的模型。     

表面防水混凝土在冻融环境下抗氯离子侵蚀性能研究

氯离子侵蚀是造成混凝土内部钢筋锈蚀,混凝土结构发生耐久性破坏的主要原因。研究冻融损伤对表面防水混凝土抗氯离子渗透性的影响,分别对不同水灰比的普通混凝土和表明防水混凝土开展加速冻融循环试验和氯离子侵蚀试验。试验结果表面,随着冻融循环次数的增加表面防水混凝土的抗氯离子渗透性能降低,氯离子侵入量和氯离子扩散系数急剧增加;但是在相同冻融循环次数下,表面防水混凝土仍较普通混凝土具有更好的抗氯离子渗透性能;对于严寒环境下,对混凝土结构进行表面防水处理是提其抗氯离子侵蚀能力并延长其耐久性的有效方法。     

盐湖环境下混凝土表面氯离子浓度的时变性研究

采用盐湖卤水浸泡试验,定期检测了混凝土不同深度的自由氯离子含量,并对数据进行了拟合分析,研究了混凝土表面氯离子浓度随时间的变化规律,分析了水灰比和粉煤灰掺量对表面氯离子浓度大小影响。结果表明,表面氯离子浓度随时间的增加逐渐增长并最终达到稳定状态。随着水灰比的增大而增大;随着粉煤灰掺量的增大先降低后增加。通过对现有模型的比较,提出了更适合是盐湖环境的表面氯离子浓度的模型。     

基于混凝土表面氯离子浓度时变性的氯离子扩散模型研究

通过自然扩散法研究了钢筋混凝土在硫酸盐、氯盐作用下的耐久性,测定了混凝土表面氯离子浓度,建立水灰比及硫酸根对混凝土表面氯离子浓度影响的关系,并建立基于混凝土表面氯离子浓度时变性的氯离子扩散模型,结果表明:混凝土表面氯离子浓度随着侵蚀龄期的增长逐渐趋于稳定,并且稳定后的表面氯离子浓度随着水灰比的增加而逐渐增加;硫酸盐的存在不改变表面氯离子浓度的扩散规律,但是硫酸根的存在减小了稳定后的表面氯离子浓度。     

二维钢筋混凝土氯离子作用锈胀开裂数值模拟方法

在环境氯离子作用下混凝土构件因钢筋锈胀产生开裂,导致结构耐久性退化。为模拟并研究这一过程,基于经典Fick定律建立了考虑温湿度、水灰比、氯离子浓度等的多因素氯离子扩散数值模拟方法。针对混凝土锈胀开裂,提出了基于二维格构式模型的钢筋混凝土锈胀开裂模拟方法,并建立了自由网格模型与格构式模型之间的钢筋表面锈胀节点力转换方法。基于上述方法针对某钢筋混凝土自然锈蚀试验进行数值模拟,与试验结果对比并验证本方法的可行性。最后,基于提出的方法研究钢筋位置、混凝土保护层厚度、钢筋直径对钢筋锈蚀及混凝土保护层锈胀裂缝宽度的影响。研究结果表明;角区钢筋锈蚀均大于边区钢筋;混凝土保护层厚度越大,钢筋锈蚀增长越缓慢;混凝土保护层裂缝宽度随钢筋直径增大而增加。     

混凝土圆柱中氯离子扩散的数值分析

为了更好地理解氯离子在混凝土中的扩散机制,运用有限差分法,对混凝土圆柱在氯盐环境下服役时的氯离子扩散过程进行数值模拟,模型同时考虑了混凝土圆柱表面氯离子浓度和柱内氯离子扩散系数的时间依赖效应,得到了氯离子在混凝土圆柱截面内随时间变化的浓度分布云图。结果表明:为延长服役寿命,工程实践中可以考虑适时更换钢筋外侧的混凝土保护层,混凝土保护层的更换会产生结构内氯离子浓度的重新分布,可通过减小钢筋附近的氯离子浓度来有效延长结构服役寿命,数值模拟的结果对混凝土结构中钢筋的布筋位置具有指导意义。     

海洋环境下预应力混凝土桥梁耐久性分析与设计

为了研究海洋环境下氯离子侵蚀引起的混凝土结构耐久性行为,在重点考虑材料、环境、混凝土应力水平以及表层对流区影响的基础上,建立了预应力混凝土氯离子侵入扩散模型;随后,基于预应力混凝土桥梁结构耐久性失效的特点,提出了以预应力筋临界锈蚀作为耐久性极限状态的标志;并在各随机变量统计分析的基础上,采用Monte-Carlo方法研究了不同水胶比、不同保护层厚度时的可靠指标变化情况,得出了给定目标可靠指标下预应力筋的最小保护层厚度。相关研究成果可以为工程设计提供一定参考。     

