复合阻锈剂对钢筋混凝土性能的影响探讨

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论文字数:35822 论文编号:sb2021052610222235777 日期:2021-06-23 来源:硕博论文网
本文根据之前课题组研究成果的基础上,对复配阻锈剂加以改进后将复合阻锈剂应用于砂浆中,通过分析其适应性及相关性能。最终将复合阻锈剂应用于混凝土中,分析复合阻锈剂对混凝土工作性能、强度及混凝土中钢筋的阻锈效果。

1 绪论

1.1 课题研究的背景和意义
在古代,混凝土就已经出现在人们的日常生活中,当初的胶凝材料为黏土、石灰、石膏等[1]。直到 19 世纪中叶,混凝土被法国人约泽夫发现后,由于其生产工艺、价格、性能的优越性,迅速发展最终大量应用于建筑工程中[2]。由于混凝土抗拉性能弱、抗压能力强,为了更好的发挥混凝土的性能,将钢筋与混凝土进行结合。钢筋混凝土具有良好的抗拉抗压能力同时具有取材容易、造价低、稳定性好等优势,被广泛应用于水利、沿海港口等基础设施的建设[3,4]。随着时间的推移建筑物逐渐退化和不同建筑物所处的环境不同,钢筋混凝土达到设计使用年限并非易事。耐久性问题一直是影响结构使用寿命的一个严重问题。
钢筋混凝土的耐久性不足问题已经成为世界性难题[5,6]。如 20 世纪 80 年代柏林议会大厅的倒塌事故、2000 年美国北卡罗来纳州高速公路坍塌、2007 年明尼苏达州35 号公路桥坍塌、1983 年日本横滨港山下码头的栈桥因发生集体损坏而坍塌等工程事故,均用生命的代价为我们敲响了[7]腐蚀检测研究的警钟。同时通过调查发现[2],在美国因冬季负温撒除冰盐和融雪剂导致钢筋发生腐蚀破坏的公路桥就占 1/4,达到了 130000 座。在英国国内,有大约四分之三的桥梁正受到氯离子的侵害,累计发生的维修费用已占到建造成本的 200%[3]。著名的日本新干线,由于不良的环境因素,建造完成不到 10 年,就发现混凝土大面积开裂、引发钢筋锈蚀使得结构发生承载力丧失的状况[8]。同样在我国沿海地区也发生了不同程度的损坏,如建设于 1993 年的海燕大桥混凝土保护层出现了剥离、脱落现象,部分部位钢筋锈蚀严重,有关部门事后对其进行拆除重建[9],见图 1.1。2002 年温州市灵昆大桥其桥墩内钢筋锈蚀程度严重,出现了混凝土脱落、钢筋外露现象[10]。截止 2005 年,我国钢筋混凝土结构桥梁出现了近 13.4%的桥梁因被破坏必须进行维护,每年维护费用高达 18 亿之多[11]。而对于我国盐湖地区混凝土结构损伤研究较少[12],如乔宏霞[13]等人研究镁水泥钢筋混凝土在格尔木盐湖地区进行现场暴露试验,结果表明镁水泥混凝土具有很好的抗腐蚀性能,为其在盐湖地区的实际使用提供了依据。余红发[14]等人通过分析盐湖地区卤水组分的含量,后将制备的 C20、C40 混凝土在卤水环境中侵蚀与青海盐湖地区的钢筋混凝土结构进行拟合对比,发现预测值与实测值较接近并对盐湖地区混凝土的实际使用寿命进行预测。在地处北部内陆地区的内蒙古,气候条件十分严酷,夏季炎热,冬季干冷,温度变化大,降水量少,蒸发量大,紫外线辐射强,风速高,空气干燥,相对湿度低,有干冷、干热等气候特点[15]。尤其以内蒙古吉兰泰盐湖(见图 1.2)为例,吉兰泰盐湖是我国内陆中型盐湖之一。盐湖面积 120 平方公里,四面被戈壁草原、沙丘环绕。吉兰泰镇地处亚欧大陆腹地,属于典型的温带干旱区,其气候特征为冬寒而长、夏热而短、风沙大、日温差大、降水量少、蒸发量大[16],沿线土质、水质含有较高的 CL-、Na+、SO42-以及少量的 Mg2+、Ca2+、CO32-等。
图 1.1 大桥桥墩腐蚀图 图 1.2 吉兰泰盐湖实景图
图 1.1 大桥桥墩腐蚀图 图 1.2 吉兰泰盐湖实景图
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1.2 钢筋锈蚀的研究现状
目前,国内外关于钢筋锈蚀的研究比较深入,了解钢筋锈蚀的过程及机理是研究者进一步研究提升钢筋混凝土耐久性的基础,针对性提出解决措施达到既高效实用目的又具有经济效益。
1.2.1 钢筋锈蚀的机理
混凝土中水泥水化形成大量 Ca(OH)2且其溶解度低,使混凝土孔隙液中 Ca(OH)2含量高,最终造成混凝土是一种强碱性物质[2]。在碱性环境下,钢筋表面会很快形成一层密实的钝化膜防止钢筋锈蚀。其中钝化膜的内层成分主要为 Fe3O4[19];外层成分主要为γ-FeOOH和Ca(OH)2[6,20]。由于钢筋表面致密钝化膜的完整性,即使外界H2O、O2含量满足锈蚀条件也难以使钢筋锈蚀。然而实际环境条件下除了 O2、H2O 外还有酸性气体的作用[21],日积月累的侵蚀使混凝土碱性逐渐降低。钢筋表面形成的钝化膜被破坏,在 H2O、O2等条件下钢筋发生锈蚀。随着钢筋锈蚀产物不断积聚并向四周发生膨胀,而锈蚀钢筋周围混凝土限制其膨胀[22],结果使混凝土与钢筋间的黏结力下降,混凝土出现顺筋破坏为外界 CL-、O2、H2O 的进入提供了更加便捷通道。
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2 试验材料及仪器设备

