电化学除氯对混凝土性能影响规律的研究

论文摘要

钢筋锈蚀是目前导致混凝土结构耐久性降低和工作失效的主要原因,由此造成的直接和间接经济损失相当巨大。引起混凝土钢筋锈蚀的原因有多方面,从目前工程破坏事例统计,各种氯盐的侵入是引起钢筋锈蚀的最主要原因。采用电化学方法可以在无需破坏原混凝土结构保护层的条件下使侵入混凝土保护层的氯盐排出,从而实现对受氯盐污染的钢筋混凝土结构进行无损、低成本、快速修复,此技术已在国外发达国家得到一定工程应用。本文实验采用自行研制的电化学除氯装置,对水灰比分别为0.45、0.38、0.32的不同水灰比混凝土,掺硅灰5%和10%、掺粉煤灰10%和20%、掺矿渣20%和40%等不同矿物掺合料的混凝土进行电化学除氯处理,同时考虑不同含盐量和不同氯离子引入方式等的影响,研究这些因素对混凝土电化学除氯效率以及对除氯后残留离子分布的影响规律。研究不同电压（20V、40V、60V）、不同电解质溶液（0.1mol/L Na3BO3溶液、饱和Ca（OH）2溶液、自来水）等电化学参数对电化学除氯效率以及对除氯后残留离子分布的影响规律。同时采用半电池电位法、电流阶跃法和线性极化法对电化学除氯过程中的钢筋自然电位、钢筋腐蚀电流以及混凝土电阻的变化情况进行了跟踪研究;最后,采用扫描电镜对除氯前及除氯后水泥水化产物形貌进行了观察,采用压汞仪对除氯前后混凝土的孔结构进行了测试,揭示电化学除氯对混凝土微观结构的影响。研究结果表明:混凝土水灰比、矿物掺合料、引入氯盐方式、试件龄期、电解质溶液种类、通电电压等对电化学除氯过程中氯离子的排出量均有很大的影响。随着水灰比的增大,氯离子排出量增加;矿物掺合料的加入,增加了混凝土的密实度,影响了氯离子的排出;氯离子引入方式相同时,氯离子含量（浓度）越高,通电量和氯离子排量越多;施加的电压越高,混凝土的初期氯盐排除率越高,但在14d后电压对除氯量的影响不大。使用不同电解质,除氯效率优劣次序为:0.1mol/L的Na3BO3溶液>饱和Ca（OH）2溶液>自来水。在外加电场作用下混凝土内部阴阳离子发生明显的迁移和聚集现象,电化学除氯后的混凝土试件外层Cl-含量是钢筋附近含量的23.5倍,钢筋附近的K+含量最高能达到外层的25倍,Na+含量最高达到外层的35倍,且这种内外层的离子浓度差随外加电压的提高、电解质电解能力的提高而增加。在除氯前,W/C越大的混凝土钢筋自然电位越小、钢筋腐蚀电流越大、混凝土电阻越小;几种矿物掺合料的加入,均使钢筋自然电位正移;掺入粉煤灰越多,钢筋腐蚀电流越大,混凝土电阻无明显变化;掺硅灰或矿渣使钢筋腐蚀电流减小、混凝土电阻变大;掺盐量越多或浸泡盐溶液浓度越高时,混凝土试件中的钢筋自然电位越小、钢筋腐蚀电流越大、混凝土电阻越大;养护龄期越长时,混凝土中钢筋自然电位值越高、钢筋腐蚀电流越小、混凝土电阻越大。在除氯过程中,所有混凝土试件的钢筋自然电位显著负移至-1V左右,然后自然电位基本保持不变。随着电化学除氯时间的延长,所有试件的钢筋腐蚀电流不断增大;持续通电14d之后,钢筋腐蚀电流基本稳定。水灰比越大,腐蚀电流增长越快;掺粉煤灰使钢筋腐蚀电流增长速率加快,掺硅灰和矿渣使钢筋腐蚀电流增长速率减小或接近于基准混凝土。28d龄期混凝土电阻率随着电化学除氯发生不同程度的增大;W/C越小,混凝土电阻增长越快;掺硅灰和矿渣混凝土最终的电阻率明显大于基准混凝土,掺粉煤灰混凝土最终电阻率与基准混凝土接近。电化学除氯使Na+、K+离子在钢筋附近聚集,从而造成钢筋附近混凝土水化产物的软化、钢筋混凝土界面区域含水量增大,造成钢筋与混凝土之间的润滑能力增强,最终导致了电化学除氯后光面钢筋与混凝土之间的粘结力降低超过60%;同时,电化学除氯时间越长、电解质电解能力越高,除氯后钢筋与混凝土之间的粘结力损失率越大。电化学除氯使混凝土中不同深度处的水泥水化产物形貌、孔隙结构发生了变化,经过电化学除氯处理的混凝土试件中钢筋附近区域的混凝土的孔隙率和小孔数量增多,部分水化产物分解;外层混凝土水化产物仍呈网络状,孔径细化,结构致密;同时,孔隙中形成一些针状和粒状结晶物,一定程度上提高了混凝土抵抗外界介质渗透能力和耐久性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 钢筋腐蚀的电化学本质