Numerical simulation of the probability of corrosion initiation of RC elements made of reinforcing steel with improved corrosion performance

Abstract

Steel reinforcing bars in concrete are protected from corrosion by a thin oxide film that is created on the steel surface in the highly alkaline environment of the concrete. Corrosion process begins once this oxide film is destroyed, for example, by chloride ions penetrating from the element surface into the concrete and to the steel rebar. Critical chloride concentration is highly variable owing to numerous factors such as the type of reinforcing steel used. The TransChlor® software is used to simulate the time history of chloride ion ingress and corrosion initiation into a typical reinforced concrete structural element with four different types of reinforcing steel, namely, carbon steel, ferritic stainless steel (1.4003) with rolling skin, duplex stainless steel (1.4462) and ferritic stainless steel (1.4003) with pickled surface. A climate model is used to simulate two different exposure conditions of the structural element, namely direct and mist exposure, representatives for winter conditions in mountainous and lowland areas. A probabilistic method is applied to consider uncertainty of material properties in the model. The results show that reinforcing steel bars with enhanced corrosion performance significantly improve the durability of reinforced concrete.     

海洋环境下混凝土中钢筋的防腐蚀设计

海洋环境下钢筋的锈蚀是影响混凝土结构耐久性的重要原因。通过简单分析海洋环境混凝土中钢筋锈蚀机理，提出了采用钢筋阻锈剂、环氧树脂涂层钢筋、热浸镀锌钢筋、不锈钢钢筋、纤维塑料筋，外加电流阴极保护法和牺牲阳极保护法等钢筋的防腐蚀方法。并综合分析比较了这些方法的工程适用性。     

迁移型阻锈剂对混凝土中钢筋的长期影响

采用含有迁移型阻锈剂(MCI)的模拟混凝土孔溶液模拟施用MCI的钢筋混凝土,利用孔溶液中阻锈剂浓度的递减模拟MCI向外部扩散,利用孔溶液中pH值的递减模拟混凝土的碳化,以研究MCI对混凝土中钢筋的长期影响。考虑MCI的类型(醇胺类的N,N-二甲基乙醇胺DMEA和氨基羧酸类的乙二胺四乙酸四钠EDTA-4Na)和浓度(0.1 mol·L^-1和0.05 mol·L^-1)的影响,并采用电化学阻抗谱测试、动电位极化曲线测试研究钢筋阻抗和腐蚀速率随MCI浓度和溶液pH值的变化情况。研究结果表明:初始模拟孔溶液中的MCI浓度对DMEA的耐久性能有一定的影响,最初采用的MCI浓度越高,钢筋表面吸附层越致密,越不易受溶液中MCI浓度降低的影响,而EDTA-4Na对钢筋的阻抗有削弱作用,当溶液中EDTA-4Na浓度降低时反而出现了阻抗增加现象; 当pH值降低时,DMEA在钢筋表面的吸附层有脱附现象,钢筋的阻抗降低,腐蚀电流密度增大,EDTA-4Na的阻锈作用增强,钢筋的阻抗增大,腐蚀电流密度降低; DMEA的阻锈性能较稳定,当溶液中MCI浓度和pH值降低时钢筋始终处于钝化状态; EDTA-4Na不能提供稳定的阻锈作用,钢筋大部分时期处于脱钝状态。     

含氯盐混凝土碳化过程钢筋锈蚀阈值与使用寿命预测

采用10倍水溶解钢筋周围混凝土粉末的方法制取混凝土孔溶液,研究了含氯盐混凝土碳化过程中使钢筋锈蚀的游离氯离子与氢氧根含量比值阈值,结果发现,置于普通硅酸盐水泥混凝土、大掺量工业废渣普通水泥混凝土及硫铝酸盐水泥混凝土使钢筋锈蚀[Cl-][OH-]阈值分别是0.386、0.348和0.138;测得的[Cl-][OH-]阈值比以往他人取得的0.60的结果低;应用[Cl-][OH-]碳化经时模型预测含氯盐混凝土使用寿命明显低于不含氯盐混凝土,其中大掺量工业废渣含氯盐水泥混凝土由于可碳化物少和碳化对游离氯离子释放双重效应使其使用寿命较普通水泥混凝土低,研究结果对大气环境下含氯盐混凝土使用寿命预测和耐久性设计具有参考意义。     

