Chloride-Induced混凝土钢材腐蚀:腐蚀的氯离子扩散和预测概述起始时间

文摘

起始的钢材腐蚀钢筋混凝土(RC)结构受到氯接触主要取决于氯离子扩散系数,混凝土。因此,所需的一个关键参数预测钢筋开始腐蚀。菲克第二定律的扩散已被用于长时间得到混凝土的氯离子扩散模型。然而,这样的模型不包括各种重要因素的影响,如氯化绑定由水泥、多向入口的氯和变化随着时间的推移,由于混凝土的微观结构的变化在早期水泥水化。本文回顾了发展的氯离子扩散模型,通过融合的影响关键因素为扩散的基本菲克第二定律。确定腐蚀起始时间使用氯离子扩散模型还解释说。本文中提供的信息将有助于准确预测钢筋混凝土结构的腐蚀起始时间受到氯接触,考虑氯绑定的影响,影响的时间和空间和交互作用的多向氯入口。

1。介绍

在过去的几十年里,大量的钢筋混凝土(RC)基础设施已建成使用钢铁和混凝土。据估计,目前约20亿吨钢筋混凝土建每年(1]。但是,使用钢筋混凝土建造基础设施的恶化直接影响日常生活的安全,经济,和可持续性。混凝土生产的一个重要部分是越来越多地用于修复和康复而不是新建筑,它是社会经济负担2]。RC结构的恶化由于chloride-induced钢筋腐蚀被报道是全球一个主要耐久性问题。大量的钢筋混凝土基础设施受到钢筋腐蚀的影响,尤其是那些暴露于沿海和海洋条件。在chloride-laden环境中,昼夜和季节温度和湿度的波动开始expansion-contraction和hydration-dehydration周期的发生和传播,结果到钢筋腐蚀导致开裂,剥落,RC结构的承载能力的损失3]。

为了防止钢筋腐蚀,混凝土氯离子渗透的机制和影响它的因素应该被理解4]。与其他多孔介质的情况下,氯离子在混凝土的渗透是一个复杂的非线性动力学现象包括几个传输机制(离子扩散、毛细吸附、渗透、分散等)(5,6]。离子扩散被认为拥有最显性效应假设混凝土保护层是完全饱和7]。在饱和状态下,氯离子通过离子扩散进入混凝土由于浓度梯度之间的接触表面和混凝土内部的孔隙溶液。这个过程通常是由菲克第二定律描述的扩散8]。曲柄给这个管理偏微分方程的解决方案与半无限边界条件和假设氯离子扩散系数为常数(9]。然而,不同的研究人员报道,氯离子扩散系数随时间和空间(10]。氯化氯的影响绑定和多向入口对氯离子扩散系数也报道(9,11,12]。

氯化物扩散内部混凝土可以溶解在孔隙溶液或绑定到水泥水合物化学和物理扩散路径(9]。因此,我们可以把总氯氯化束缚和自由。这是自由氯离子扩散到钢筋和把被动层结果分为钢筋开始腐蚀(11]。氯的影响绑定在混凝土腐蚀起始是双重的:(i)混凝土中氯离子扩散的速率降低,自可移动离子的数量(自由氯)是减少由于绑定机制,(2)自由混凝土中氯化物的减少导致较低的不断累积大量的氯化物在钢筋层(13]。从理论上讲,具体的矩阵变成密度随着时间的流逝;因此,混凝土氯离子结合能力也应该提高基于同样的原理。这使我们有必要考虑氯绑定的影响随着年龄的氯离子扩散模型。

虽然许多有价值的信息对混凝土氯离子扩散已报告在过去的混凝土结构使用寿命预测的(14),这些信息大部分是基于获得的结果通过研究一维混凝土的氯离子扩散。然而,一些地区的混凝土结构在该领域(例如,棱角的梁、柱)遭受的2 d和3 d氯入口(15],结果到一个更高的扩散速率的棱角比部分混凝土构件受1 d氯扩散(16]。因此,多向氯离子扩散的影响应考虑氯离子扩散过程的造型。

