環(huán)境作用下結(jié)構(gòu)材料的侵蝕機(jī)理2

1、2013-10-21結(jié)構(gòu)全壽命(shumng)維護(hù)第5章 環(huán)境作用(zuyng)下結(jié)構(gòu)材料的侵蝕機(jī)理共九十頁(yè)5.1 結(jié)構(gòu)耐久性病害(bnghi)與環(huán)境作用調(diào)查5.2混凝土碳化機(jī)理與預(yù)測(cè)5.3 混凝土中的氯離子侵蝕機(jī)理與預(yù)測(cè)5.4 混凝土中的鋼筋銹蝕機(jī)理與預(yù)測(cè)5.5 鋼材銹蝕機(jī)理與預(yù)測(cè)5.6 思考題第5章 環(huán)境(hunjng)作用下結(jié)構(gòu)材料的侵蝕機(jī)理共九十頁(yè)5.3 混凝土中的氯離子侵蝕(qnsh)機(jī)理與預(yù)測(cè)海洋環(huán)境(hi yn hun jn)潮差區(qū)海水全浸區(qū)海水潮差區(qū)海水浪濺區(qū)平均低潮位平均高潮位海底底面海泥區(qū)影響腐蝕性的因素有海鹽含量、濕度、風(fēng)速、雨量、溫度、太陽(yáng)輻射等海水大氣區(qū)潮濕、充分充氣

2、的表面海水飛濺，無(wú)海生物污損周期沉浸，供氧充分，有海生物污損淺海區(qū)：海水通常為氧飽和 影響因素有海生物污損、海水流速、水溫等。往往存在細(xì)菌，如硫酸鹽還原菌。海底沉積物的特征和性狀不同影響腐蝕性的因素有海鹽含量、太陽(yáng)輻射等深海區(qū)：氧含量不一，溫度接近0度，海水流速低，pH 值比表層低海風(fēng)帶來(lái)細(xì)小的海鹽顆粒共九十頁(yè)5.3 混凝土中的氯離子侵蝕(qnsh)機(jī)理與預(yù)測(cè)高低tw/td時(shí)間(shjin)(h)潮位(cm)tw潮差區(qū)浪濺區(qū)浸泡區(qū)濕周期潮周期：T濕周期：tw干周期：td=T- tw潮差區(qū)共九十頁(yè)5.3 混凝土中的氯離子侵蝕機(jī)理(j l)與預(yù)測(cè)除冰鹽侵蝕(qnsh)環(huán)境共九十頁(yè)5.3 混凝土中的

3、氯離子侵蝕機(jī)理(j l)與預(yù)測(cè)外滲型和內(nèi)摻型氯離子含量(hnling)內(nèi)摻型外滲型內(nèi)摻氯鹽侵蝕環(huán)境外滲化 冰 鹽海洋環(huán)境鹽湖鹽堿地工業(yè)環(huán)境海 砂海 水減水劑粉煤灰PVC受火距混凝土表面深度共九十頁(yè)5.3 混凝土中的氯離子侵蝕(qnsh)機(jī)理與預(yù)測(cè)飽和(boh)混凝土中的氯離子傳輸液相孔隙部分固相部分固相部分固態(tài)產(chǎn)物固態(tài)產(chǎn)物熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)Cl-擴(kuò)散傳輸氯離子的結(jié)合：(1)吸附于CSH凝膠和內(nèi)部孔隙表面；(2)與水化產(chǎn)物反應(yīng)生成Friedel鹽。生成Friedel鹽：Cl-的結(jié)合3CaO Al2O3 6H2O+Ca2+2Cl-+4H2O 3CaO Al2O3 CaCl2 10H2O熱量共九十頁(yè)5.3

4、 混凝土中的氯離子侵蝕(qnsh)機(jī)理與預(yù)測(cè)未飽和(boh)混凝土中的孔隙飽和(boh)狀體大氣相對(duì)濕度10%時(shí)大氣相對(duì)濕度60%時(shí)大氣相對(duì)濕度100%時(shí)未飽和混凝土孔隙中總是小孔隙達(dá)飽和，而大孔隙未飽和。共九十頁(yè)5.3 混凝土中的氯離子侵蝕(qnsh)機(jī)理與預(yù)測(cè)未飽和孔隙(kngx)中的氯離子傳輸孔隙水膜液相氣相液相孔隙固相固相固態(tài)產(chǎn)物固態(tài)產(chǎn)物熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)Cl-傳輸熱量Cl-傳輸氣態(tài)水?dāng)U散Cl-的結(jié)合共九十頁(yè)5.3 混凝土中的氯離子侵蝕機(jī)理(j l)與預(yù)測(cè)飽和(boh)孔隙中的氯離子傳輸液相孔隙部分固相部分固相部分固態(tài)產(chǎn)物固態(tài)產(chǎn)物熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)Cl-傳輸液態(tài)水傳輸氯離子的傳輸包括：(1)氯離子