Modelling the effect of damage on transport processes in concrete

The calculation of corrosion current density, during the process of electrochemical steel corrosion in concrete, requires modelling of the following physical and electrochemical processes: transport of capillary water, oxygen and chloride through the concrete cover, immobilization of chloride in the concrete, transport of OH⁻ ions through electrolyte in concrete pores and cathodic and anodic polarization. The paper deals with a 3D numerical model for transport of capillary water, oxygen and chloride through the concrete. The model is formulated in the framework of continuum mechanics following basic principles of irreversible thermodynamics. The mechanical part of the model is based on the hygro-thermo dependent microplane model of concrete. Damage and cracking phenomena are modelled within the concept of smeared cracks (weak discontinuity). The interaction between the non-mechanical processes (distribution of temperature, capillary water, oxygen and chloride) and mechanical properties of concrete (damage) is taken into account. The strong and weak formulations of the model and the implementation into a 3D finite element code are discussed. The formulation is restricted to the processes leading to depassivation of reinforcement. The application of the model is illustrated on a numerical example in which the transient 3D finite element analysis of RC slab is carried out to investigate the influence of damage of concrete on depassivation time of reinforcement. In the analysis, the undamaged and damaged parts of previously loaded RC slabs are exposed to the aggressive influence of seawater. Due to external load, the RC slab was partly cracked before the exposure to seawater. Consequently, the damaged part of the slab exhibits a much shorter depassivation time than the undamaged part. This is due to the cracking of concrete, which significantly accelerates processes that are relevant for depassivation of reinforcement. It is shown that depassivation in the cracked concrete is reached almost immediately after the attack of chlorides. The numerical results are in good agreement with the available experimental observations.     

海洋工程混凝土耐久性研究

深入了解造成混凝土结构使用寿命缩短的原因,通过研究混凝土构件可靠度分析方法,对混凝土进行了配合比设计,试验结果表明掺人聚丙烯腈纤维比掺引气剂具有更好地提高混凝土冻融耐久性的作用.将混凝土表面氯离子浓度,保护层厚度和扩散系数作为随机变量,根据传统Fick第二定律建立了混凝土保护层中氯离子浓度的随机模型,基于体积稳定性设计的混凝土并掺人少量聚丙烯腈纤维后的混凝土显示了优良的抗氯离子渗透能力,从而提出了海洋环境下混凝土结构耐久性寿命评估的方法.     

海港码头混凝土表面氯离子随高度变化规律

海水中氯离子的侵蚀是影响钢筋混凝土结构在海洋环境中耐久性的一个重要的因素,而混凝土表面氯离子浓度是研究氯离子侵蚀的重要指标之一。由于混凝土结构沿海拔不同高度的服役环境不同,表面氯离子浓度随高程是变化的,但其分布存在一定的规律。根据浙江东部沿海地区某混凝土码头结构表面氯离子浓度的实测数据,通过数据统计分析,提出表面氯离子浓度随高度呈单峰高斯分布的规律;通过建立BP神经网络预测模型,验证其高斯分布规律假设的合理性。在对浙东沿海某混凝土码头及日本不同海域混凝土码头的表面氯离子浓度实测数据进行概率统计分析后,得到沿海混凝土结构的最严重氯离子侵蚀区域为海拔在0.4～1.6m,其海水浸润时间比为0.285～0.478,应重点加强该区域结构的抗氯侵蚀能力。最后,通过对实测数据的归一化处理,建立了基于高斯函数的海港码头混凝土表面氯离子浓度的高度影响系数和海水浸润时间比影响系数经验表达式。     

Effect of W/C ratio on covering depth of fly ash concrete in marine environment

This investigation studied the effect of W/C ratio on covering depth required against the corrosion of embedded steel of fly ash concrete in marine environment up to 4-year exposure. Fly ash was used to partially replace Portland cement type I at 0%, 15%, 25%, 35%, and 50% by weight of cementitious material. Water to cementitious material ratios (W/C) of fly ash concretes were varied at 0.45, 0.55, and 0.65. The 200-mm concrete cube specimens were cast and steel bars with 12-mm diameter and 50 mm in length were inserted in the concrete with the covering depth of 10, 20, 50, and 75 mm. The specimens were cured in water for 28 days, and then placed to the tidal zone of marine environment in the Gulf of Thailand. Subsequently, the concrete specimens were tested for the compressive strength, chloride penetration profile and corrosion of embedded steel bar after being exposed to tidal zone for 2, 3, and 4 years. The results showed that the concrete mixed with Portland cement type I exhibited higher rate of the chloride penetration than the fly ash concrete. The chloride penetration of fly ash concrete was comparatively low and decreased with the increasing of fly ash content. The increase of fly ash replacement and the decrease of W/C ratio could reduce the covering depth required for the initial corrosion of the steel bar. Interestingly, fly ash concretes with 35% and 50% cement replacement and having W/C ratio of 0.65 provided better corrosion resistance at 4-year exposure than the control concrete with W/C ratio of 0.45. In addition, the covering depth of concrete with compressive strength of 30 MPa (W/C ratio of 0.65) could be reduced from 50 to 30 mm by the addition of fly ash up to 50%.