2.1 试验原材料
本试验所用原材料包括水泥、标准砂、细集料、粗集料、阻锈剂(醇胺类阻锈剂、亚硝酸钙)、水、减水剂、化学试剂、导线、PVC 管、钢筋(HPB235、HPB300、HRB400)、环氧树脂、金相砂纸、不锈钢网片、化学试剂等,下面对原材料相关参数进行简要介绍。
(1)水泥
试验所用水泥为蒙西 P·O42.5 水泥,水泥的物理化学性质见表 2.1、表 2.2 所示;
表 2.1 水泥物理性质
表 2.1 水泥物理性质
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2.2 试验配合比及试验仪器
2.2.1 混凝土配合比
混凝土采用 W/C=0.53,砂率为 44%,其中阻锈剂掺量以水泥用量计算。详细配合比见表 2.9.
表 2.9 混凝土配合比
表 2.9 混凝土配合比
混凝土抗压强度采用100mm×100mm×100mm非标准试模,尺寸换算系数为0.95;通电加速锈蚀试模尺寸为 150mm×150mm×300mm,浇筑试模前先安装好酸洗后打磨至光亮的 HRB400 钢筋。
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3 阻锈剂对砂浆性能的影响 ............................... 17
3.1 试验方法 ......................................... 17
3.2 醇胺类阻锈剂对砂浆性能的影响 ...................... 18
4 复合阻锈剂对砂浆中钢筋交流阻抗谱影响 .............................. 27
4.1 试验方法 ................................... 27
4.1.1 钢筋交流阻抗谱测试 ..................... 27
4.1.2 钢筋表面微观形貌 ....................... 28
5 不同阻锈剂对水泥基材料阻锈机理的研究 .......................... 40
5.1 试验方法............................... 40
5.1.1 干燥-饱水称重法 ............................... 40
5.1.2 微观试验 ............................. 41