5、隨液態(tài)水的流動(dòng)而運(yùn)動(dòng)的對(duì)流；(2)液態(tài)水中氯離子濃度差驅(qū)動(dòng)的分子擴(kuò)散。Cl-的結(jié)合共九十頁(yè)5.3 混凝土中的氯離子侵蝕(qnsh)機(jī)理與預(yù)測(cè)氯離子侵蝕混凝土的幾個(gè)(j )重要過(guò)程氣態(tài)水?dāng)U散液態(tài)水傳輸Cl-在孔隙水中擴(kuò)散CO2溶解氣液轉(zhuǎn)換水蒸氣壓差驅(qū)動(dòng)毛細(xì)壓力差驅(qū)動(dòng)水頭壓差驅(qū)動(dòng)濃度差驅(qū)動(dòng)熱力學(xué)平衡至鋼筋表面Cl-的電化學(xué)遷移電勢(shì)差驅(qū)動(dòng)Cl-結(jié)合物理化學(xué)結(jié)合局部酸化作用“活化鈍化”腐蝕原電池催化劑作用促成去極化Cl-隨孔隙水流動(dòng)對(duì)流作用降低混凝土電阻共九十頁(yè)5.3 混凝土中的氯離子侵蝕機(jī)理(j l)與預(yù)測(cè)混凝土中氯離子傳輸?shù)闹饕?zhyo)機(jī)制擴(kuò)散Diffusion滲透Permeation對(duì)流Co

6、nvection遷移Migration濃度梯度水壓梯度電位梯度濕度梯度氯離子傳輸共九十頁(yè)5.3 混凝土中的氯離子侵蝕(qnsh)機(jī)理與預(yù)測(cè)環(huán)境(hunjng)分類氯離子傳輸類型擴(kuò)散 腐蝕危險(xiǎn)高低低海床低潮高潮海水全浸區(qū)海水潮差區(qū)海水大氣區(qū)海水浪濺區(qū)海洋環(huán)境海洋環(huán)境不同部位的腐蝕危險(xiǎn)性毛細(xì)吸附毛細(xì)吸附共九十頁(yè)5.3 混凝土中的氯離子侵蝕機(jī)理(j l)與預(yù)測(cè) 相對(duì)濕度(xingdu shd)對(duì)氯離子侵蝕速度的影響固態(tài)產(chǎn)物固態(tài)產(chǎn)物孔隙相對(duì)濕度過(guò)高或潮濕環(huán)境相對(duì)濕度過(guò)低或干燥環(huán)境固相固相固態(tài)產(chǎn)物固態(tài)產(chǎn)物孔隙固相固相水膜厚水膜薄擴(kuò)散系數(shù)與相對(duì)濕度的關(guān)系共九十頁(yè)5.3 混凝土中的氯離子侵蝕機(jī)理(j l)與

7、預(yù)測(cè)溫度對(duì)氯離子侵蝕(qnsh)速度的影響溫度 ，離子的擴(kuò)散速度，氯離子侵蝕速度溫度對(duì)不同膠凝材料組成混凝土表觀擴(kuò)散系數(shù)的影響共九十頁(yè)5.3 混凝土中的氯離子侵蝕(qnsh)機(jī)理與預(yù)測(cè)氯離子侵蝕速度與時(shí)間(shjin)的關(guān)系時(shí)間 ，水化程度，孔隙率 ，氯離子侵蝕速度n取0.20.3擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線（n=0.2）時(shí)間 ，孔隙吸附離子且Cl-結(jié)合量，孔隙率 ，氯離子侵蝕速度共九十頁(yè)5.3 混凝土中的氯離子侵蝕(qnsh)機(jī)理與預(yù)測(cè)混凝土表面(biomin)氯離子濃度混凝土中氯離子含量外滲型混凝土表層不同深度的氯離子含量距混凝土表面深度/mm不到6mm浸泡區(qū)：混凝土表面氯離子濃度一般與海

8、水中的氯鹽濃度接近，迅速達(dá)到最大值。大氣區(qū)：氯離子源主要是周圍的海洋大氣環(huán)境，有個(gè)累積過(guò)程，會(huì)受風(fēng)力、風(fēng)向、雨水等自然環(huán)境變化的影響。潮差區(qū)和浪濺區(qū)：氯離子源來(lái)源于波浪或噴沫，隨著波浪而周期性變化。CsCs 表層氯離子含量實(shí)測(cè)值實(shí)測(cè)氯離子含量共九十頁(yè)5.3 混凝土中的氯離子侵蝕(qnsh)機(jī)理與預(yù)測(cè)飽和(boh)混凝土中氯離子侵蝕深度的預(yù)測(cè)假定1 混凝土混凝土為半無(wú)限大（一維）的各向同性均質(zhì)材料?；炯俣ǎ杭俣? 擴(kuò)散是混凝土中氯離子傳輸?shù)奈ㄒ环绞?。假? 氯離子不與混凝土發(fā)生物理化學(xué)結(jié)合。假定4 混凝土中的氯離子擴(kuò)散系數(shù)為不隨時(shí)間變化的常數(shù)。假定5 混凝土表面氯離子含量為不隨時(shí)間變化的常數(shù)。

9、共九十頁(yè)5.3 混凝土中的氯離子侵蝕(qnsh)機(jī)理與預(yù)測(cè) Fick第二(d r)定律 xJxJx+x根據(jù)質(zhì)量守恒， x長(zhǎng)度微元體質(zhì)量改變量m為當(dāng) x0且 t0時(shí)截面積為A x長(zhǎng)微元體擴(kuò)散系數(shù)，為常數(shù)假定1假定2假定3假定4式(5.3.1)共九十頁(yè)5.3 混凝土中的氯離子侵蝕(qnsh)機(jī)理與預(yù)測(cè)飽和(boh)混凝土中氯離子傳輸?shù)念A(yù)測(cè)初始條件邊界條件erf( )為誤差函數(shù)假定5求解式(5.3.1)得t時(shí)刻x深度處的氯離子濃度C(x, t)：假定4表觀擴(kuò)散系數(shù)，為常數(shù)內(nèi)部氯離子初始含量表面氯離子含量(計(jì)算值)，常量表面氯離子含量計(jì)算值式(5.3.2)式(5.3.3)當(dāng)C0=0時(shí)：共九十頁(yè)5.3