本文更新概述氯离子扩散过程的以下几方面提出了混凝土结构的预测时间钢筋开始腐蚀会由更多的精确度:(我)氯的影响绑定在平原和氯离子扩散系数混合水泥混凝土(2)时间和空间的影响氯离子扩散系数(3)现有模型的预测时间开始加固钢筋混凝土结构的腐蚀考虑氯绑定的影响,时间和空间。(iv)氯离子扩散模型的效用在预测钢筋开始腐蚀。

2。氯的影响绑定在平原和氯离子扩散系数混合水泥混凝土

混凝土的氯离子扩散到被称为总氯(酸溶性)。这可以进一步分为自由(水溶性)氯和氯。自由氯,负责钢筋腐蚀(11,17]。绑定氯发生化学反应或物理吸附毛孔内与水化产品(2]。氯绑定在混凝土影响氯入口的速度,进而决定了chloride-induced腐蚀起始。孔隙溶液浓度的氯离子扩散过程的推动剂,减少由于氯绑定减少氯运输过程(18]。这不仅影响氯的氯离子扩散,但其他机制入口(氯运输流的水由于毛细管吸附,灯芯行动,渗透,等等)也影响由于绑定氯(18]。

当绑定氯的效果是,自由氯离子的浓度降低,氯离子扩散系数(同时也减少了19]。因此,扩散反应模型预测较长腐蚀起始时间比模型,不考虑氯离子扩散过程中氯绑定的影响(9]。氯绑定氯离子之间发生化学反应和C₃A、C₄房颤,水化形成的产品,结果弗里德尔盐作为反应的产物(10]。也报道,氯绑定将更高的孔隙溶液中氯离子浓度高,因为氯离子将获得更多的结合位点20.]。减少混合水泥混凝土的氯离子扩散系数在普通水泥混凝土已经报道(15]。微粒硅的10 - 20%替代水泥显示减少2到11倍比OPC混凝土氯离子扩散系数,这显著减少硅灰混凝土可能归因于微观结构的致密化的发展二级硅酸钙水合物火山灰反应的结果(2]。

它是重要的考虑氯的影响绑定以下:(1)只有自由的氯化物(水溶性氯化物)负责钢筋腐蚀(17,21](2)氯离子的化学绑定与C₃A和C₄房颤导致弗里德尔盐的形成,具有更少的多孔结构和降低氯离子的运输2](3)缺陷在氯离子的扩散和减少自由氯离子浓度附近的钢筋由于氯结合降低了腐蚀风险(2,22]。

C之间的化学反应₃A、C₄房颤和氯离子,导致弗里德尔盐的形成,是下面的: 研究的相对重要性₃A、C₄AF C₃年代,水/水泥比等等表明,C₃最主要影响在氯化绑定23]。不同的研究人员(18,23- - - - - -25)建议模型估算氯绑定等温线与C₃内容根据不同等温线(朗缪尔等温线和弗伦德里希等温线),得出的结论是,C₃一个内容,影响氯绑定能力,改变了氯离子扩散系数(10]。据报道,没有一个绑定等温线可以准确表达自由和必然的关系完整的浓度范围内氯(14]。

3所示。时间和空间的影响氯离子扩散系数

混凝土的毛细管孔隙结构主要取决于水/水泥比率、水化程度、类型的水泥,等等。混凝土的微观结构也随着时间的变化在不同的位置。因此,氯离子浓度和氯离子扩散系数随时间和空间(9]。氯离子扩散系数随时间减少,因为毛细管孔隙结构改变是由于水化的不断形成产品(26,27]。数据1和2显示示意图氯离子浓度的关系,年龄,和深度随着化学的进步和水化反应(7]。