• 1.2.1 钢筋表面钝化膜的破坏
• 1.2.2 活化态钢筋腐蚀的电化学机理
• 1.2.3 氯离子诱导的钢筋锈蚀机理
• 1.3 电化学除氯技术及发展现状
• 1.3.1 电化学除氯原理
• 1.3.2 除氯装置的选择
• 1.3.3 电化学除氯效率
• 1.3.4 除氯对微观结构的影响
• 1.3.5 除氯对钢筋-混凝土粘结力的影响
• 1.4 本课题的研究内容
• 第2章 原材料及实验方案
• 2.1 原材料
• 2.1.1 胶凝材料
• 2.1.2 骨料
• 2.1.3 其它材料
• 2.2 混凝土试样制备
• 2.2.1 混凝土配合比设计
• 2.2.2 试件成型及养护
• 2.3 试验方法
• 2.3.1 混凝土抗压强度与抗渗性测量
• 2.3.2 混凝土电化学除氯
• 2.3.3 电化学除氯后混凝土残留离子分布测试
• 2.3.4 混凝土微观形貌检测
• 2.3.5 孔隙率的测量
• 2.3.6 混凝土体系电化学参数测定方法
• 2.4 本章小结
• 第3章 氯离子排出量试验研究
• 3.1 引言
• 3.2 混凝土配合比对氯离子排出量的影响
• 3.2.1 不同水灰比混凝土
• 3.2.2 不同矿物掺合料混凝土
• 3.2.3 不同氯离子掺量和不同引入方式混凝土
• 3.3 施加电压对氯离子排出量的影响
• 3.4 电解质溶液对氯离子排出量的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 除氯后混凝土中残留离子分布
• 4.1 引言
• 4.2 残留氯离子分布
• 4.2.1 矿物掺合料的影响
• 4.2.2 施加电压影响
• 4.2.3 电解质溶液的影响
• 4.3 残留钠离子分布
• 4.3.1 施加电压的影响
• 4.3.2 电解质溶液的影响
• 4.4 残留钾离子分布
• 4.4.1 施加电压的影响
• 4.4.2 电解质溶液的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 电化学除氯对电化学参数及钢筋混凝土粘结力的影响
• 5.1 引言
• 5.2 电化学除氯对钢筋自然电位的影响
• 5.2.1 不同W/C混凝土
• 5.2.2 不同矿物掺合料混凝土
• 5.2.3 不同氯离子含量和引入方式混凝土
• 5.2.4 不同龄期混凝土
• 5.3 电化学除氯对钢筋腐蚀电流的影响
• 5.3.1 不同W/C混凝土
• 5.3.2 不同矿物掺合料混凝土
• 5.3.3 不同氯离子含量和引入方式混凝土
• 5.3.4 不同龄期混凝土
• 5.4 电化学除氯对混凝土电阻的影响
• 5.4.1 不同W/C混凝土
• 5.4.2 不同矿物掺合料混凝土
• 5.4.3 不同氯离子含量和引入方式混凝土
• 5.4.4 不同龄期混凝土
• 5.5 电化学除氯对混凝土钢筋粘结力的影响
• 5.5.1 试验结果分析
• 5.5.2 作用机理分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 电化学除氯对混凝土微观结构的影响
• 6.1 引言
• 6.2 孔隙结构变化
• 6.3 显微结构变化
• 6.3.1 电解质溶液的影响
• 6.3.2 水灰比的影响
• 6.3.3 掺合料的影响
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历