10、混凝土中的氯離子侵蝕機(jī)理(j l)與預(yù)測(cè)飽和(boh)混凝土中氯離子傳輸?shù)念A(yù)測(cè)混凝土中氯離子含量外滲型混凝土表層不同深度的氯離子含量距混凝土表面深度/mmCsCsaCs 表層氯離子含量實(shí)測(cè)值實(shí)測(cè)氯離子含量Csa 表層氯離子含量表層氯離子含量Csa（計(jì)算值） VS 表層氯離子含量實(shí)測(cè)值Cs 氯離子含量理論曲線共九十頁(yè)5.3 混凝土中的氯離子侵蝕(qnsh)機(jī)理與預(yù)測(cè)混凝土臨界(ln ji)氯離子含量混凝土臨界氯離子含量：在鋼筋周圍混凝土中的氯離子含量如果恰好達(dá)到引起鋼筋去鈍化而開(kāi)始銹蝕所需的含量。臨界氯離子含量取決于：混凝土配合比、水泥中C3A含量、水泥品種、水灰比、溫濕度、鋼筋表面狀態(tài)、氯離子

11、來(lái)源等多種因素的影響。共九十頁(yè)5.3 混凝土中的氯離子侵蝕機(jī)理(j l)與預(yù)測(cè)表觀(bio un)擴(kuò)散系數(shù)的取值表觀擴(kuò)散系數(shù)（新材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)用）：齡期t0(一般為28d)混凝土用氯離子快速電遷移標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)定的擴(kuò)散系數(shù)值表觀擴(kuò)散系數(shù)（既有材料和結(jié)構(gòu)評(píng)估用） 采用氯離子含量實(shí)測(cè)曲線擬合。早期混凝土擴(kuò)散系數(shù)的修正系數(shù)常取1?；炷琉B(yǎng)護(hù)條件影響系數(shù)環(huán)境條件影響系數(shù)齡期系數(shù)式(5.3.4)共九十頁(yè)5.3 混凝土中的氯離子侵蝕機(jī)理(j l)與預(yù)測(cè)齡期(ln q)系數(shù)n的取值齡期系數(shù)n：與混凝土的材料組成、水灰比、濕度等多個(gè)因素有關(guān)。 硅酸鹽水泥粉煤灰礦渣硅粉水下區(qū)0.300.690.710.62潮汐

12、、浪濺區(qū)0.370.930.600.39大氣區(qū)0.650.660.850.79膠凝材料環(huán)境類別共九十頁(yè)5.3 混凝土中的氯離子侵蝕(qnsh)機(jī)理與預(yù)測(cè)環(huán)境(hunjng)條件影響系數(shù)ke 和混凝土養(yǎng)護(hù)條件影響系數(shù)kc膠凝材料和環(huán)境硅酸鹽水泥礦渣水中潮汐區(qū)浪濺區(qū)大氣區(qū)水中潮汐區(qū)浪濺區(qū)大氣區(qū)ke1.320.920.270.683.882.700.781.98養(yǎng)護(hù)時(shí)間13728kc2.081.5010.79環(huán)境條件影響系數(shù)ke混凝土養(yǎng)護(hù)條件影響系數(shù)kc共九十頁(yè)5.3 混凝土中的氯離子侵蝕(qnsh)機(jī)理與預(yù)測(cè)混凝土表面(biomin)氯離子含量的取值 硅酸鹽水泥粉煤灰礦渣硅粉水下區(qū)10.310.8

13、5.0612.5潮汐、浪濺區(qū)7.767.456.778.96大氣區(qū)2.574.423.053.23膠凝材料環(huán)境類別表面氯離子含量：取決于環(huán)境條件和混凝土自身特性可取值為：擬合回歸系數(shù)W/B 為水膠比擬合回歸系數(shù)Ac共九十頁(yè)5.4 混凝土中的鋼筋(gngjn)銹蝕機(jī)理與預(yù)測(cè)鋼筋銹蝕(xi sh)的起因鋼筋銹蝕裸露鋼筋混凝土中鋼筋停建工程鋼筋堆場(chǎng)外露鋼筋構(gòu)件混凝土中性化氯鹽侵蝕雜散電流內(nèi)摻外滲化冰鹽海洋環(huán)境鹽湖鹽堿地工業(yè)環(huán)境海 砂海 水減水劑粉煤灰酸性液體酸性氣體酸性固體微生物腐蝕共九十頁(yè)5.4 混凝土中的鋼筋銹蝕(xi sh)機(jī)理與預(yù)測(cè)鋼筋銹蝕(xi sh)的工程實(shí)例柳營(yíng)路某停建工程-1柳營(yíng)路某

14、停建工程-2停建的嘉裕大廈-1停建的嘉裕大廈-2共九十頁(yè)5.4 混凝土中的鋼筋銹蝕機(jī)理(j l)與預(yù)測(cè)鋼筋銹蝕(xi sh)的工程實(shí)例外灘18號(hào)立面板底鋼筋銹蝕、保護(hù)層脫落板底鋼筋銹蝕、銹跡基礎(chǔ)梁鋼筋銹脹、外露共九十頁(yè)5.4 混凝土中的鋼筋(gngjn)銹蝕機(jī)理與預(yù)測(cè)鋼筋(gngjn)銹蝕的工程實(shí)例板底鋼筋銹蝕 保護(hù)層脫落柱鋼筋銹蝕樓梯梁角部鋼筋銹脹開(kāi)裂窗過(guò)梁鋼筋銹蝕外露斜土路洋房共九十頁(yè)5.4 混凝土中的鋼筋銹蝕(xi sh)機(jī)理與預(yù)測(cè)鋼筋(gngjn)銹蝕的工程實(shí)例藝豐花園柱鋼筋銹蝕梁鋼筋銹蝕梁鋼筋銹蝕板鋼筋銹蝕板鋼筋銹蝕共九十頁(yè)5.4 混凝土中的鋼筋(gngjn)銹蝕機(jī)理與預(yù)測(cè)鋼筋銹蝕的