如图1在一定深度内混凝土、氯浓度随时间增加。然而,由于持续的水化反应,孔隙度和孔隙连通性降低,减少混凝土的氯离子扩散系数与年龄。如图2在特定的时间,增加深度有氯离子浓度的降低和氯离子扩散系数的增加。这可以归因于这样一个事实:在一个浅深度的表面氯离子浓度较高,因此浓度梯度较低,结果到一个较低的氯离子扩散系数。另一方面,在更高的深度从表面氯离子浓度较低,因此有较高的浓度梯度导致更高的氯离子扩散系数。

菲克第二定律的误差函数解扩散,由曲柄(28),是有效的,当氯离子扩散系数()和表面氯离子的浓度(假定常数在时间和空间。然而,众所周知,随时间和空间由于氯离子浓度的变化,温度,水分,和接触条件(2]。由曲柄的解决方案是针对某些成熟的混凝土和氯曝光时间。例如,确定经过28天的治疗和50天暴露于氯溶液将反映平均扩散运输(即具体属性。第78天,从28天)。然而,这不能作为代表值,因为具体的成熟,水合作用降低混凝土氯离子渗透的能力,从而改变在曝光时间。混凝土用水泥混合的扩散系数与辅助胶凝材料(粉煤灰、硅灰等)更敏感比普通水泥混凝土老化。粉煤灰混凝土的扩散率可能是一个数量级低于普通水泥混凝土后大约2年和预测,它可能会降低两个数量级较小的100年后(29日]。

梁等。26]报道的一项研究对氯离子扩散系数之间的关系总氯化和自由。他们还报道了氯离子扩散系数的变化随着时间的免费以及总氯,如图3和4,分别。

它可以观察到从数据3和4总和自由氯离子扩散系数随时间减少。最初,减少氯离子扩散系数非常高;然而,它更长的曝光时间后稳定状态的方法。梁等。26)也报道了氯离子扩散系数的变化与穿透深度增加。据报道,自由和总氯离子扩散系数的平方正比于氯离子渗透深度,如图5和6,分别。因此必须考虑时间和深度的影响,防止错误的预测钢筋腐蚀起始使用恒定的氯离子扩散系数(29日]。

安德拉德et al。30.)提出了一个方法使用混凝土的电阻率来表示孔隙度和孔隙连通性在模拟混凝土氯离子渗透。这种方法还考虑的影响具体的年龄对氯离子扩散系数的降低。Farahani et al。31日)开发了一个模型估算氯接触下钢筋混凝土结构的使用寿命考虑温度和时间的影响,氯离子扩散系数。

4所示。模拟混凝土的氯离子扩散

4.1。基本的菲克的氯离子扩散模型

一个简单的模型,描述了氯浓度作为时间的函数和距离下的非稳定状态是由阿道夫·菲克,俗称菲克第二定律的扩散8,如下考虑: 初始条件(智能卡)和边界条件(公元前)用于解决(3)是由(4)通过(6): 的数学解决方案(3)由曲柄28)假设和作为一个常数给出 在哪里是氯浓度在深度和时间,氯离子浓度在表面,从表面上看,深度是时间,是明显的氯离子扩散系数。 上面的氯离子渗透模型可以通过使用一个简化的抛物线函数,如下: 的值和发现扩散模型的最佳拟合(7)或(9)使用的最小二乘方法和最佳值和认为是常数(32]。然而,如前所述,的值和随以下因素:(我)时间(2)空间(3)氯绑定在扩散(iv)由于加载损伤混凝土保护层因此,不同的研究人员试图开发修改后的氯离子扩散模型考虑上述因素(7,9,29日,33- - - - - -38]。