6 复合阻锈剂对混凝土性能的影响

6.1.1 氯盐-干湿循环试验
钢板片(A3 碳素钢)处理[73]:
除油:首先用棉纱粗除油然后在化学丙酮中用脱脂棉擦洗 2 遍,冷风吹干;
打磨:将除油后的钢板片依次用水磨石砂纸逐级打磨至 1500#;
清洗:首先在盛有蒸馏水的搪瓷盆中,用脱脂棉擦洗 2 遍,再用蒸馏水清洗 放入无水乙醇中并用脱脂棉擦洗 置于滤纸上,冷风吹干 滤纸包好,置于干燥器内24h后称量待用;干湿循环试验:
将处理好待用的 1、2、3 号钢板片分别置于不添加阻锈剂、添加 1.2%亚硝酸钙、添加 1.0%复合阻锈剂(1:1)的盐溶液(将 3g Ca(OH)2、17.5gNaCL 用蒸馏水稀释至500g)中,然后借助 JJX 型便携式浸泡仪进行氯盐-干湿循环试验。其中试验温度、湿度分别为 25±1℃、78±5%条件下进行干湿循环试验,干湿循环时间周期为浸泡 0.5h、干燥 1h 为一个循环周期,循环 50 次后进行宏观外貌观察和质量损失测定。
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7 结论与展望

7.1 结论
本文针对内蒙古吉兰泰地区受盐湖影响的钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀的问题,自主研制一种有机(醇胺类)阻锈剂与无机(亚硝酸钙)阻锈剂复配的阻锈剂,借助钢筋电极电位法、电化学阻抗谱法测试其对钢筋的阻锈效果,采用 SEM、EDS、XRD及软硬酸碱理论分析阻锈剂的阻锈机理。为该复合阻锈剂在盐湖地区的应用提供一定的理论依据,具体研究结果如下:
(1)醇胺类阻锈剂掺量为 0.8%,亚硝酸钙掺量为 0.5~2.0%,其各自 28d 砂浆中钢筋电极电位 30min 后较稳定且高于 400mV 且各龄期抗压强度满足规范 95%要求。
(2)在醇胺类:亚硝酸钙=1:1 情况下,28d 砂浆中钢筋电极电位 30min 后较稳定,约为 800mV,同时测定的电化学交流阻抗谱阻抗最大,说明该复配比例很好地抑制了钢筋的锈蚀,具有较好的阻锈效果。
(3)保护层厚度对延缓钢筋的锈蚀有很大作用,随着砂浆保护层厚度的增大,氯离子到达钢筋表面的时间逐渐延长,延缓了钢筋锈蚀的发生。同时发现增大砂浆保护层厚度且添加复合阻锈剂更加显著地保护了钢筋,抑制了钢筋锈蚀的发生,如 F12组电荷转移电阻最大约为 5.86×106Ω·cm2。
(4)对比不同阻锈剂对钢筋的阻锈机理发现:1)醇胺类阻锈剂在钢筋表面形成一层憎水性钝化膜且促进了水泥基材料的水化;2)亚硝酸钙在钢筋表面氧化形成一层钙层沉淀膜同时增大了水泥基材料中 Ca2+浓度进一步加快了 C3S 的水化进程,生成更多的 C-S-H 凝胶;3)复合阻锈剂(1:1)在钢筋表面形成一层致密的钝化膜且通过分析发现掺入复合阻锈剂的水泥基材料对氯离子的固化能力有所增强。
(5)将 1.0%复合阻锈剂掺入到混凝土中,其和易性满足实际施工要求同时其抗压强度最大。借助 MS-DP 直流稳压稳流开关电源加速氯离子侵蚀试验说明,添加1.0%复合阻锈剂组对钢筋阻锈效果最好。
参考文献(略)

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