15、工程(gngchng)實(shí)例現(xiàn)澆板鋼筋銹蝕預(yù)制板鋼筋銹蝕梁內(nèi)鋼筋銹蝕柱內(nèi)鋼筋銹蝕墻內(nèi)鋼筋銹蝕蘇州陽(yáng)明山大酒店共九十頁(yè)5.4 混凝土中的鋼筋(gngjn)銹蝕機(jī)理與預(yù)測(cè)鋼筋銹蝕的工程(gngchng)實(shí)例石塘中學(xué)梁銹蝕之一石塘中學(xué)梁銹蝕之二高安大樓梁銹蝕之一高安大樓梁銹蝕之二共九十頁(yè)5.4 混凝土中的鋼筋(gngjn)銹蝕機(jī)理與預(yù)測(cè)工程(gngchng)現(xiàn)象總結(jié)（1）梁柱構(gòu)件中角部較一般部位容易發(fā)生銹脹開(kāi)裂（2）梁柱構(gòu)件中箍筋先于縱筋銹脹開(kāi)裂，且箍筋容易發(fā)生 保護(hù)層脫落現(xiàn)象（3）樓板鋼筋銹蝕會(huì)發(fā)生保護(hù)層整體脫落現(xiàn)象（4）梁中鋼筋銹蝕沿梁跨不均勻分布（5）不同環(huán)境下（碳化、氯鹽）的鋼筋銹蝕形態(tài)不同（

16、6）銹后鋼筋截面往往不再是圓形 上述現(xiàn)象是否具有普遍性？如何解釋上述現(xiàn)象的發(fā)生？共九十頁(yè)5.4 混凝土中的鋼筋銹蝕機(jī)理(j l)與預(yù)測(cè)混凝土中鋼筋(gngjn)鈍化膜破壞的機(jī)理（1）混凝土的保護(hù)作用（鈍化膜） 新鮮混凝土pH值達(dá)13，鋼筋處于高堿性環(huán)境，表面生成 26nm厚致密的水化氧化膜。 （2）中性化破壞鈍化膜 中性化反應(yīng)使混凝土pH值降低 pH值下降到11.5左右，鈍化膜趨于不穩(wěn)定 pH值下降到910時(shí)，鈍化膜作用完全破壞（3）氯離子破壞鈍化膜 Cl-具有很強(qiáng)的穿透氧化膜能力，在氧化膜內(nèi)層形成易溶FeCl2 使氧化膜溶解 共九十頁(yè)混凝土中鋼筋銹蝕(xi sh)的電化學(xué)機(jī)理5.4 混凝土中

17、的鋼筋銹蝕(xi sh)機(jī)理與預(yù)測(cè)稀H2SO4溶液鐵棒鋅棒共九十頁(yè)5.4 混凝土中的鋼筋銹蝕機(jī)理(j l)與預(yù)測(cè)混凝土中鋼筋銹蝕(xi sh)的電化學(xué)機(jī)理陰極H2OOH-e-O2混凝土鋼筋混凝土 鋼筋銹蝕的模擬電路大氣環(huán)境UeRstRcReRa鋼筋銹蝕電化學(xué)原理示意混凝土鋼筋混凝土 大氣環(huán)境陽(yáng)極Fe2+陰極反應(yīng)過(guò)程： O2+2H2O+4e-4OH- 陽(yáng)極反應(yīng)過(guò)程：FeFe2+2e- 電子傳輸過(guò)程：陽(yáng)極區(qū)釋放的電子通過(guò)鋼筋向陰極區(qū)傳送共九十頁(yè)5.4 混凝土中的鋼筋(gngjn)銹蝕機(jī)理與預(yù)測(cè)混凝土中鋼筋銹蝕(xi sh)的電化學(xué)機(jī)理（4）腐蝕產(chǎn)物生成過(guò)程： Fe2+2OH-Fe(OH)2 （白銹

18、，3.8） 4Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3 （褐銹,4.2；吸水變黃銹,6.4） 2Fe(OH)3Fe2O3+3H2O （紅銹,3.2） 6Fe(OH)2+O22Fe3O4+6H2O （黑銹，2.1）FeFeOFe3O4Fe2O3Fe(OH)2Fe(OH)3Fe(OH)3 3H2O0123456712.13.23.84.26.4體積(cm3)共九十頁(yè)5.4 混凝土中的鋼筋(gngjn)銹蝕機(jī)理與預(yù)測(cè)混凝土中鋼筋銹蝕(xi sh)的電化學(xué)機(jī)理混凝土中鋼筋銹蝕的發(fā)生必須具備三個(gè)條件：(1) 鋼筋表面存在電位差，構(gòu)成腐蝕電池；(2) 鋼筋表面鈍化膜遭到破壞，處于活化狀態(tài)；(3) 鋼