4.2。氯离子扩散模型考虑时间的影响

一个模型和管理报告和Helland [29日)考虑时间对氯离子扩散系数的影响如下: 在哪里氯离子扩散系数是时间吗,氯离子扩散系数是时间吗(28天)是恒定的。

的价值取决于具体的混合变量。的价值往往是低普通硅酸盐水泥混合物比将矿物添加剂(33]。

4.3。氯离子扩散模型考虑的影响氯绑定

Marto [7)提出了一种修改菲克第二定律认为氯绑定的影响通过改变氯离子扩散系数的计算。 在哪里表观扩散系数(m²/ s)和混凝土的粘结剂的结合能力(m³孔隙溶液/ m³混凝土)。

之间的关系绑定氯浓度()和总氯浓度()是获得各种等温线。解决方案(11)可以获得相同的方式(3)。

另一个模型提出的Tumidajski [34)认为一级化学反应包括同时氯离子扩散的影响和氯化绑定通过引入反应扩散菲克第二定律。提出的模型Tumidajski [34)是由(12),如下: 在哪里是反应速率,总氯浓度,总氯离子扩散系数。

丹克韦尔兹(35]Tumidajski获得解决方案的模型34]所表达的(12)。解决方案(12)是由(16),如下: 丹克韦尔兹(35报道称,(16)预测,实验数据的拟合模型对实验数据得到了改进暴露持续时间更长。

4.4。氯离子扩散模型考虑的影响时间、空间、和氯绑定

太阳et al。9)开发了一个模型,考虑时间的影响,深度、氯离子扩散系数和化学反应。他们认为三个不同的模型:(我)简单的模型(2)时间/深度依赖的扩散模型(3)时间/深度依赖扩散反应模型

(我)简单的模型解决方案是由曲柄(28菲克第二定律的扩散(3)。

(二)时间/深度相关的扩散模型、太阳等。9)认为氯离子扩散系数是时间和空间的功能,他们提出了一个模型给出的(17考虑初始和边界条件由(18)通过(20.): 在哪里和(氯浓度和氯离子扩散系数,分别可由拟合实验数据(17)非线性使用合适的软件。

(3)时间/深度依赖扩散反应模型由太阳et al。9]还考虑化学反应的影响以及空间和时间的影响。根据太阳et al。9),氯离子扩散被认为由不可逆固定化一级化学反应并给出 在哪里是一个常数,去除氯离子扩散的速度吗*自由氯离子浓度。

以下是1维模型由太阳et al。9]随着初始和边界条件由(23)通过(25): 在哪里是免费的氯浓度在不同深度和时间吗是自由扩散反应方程的表观扩散系数可以由拟合实验数据(16)非线性使用合适的软件。

4.5。氯离子扩散模型考虑多维氯入口的效果

在真实的生活场景中,钢筋混凝土结构暴露于多向氯扩散。同时曝光的协同效应来自多个方面会导致更快的恶化和关键成员可能比预计的更早表现出痛苦的迹象。因此,有必要考虑这种影响以模仿真正的氯离子扩散行为。然而,这些影响不能被一维氯离子扩散的分析。图7显示了氯离子扩散之间的相互作用的原理图的结构成员和最大互动的路径是由点表示。

如图7氯化,前面是两面的混凝土内部扩散。边,两边都是干扰和浓度增加。由于协同效应,阈值氯浓度在拐角处将获得增援更早比这边增援(尽管在拐角处覆盖深度更强化)。这一现象的交互无法评估,同时考虑单向氯入口。

很少有文献可在2 d或3 d混凝土氯离子扩散。Zhang et al。15]研究了多维的影响对粉煤灰混凝土的氯离子扩散进入暴露混凝土立方体氯化解决方案。氯的多维入口是在类似的方式模拟1 d,的区别在二维接触四个脸面立方体的环氧树脂涂层和两个面是敞开的,同样对3 d曝光,三个面孔环氧涂层和三个面孔。据报道,混凝土的氯离子浓度在同一距离为3 d > 2 d > 1 d和氯离子扩散系数的值从2 d和3 d获得曝光的2.01和2.27倍,1 d,分别。这表明氯化更要注意入口的边缘和角落混凝土15]。

4.6。混凝土的氯离子扩散模型考虑损伤的影响

混凝土结构受到的载荷开始不同程度的损害。因此,预计在受损混凝土氯离子扩散系数将高于原始混凝土(35- - - - - -37]。Al-Kutti [2)被认为是一个二维扩散模型并耦合机械损伤和氯绑定。据报道,未损坏的混凝土氯离子扩散系数毫米²/秒虽然是扩散系数的增加9倍的受损混凝土(2]。

5。应用软件在模拟混凝土的氯离子扩散

除了这些数学模型,类型的专用软件像生命- 365和体育场也可用。这些软件类型允许设计师执行1 d和2 d分析氯曝光的各种用户定义的参数,如材料的选择(包括硅灰或缓蚀剂,等等)和钢涂层。这些类型的软件有一个广泛的数据库不同暴露条件下,正逐渐成为一个方便的工具设计工程师(38]。此外,使用寿命预测混凝土结构受到氯接触也可以由通用软件,即COMSOL。这些类型的软件现在配备特定的模块可以模拟运输/机械/热响应的反应。Bentz et al。38使用COMSOL]执行1 d氯扩散,他们比较了寿命预测的简单解决方案基于菲克第二定律和使用寿命得到使用特定可用的模块在COMSOL安格尔的绑定/反应制备。变量被认为是覆盖厚度、阈值在钢筋氯浓度水平,材料参数(硅灰、缓蚀剂和环氧涂层钢筋)。据报道,在所有情况下,解决方案基于菲克第二定律是保守和预测低服务生活。50 mm的混凝土保护层厚度的差异21%,18%,19%,24%,27%,普通水泥、普通水泥部分取代5和7%硅灰,腐蚀抑制剂,和环氧涂层钢筋(38]。

6。预测腐蚀起始时间

氯离子扩散模型可以用来预测的起始时间chloride-induced腐蚀钢筋的考虑是腐蚀起始时间,混凝土保护层厚度,氯化是阈值浓度。

例如,(9)可用于预测腐蚀起始时间,,如下所示: 在哪里氯离子扩散系数,在混凝土表面氯离子浓度,混凝土保护层厚度,氯化是阈值浓度。

太阳et al。9)通常报道腐蚀起始时间的值在不同的覆盖深度计算使用三个不同的氯离子扩散模型,作为讨论的部分4.4。块腐蚀起始时间的预测值在图所示8。它可以看到从图8时间/深度扩散反应模型预测最高腐蚀起始时间认为氯绑定由于发生化学反应,和后面的简单的模型预测腐蚀起始时间的最低价值,因为它考虑了氯离子扩散系数的影响没有考虑氯绑定。

7所示。结论

基于本文的结果,可以得出以下结论:(1)氯离子扩散参数获得从简单扩散曲柄的菲克第二定律解决方案代表了普通混凝土的属性对扩散运输这不能作为代表,因为随着混凝土的成熟混凝土氯离子渗透的能力降低。(2)由于氯离子扩散系数随时间和混凝土内部氯绑定,考虑氯的影响的模型绑定和氯离子扩散系数预测的时间比这更高的钢筋混凝土结构的使用寿命获得使用解决方案基于简单扩散的菲克第二定律。(3)同时曝光的协同效应来自多个方面会导致更快的恶化和关键成员可能比预计的更早表现出痛苦的迹象。因此,有必要考虑这种影响以模仿真正的氯离子扩散行为。(4)由于计算能力的进步和可用性的特殊和通用软件,基于腐蚀寿命模型可以验证和验证。此外,这些类型的软件可以用于执行参数研究确定最影响因素,影响钢筋混凝土结构的使用寿命。(5)更新的信息提出了可以用于钢筋开始腐蚀的时间估计准确度更高。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者欣然承认收到土木与环境工程系的支持,法赫德国王石油大学&矿物质,达兰,沙特阿拉伯。

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