19、筋表面有電化學(xué)反應(yīng)和離子擴(kuò)散所需的水和氧氣。周圍環(huán)境中氧氣擴(kuò)散到鋼筋附近，除參與陰極區(qū)的還原反應(yīng)外，還參與銹蝕產(chǎn)物的次生反應(yīng)。最終的銹蝕產(chǎn)物取決于供氧情況共九十頁(yè)5.4 混凝土中的鋼筋銹蝕機(jī)理(j l)與預(yù)測(cè)混凝土pH值對(duì)鋼筋(gngjn)銹蝕的影響pH10，pH值增大，腐蝕速度降低pH910，鋼筋完全脫鈍，銹蝕速度不再受pH值影響 pH4，析氫腐蝕，pH值降低，腐蝕速度上升2240共九十頁(yè)5.4 混凝土中的鋼筋銹蝕(xi sh)機(jī)理與預(yù)測(cè)溫度對(duì)鋼筋銹蝕(xi sh)的影響溫度不同，強(qiáng)堿環(huán)境下的拐點(diǎn)不同溫度低于10度時(shí)，腐蝕速度較慢在1060度之間時(shí)，腐蝕速度隨溫度上升而加大 溫度超過(guò)60度時(shí)

20、，溫度增大，速度下降共九十頁(yè)5.4 混凝土中的鋼筋(gngjn)銹蝕機(jī)理與預(yù)測(cè)其它因素(yn s)對(duì)鋼筋銹蝕的影響混凝土電阻抗孔隙水飽和度和相對(duì)濕度水灰比水泥品種和摻和料保護(hù)層厚度、質(zhì)量、完好性共九十頁(yè)思考題氯離子與二氧化碳?xì)怏w作為對(duì)混凝土的兩種侵蝕介質(zhì)本身存在方式有何區(qū)別？其對(duì)混凝土侵蝕作用機(jī)理又有何主要區(qū)別？對(duì)于未接觸(jich)液態(tài)水的非完全干燥的非飽和混凝土，當(dāng)混凝土內(nèi)部各處的水分含量不同時(shí)會(huì)發(fā)生傳輸，此時(shí)是否會(huì)存在毛細(xì)吸附驅(qū)動(dòng)的水分傳輸？請(qǐng)從機(jī)理上解釋。共九十頁(yè)討論(toln)：飽和混凝土中氯離子侵蝕深度的預(yù)測(cè)假定1 混凝土混凝土為半無(wú)限大（一維）的各向同性( xin tn xn)均

21、質(zhì)材料。基本假定：假定2 擴(kuò)散是混凝土中氯離子傳輸?shù)奈ㄒ环绞?。假? 氯離子不與混凝土發(fā)生物理化學(xué)結(jié)合。假定4 混凝土中的氯離子擴(kuò)散系數(shù)為不隨時(shí)間變化的常數(shù)。假定5 混凝土表面氯離子含量為不隨時(shí)間變化的常數(shù)。共九十頁(yè)孔隙(kngx)水膜液相氣相液相孔隙固相固相固態(tài)(gti)產(chǎn)物固態(tài)產(chǎn)物熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)Cl-傳輸熱量Cl-傳輸氣態(tài)水?dāng)U散Cl-的結(jié)合討論：非飽和混凝土中的氯離子傳輸共九十頁(yè)氯離子擴(kuò)散(kusn)方程水分(shufn)傳遞方程熱傳導(dǎo)方程液體滲流方程討論：非飽和混凝土中的氯離子傳輸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fick擴(kuò)散定律Fourier熱傳導(dǎo)定律Dacy定律Hook定律共九十頁(yè)水分(shufn)傳遞+

22、熱傳導(dǎo)氯離子擴(kuò)散+水分(shufn)傳遞氯離子擴(kuò)散+熱傳導(dǎo)討論：非飽和混凝土中的氯離子傳輸共九十頁(yè)水分傳遞(chund)+熱傳導(dǎo)+氯離子擴(kuò)散討論(toln)：非飽和混凝土中的氯離子傳輸共九十頁(yè) 問(wèn)題的提出：傳統(tǒng)鋼筋銹蝕理論與工程實(shí)踐的矛盾 傳統(tǒng)鋼筋銹蝕理論：鋼筋開(kāi)始銹蝕的時(shí)間為保護(hù)層 完全碳化所需的時(shí)間。 試驗(yàn)研究和工程調(diào)查：在用酚酞試劑測(cè)定的碳化深度 發(fā)展到距離鋼筋表面某個(gè)(mu )長(zhǎng)度時(shí)，鋼筋就已 開(kāi)始銹蝕，且隨碳化深度加深，鋼筋銹蝕速 度加快，直到碳化深度發(fā)展到超過(guò)鋼筋位置 某個(gè)長(zhǎng)度時(shí)，銹蝕速度才基本穩(wěn)定下來(lái)。5.4 混凝土中的鋼筋(gngjn)銹蝕機(jī)理與預(yù)測(cè)鋼筋開(kāi)始銹蝕時(shí)間的預(yù)測(cè)（一般

23、大氣環(huán)境）共九十頁(yè)5.4 混凝土中的鋼筋銹蝕(xi sh)機(jī)理與預(yù)測(cè)鋼筋開(kāi)始銹蝕(xi sh)時(shí)間的預(yù)測(cè)（一般大氣環(huán)境）譜線強(qiáng)度完全碳化CaCO3酚酞試劑無(wú)色區(qū)域酚酞試劑顯色區(qū)域Ca(OH)2距混凝土表面深度(mm)Ca(OH)2與CaCO3含量變化曲線605040302010020406080100120部分碳化區(qū) 未碳化區(qū) 問(wèn)題的解釋（1）部分碳化區(qū)的存在共九十頁(yè)5.4 混凝土中的鋼筋(gngjn)銹蝕機(jī)理與預(yù)測(cè)鋼筋開(kāi)始銹蝕時(shí)間(shjin)的預(yù)測(cè)（一般大氣環(huán)境） 問(wèn)題的解釋（2）PH值對(duì)鈍化膜的影響對(duì)混凝土中鋼筋來(lái)說(shuō)存在兩個(gè)臨界PH值：（1）PH=9，鋼筋表面的鈍化膜開(kāi)始生成，低于此值時(shí)

24、鋼筋表面不可能有鈍化膜存在，完全處于活化狀態(tài)（2）PH=11.5，鋼筋表面形成完整的鈍化膜，低于此值時(shí)鈍化膜呈不穩(wěn)定狀態(tài)；隨著PH值的降低，鈍化膜逐漸溶解、破裂直至完全破壞，鋼筋銹蝕速率加快；只有高于此臨界值時(shí)才能保證鋼筋處于完全鈍化狀態(tài)，不發(fā)生銹蝕。 共九十頁(yè)5.4 混凝土中的鋼筋銹蝕(xi sh)機(jī)理與預(yù)測(cè)鋼筋(gngjn)開(kāi)始銹蝕時(shí)間的預(yù)測(cè)（一般大氣環(huán)境） 模型的建立共九十頁(yè)5.4 混凝土中的鋼筋(gngjn)銹蝕機(jī)理與預(yù)測(cè)鋼筋開(kāi)始(kish)銹蝕時(shí)間的預(yù)測(cè)（一般大氣環(huán)境） 參數(shù)分析相對(duì)濕度越低，碳化反應(yīng)速度越低，擴(kuò)散進(jìn)去的CO2越來(lái)不及反應(yīng)，碳化反應(yīng)控制作用越顯著，部分碳化區(qū)越長(zhǎng)。部分

25、碳化區(qū)對(duì)鋼筋開(kāi)始銹蝕時(shí)間的影響不容忽視。共九十頁(yè)CO2濃度越高，碳化反應(yīng)越快，CO2擴(kuò)散也越快，前者增長(zhǎng)更明顯(mngxin)，部分碳化區(qū)越不顯著。5.4 混凝土中的鋼筋銹蝕(xi sh)機(jī)理與預(yù)測(cè)鋼筋開(kāi)始銹蝕時(shí)間的預(yù)測(cè)（一般大氣環(huán)境） 參數(shù)分析自然碳化比加速碳化試驗(yàn)中部分碳化更顯著。共九十頁(yè)5.4 混凝土中的鋼筋銹蝕機(jī)理(j l)與預(yù)測(cè)鋼筋開(kāi)始銹蝕(xi sh)時(shí)間的預(yù)測(cè)（一般大氣環(huán)境） 參數(shù)分析混凝土保護(hù)層越厚，被碳化時(shí)間越長(zhǎng)，部分碳化累積效應(yīng)越明顯。共九十頁(yè)5.4 混凝土中的鋼筋銹蝕(xi sh)機(jī)理與預(yù)測(cè)鋼筋(gngjn)開(kāi)始銹蝕時(shí)間的預(yù)測(cè)（一般大氣環(huán)境） 參數(shù)分析水泥用量越高，可碳化

26、物質(zhì)含量越高，完全碳化的時(shí)間越長(zhǎng)，部分碳化區(qū)越顯著。共九十頁(yè)5.4 混凝土中的鋼筋銹蝕機(jī)理(j l)與預(yù)測(cè)鋼筋開(kāi)始銹蝕時(shí)間的預(yù)測(cè)(yc)（一般大氣環(huán)境） 參數(shù)分析水灰比越大，CO2擴(kuò)散越快，對(duì)碳化反應(yīng)影響不大部分碳化區(qū)越不顯著。共九十頁(yè)5.4 混凝土中的鋼筋銹蝕機(jī)理(j l)與預(yù)測(cè)脹裂前鋼筋銹蝕速率(sl)的預(yù)測(cè)（一般大氣環(huán)境） 基本假定（1）混凝土碳化使鋼筋表面PH值降低是大氣環(huán)境下鋼筋脫鈍激活的唯一方式。（2）氧氣在混凝土中的擴(kuò)散遵循Fick第一定律（3）氧氣濃度在混凝土中呈線性分布 共九十頁(yè)5.4 混凝土中的鋼筋銹蝕機(jī)理(j l)與預(yù)測(cè)脹裂前鋼筋(gngjn)銹蝕速率的預(yù)測(cè)（一般大氣環(huán)境

27、） 基本假定（4）鋼筋銹蝕產(chǎn)物為Fe3O4和Fe2O3，其中Fe3O4的摩爾含量為。 Fe2+2OH-Fe(OH)2 （白銹，3.8） 4Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3 （褐銹,4.2；吸水變黃銹,6.4） 2Fe(OH)3Fe2O3+3H2O （紅銹,3.2） 6Fe(OH)2+O22Fe3O4+6H2O （黑銹，2.1）共九十頁(yè)5.4 混凝土中的鋼筋銹蝕(xi sh)機(jī)理與預(yù)測(cè)脹裂前鋼筋銹蝕(xi sh)速率的預(yù)測(cè)（一般大氣環(huán)境） 模型的建立（1）法拉第定律腐蝕電流密度（2）陰極反應(yīng)消耗的氧氣量Q1Q1Q2共九十頁(yè)單位長(zhǎng)度(chngd)鋼筋腐蝕電流單位(dnwi)長(zhǎng)度鋼筋重

28、量損失量5.4 混凝土中的鋼筋銹蝕機(jī)理與預(yù)測(cè)脹裂前鋼筋銹蝕速率的預(yù)測(cè)（一般大氣環(huán)境） 模型的建立鋼筋截面銹蝕率共九十頁(yè)5.4 混凝土中的鋼筋銹蝕(xi sh)機(jī)理與預(yù)測(cè)脹裂后鋼筋銹蝕速率的預(yù)測(cè)(yc)（一般大氣環(huán)境） 假設(shè)氧氣通過(guò)順筋裂縫到達(dá)鋼筋表面后，沿鋼筋周邊在混凝土中擴(kuò)散，并服從Fick第一定律。 PRH環(huán)境濕度修正系數(shù)，即環(huán)境相對(duì)濕度大于腐蝕臨界濕度的概率共九十頁(yè)5.4 混凝土中的鋼筋銹蝕機(jī)理(j l)與預(yù)測(cè)鋼筋銹脹損傷過(guò)程及其破壞(phui)形態(tài)混凝土鋼筋孔隙過(guò)渡區(qū)Cl- CO2 O2 H2O銹蝕產(chǎn)物VpVcrVair VpVcr鋼筋脫鈍銹蝕階段 自由膨脹階段 膨脹應(yīng)力產(chǎn)生階段 保護(hù)

29、層開(kāi)裂及裂縫發(fā)展階段 共九十頁(yè)銹損鋼筋(gngjn)體積脹裂力作用(zuyng)下混凝土變形量鋼筋周邊孔隙體積脹裂力作用下等代徑向變形孔隙區(qū)等效厚度5.4 混凝土中的鋼筋銹蝕機(jī)理與預(yù)測(cè)鋼筋銹脹損傷過(guò)程及其破壞形態(tài) 脹裂時(shí)的鋼筋銹蝕量/率共九十頁(yè)5.4 混凝土中的鋼筋(gngjn)銹蝕機(jī)理與預(yù)測(cè)鋼筋(gngjn)銹脹損傷過(guò)程及其破壞形態(tài) 脹裂時(shí)的鋼筋銹蝕量/率試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法模擬試驗(yàn)法力學(xué)分析法人工加速銹蝕試驗(yàn)長(zhǎng)期暴露試驗(yàn)彈性分析方法有限元方法均勻銹蝕模擬坑蝕模擬施加荷載施加位移溫度膨脹環(huán)共九十頁(yè)qrqrftftftCd/2Sd/2qrftftCd/245o45oqrftftCd/2d/2一般(ybn

30、)邊位置角區(qū)整體(zhngt)脫落脹裂時(shí)鋼筋銹脹力5.4 混凝土中的鋼筋銹蝕機(jī)理與預(yù)測(cè)鋼筋銹脹損傷過(guò)程及其破壞形態(tài) 脹裂時(shí)的鋼筋銹蝕量/率（Bazant 模型）共九十頁(yè)qrcdqrpp cdcqr上限 下限(xixin)脹裂時(shí)孔邊徑向(jn xin)變形5.4 混凝土中的鋼筋銹蝕機(jī)理與預(yù)測(cè)鋼筋銹脹損傷過(guò)程及其破壞形態(tài) 脹裂時(shí)的鋼筋銹蝕量/率共九十頁(yè)5.4 混凝土中的鋼筋銹蝕(xi sh)機(jī)理與預(yù)測(cè)鋼筋銹脹損傷(snshng)過(guò)程及其破壞形態(tài) 脹裂時(shí)的鋼筋銹蝕量/率脹裂時(shí)鋼筋銹蝕率（1）脹裂時(shí)截面銹蝕率： （2）脹裂時(shí)直徑銹損率： （3）脹裂時(shí)孔邊徑向變形： 一 般 邊： 角 區(qū)： 整體脫落：

31、共九十頁(yè)Bazant模型(mxng)存在的問(wèn)題： （1）未考慮銹蝕產(chǎn)物向周邊孔隙內(nèi)的擴(kuò)散(kusn)Youping Liu理論模型（2）未考慮體積膨脹力作用下銹蝕產(chǎn)物的變形金偉良理論模型（3）開(kāi)裂面位置和開(kāi)裂面應(yīng)力分布與實(shí)際不符有限元模型（4）僅適用于光圓鋼筋，不適用于變形鋼筋試驗(yàn)?zāi)Ｐ停?）僅適用于均勻銹蝕，不適用于不均勻銹蝕溫度膨脹環(huán)有限元模型（6）均布力作用下徑向變形計(jì)算為近似值有限元模型（7）銹蝕產(chǎn)物體積膨脹系數(shù)的確定鋼筋銹蝕機(jī)理研究5.4 混凝土中的鋼筋銹蝕機(jī)理與預(yù)測(cè)鋼筋銹脹損傷過(guò)程及其破壞形態(tài) 脹裂時(shí)的鋼筋銹蝕量/率共九十頁(yè)5.4 混凝土中的鋼筋(gngjn)銹蝕機(jī)理與預(yù)測(cè)鋼筋(gn

32、gjn)銹脹損傷過(guò)程及其破壞形態(tài) 脹裂寬度與鋼筋銹蝕率關(guān)系w0=0.05mmdcrc原鋼筋輪廓dcrcwdwdwdw原鋼筋輪廓共九十頁(yè)5.5 鋼材銹蝕機(jī)理(j l)與預(yù)測(cè)鋼材銹蝕的分類按作用機(jī)理分化學(xué)腐蝕：是指鋼材直接與大氣或工業(yè)廢氣中的氧氣、碳酸氣、硫酸氣或非電解質(zhì)液體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的腐蝕。電化學(xué)腐蝕：是指鋼材表面具有不同電極電位的金屬(jnsh)雜質(zhì)，在與電解質(zhì)或水、潮濕氣體接觸時(shí)，發(fā)生原電池反應(yīng)，產(chǎn)生的腐蝕。按腐蝕形態(tài)分全面腐蝕或均勻腐蝕局部腐蝕應(yīng)力作用下的腐蝕共九十頁(yè)5.5 鋼材銹蝕機(jī)理(j l)與預(yù)測(cè)腐蝕(fsh)電化學(xué)反應(yīng)陽(yáng)極氧化反應(yīng)，放出電子： FeFe2+2e- 陰極還原反

33、應(yīng)，接收電子： 析氫腐蝕：2H+2e-H2 (在含氧低的非氧化性酸中的碳鋼) 吸氧腐蝕：O2+2H2O+4e-4OH （碳鋼在大多情況下） 共九十頁(yè)5.5 鋼材銹蝕機(jī)理(j l)與預(yù)測(cè)鋼材的腐蝕(fsh)形態(tài)全面腐蝕或均勻腐蝕點(diǎn)蝕縫隙腐蝕應(yīng)力腐蝕腐蝕疲勞共九十頁(yè)5.5 鋼材銹蝕(xi sh)機(jī)理與預(yù)測(cè)點(diǎn)蝕（孔蝕/坑蝕）及形貌(xn mo)特征腐蝕集中于表面小范圍直徑小于深度孔口多數(shù)被腐蝕產(chǎn)物所覆蓋，少數(shù)呈開(kāi)放式共九十頁(yè)5.5 鋼材銹蝕(xi sh)機(jī)理與預(yù)測(cè)5.5 鋼材(gngci)銹蝕機(jī)理與預(yù)測(cè)點(diǎn)蝕系數(shù)（點(diǎn)蝕因子）表面有鈍化膜或陰極性鍍層且局部膜或鍍層破壞，或有碳鋼內(nèi)有硫化物夾雜有特殊離子的

34、介質(zhì)中（如鹵素離子在表面不均勻吸附）發(fā)生于某一臨界電位（點(diǎn)蝕電位）以上。點(diǎn)蝕系數(shù)= 最大腐蝕深度P整體平均腐蝕深度d表示點(diǎn)蝕程度的點(diǎn)蝕因子點(diǎn)蝕發(fā)生條件共九十頁(yè)5.5 鋼材銹蝕(xi sh)機(jī)理與預(yù)測(cè)點(diǎn)蝕機(jī)理(j l)在蝕孔外部O2+2H2O+4e4OH-3FeOOH+eFe3O4+H2O+OH-點(diǎn)蝕孔內(nèi)：FeFe2+2eFe2+H2OFeOH+H+MnS+2H+H2S+Mn2+點(diǎn)蝕孔口2FeOH+0.5O2+2H+2FeOH2+H2O2Fe2+0.5O2+2H+2Fe3+H2O2FeOH2+Fe2+2H2OFe3O4+6H+Fe(OH)2+OH-FeOOH+H2O氯離子半徑小，穿過(guò)鈍化膜產(chǎn)生強(qiáng)

35、烈的感應(yīng)離子導(dǎo)電維持高電流密度,并使陽(yáng)離子雜亂移動(dòng)而活躍。硫化物夾雜形成陰極并產(chǎn)生含H2S的濃酸溶液。共九十頁(yè)5.5 鋼材銹蝕(xi sh)機(jī)理與預(yù)測(cè)點(diǎn)蝕的保護(hù)(boh)控制介質(zhì)中有害離子陰極保護(hù)鈍化處理使用緩蝕劑（如不銹鋼用亞硝酸鹽、硝酸鹽、鉻酸鹽、硫酸鹽和堿等）共九十頁(yè)5.5 鋼材銹蝕(xi sh)機(jī)理與預(yù)測(cè)縫隙(fngx)腐蝕金屬結(jié)構(gòu)的連接，如鉚接、焊接、螺紋連接金屬與非金屬的連接，如金屬與塑料、橡膠、木材、織物、石棉等，以及各種法蘭盤之間的襯墊金屬表面的沉積物、附著物，如灰塵、沙粒、腐蝕產(chǎn)物的沉積等共九十頁(yè)5.5 鋼材(gngci)銹蝕機(jī)理與預(yù)測(cè)縫隙(fngx)腐蝕機(jī)理鉚接碳鋼浸入充空

36、氣的海水初期階段后期階段陽(yáng)極：FeFe2+2e陰極：O2+2H2O+4e4OH-有縫隙且寬度足夠侵蝕液進(jìn)入（敏感寬度0.025 0.1 mm）；介質(zhì)可以任何侵蝕性介質(zhì)，含氯離子溶液最易引起縫隙腐蝕；與點(diǎn)蝕相比腐蝕臨界電位低，更易發(fā)生。共九十頁(yè)5.5 鋼材銹蝕(xi sh)機(jī)理與預(yù)測(cè)影響縫隙腐蝕的因素(yn s)材料因素，如不銹鋼隨鉻、鉑、鎳含量增高耐縫隙腐蝕性能提高幾何形狀：縫隙變窄速率增大，縫隙過(guò)大不產(chǎn)生縫隙腐蝕環(huán)境因素溶液中氧濃度，越高越快溫度，80速率最大pH值，下將時(shí)增大溶液中Cl-濃度，越大越快縫隙寬度對(duì)2Cr13不銹鋼的腐蝕速率影響腐蝕速率腐蝕深度共九十頁(yè)5.5 鋼材(gngci)銹蝕機(jī)理與預(yù)測(cè)縫隙腐蝕的防護(hù)合理設(shè)計(jì)，減少搭接、連接陰極保護(hù)，必須有足夠(zgu)電流到縫隙內(nèi)合理選材共九十頁(yè)5.5 鋼材銹蝕(xi sh)機(jī)理與預(yù)測(cè)應(yīng)力腐蝕一般出現(xiàn)于局部區(qū)域破裂屬于脆