再碱化修复后混凝土微观结构变化及机理研究.pdf

第 1 4卷第 2期 2 0 1 1年 4月 建筑材料学报 J 0URNAL OF B UI L DI NG MATE RI ALS Vo 1 ． 1 4。 NO ． 2 Ap r ．， 2 0 1I 文章编号 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 1 0 2 0 2 6 9 0 6 再碱化修复后混凝土微观 结构变化及机理研究 熊 焱 ， 屈 文 俊 ， 吴 迪 。 1 ． 华南理工大学 亚热带建筑科学 国家重点实验室 ， 广东 广州 5 1 0 6 4 1 ；2 ． 同济大学 土木工程学院 ， 上海 2 0 0 0 9 2 ； 3 ． 广州大学 工程抗震中心 ， 广东 广州 5 1 0 4 5 0 摘 要 对 电化 学再碱 化后 混 凝土微 观 结构 变化 进行 了试 验研 究． 结果表 明 电化 学再碱 化 对 混凝 土 的比孔隙率、 平均孔径和平均比表面积有显著影响． 电化 学再碱化后混凝土的界面结构 明显改善 ， 有害孔隙减少， 密实性和耐久性提高． 另外， 对电化 学再碱化后混凝 土微观结构 变化的机理分析研 究表 明 电场作 用与 混凝 土的传 输特 性 、 微 观 结 构相 互影 响 、 相 互制 约． 关键 词 混 凝 土 ； 碳 化 ； 再碱 化 ； 微 观 结构 ； 机 理 中图分 类号 TU3 7 5 ． 3 文献 标 志码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 7 9 6 2 9 ． 2 0 1 1 ． 0 2 ． 0 2 4 S t u dy o n t he M e c ha n i s m o f Co nc r e t e M i c r o s t r u c t u r e Cha n g e a f t e r Re a l k a l i z a t i o n Re p a i r XI ONG Ya n ， Qu We n - j u n 。 ， W己 ， D 。 1 ． S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f S u b t r o p i c a l Bu i l d i n g S c i e n c e ，S o u t h Ch i n a Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y，Gu a n g z h o u 5 1 0 6 4 1， C h i n a ；2 ． De p a r t me n t o f Ci v i l En g i n e e r i n g，To n g j i Un i v e r s i t y，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2，C h i n a ；3 ． Ke y La b o r a t o r y o f Ea r t h q u a k e E n g i n g e r i n g a n d Ap p l i e d Te c h n i q u e o f Gu a n g d o n g Pr o v i n c e ，Gu a n g z h o u Un i v e r s i t y ，Gu a n g z h o u 5 1 0 4 0 5 ，C h i n a I Abs t r a c t I n t hi s pa p e r ，t h e c o nc r e t e m i c r os t r uc t ur e c ha n ge a f t e r r e a l ka l i z a t i o n r e pa i r ha s be e n s t u di e d b y e xpe r i m e nt ．The r e s ul t s i n di c a t e t h a t r e a l ka l i z a t i on h a s l a r ge i mpa c t o n p o r e s i z e di s t r i bu t i o n a n d p or o s i t y o f t h e c o n c r e t e ．Af t e r r e a l k a l i z a t i o n t h e t o t a l p o r e v o l u me i s d e c r e a s e d，g e l p o r e s c o v e r ma j o r i t y o f t h e t o t a l ，a n d t he c o nc r e t e mi c r o s t r uc t ur e b e c ome s ve r y c omp ac t ．I t i nd i c a t e s t ha t r e a l ka l i z a t i on c a n i mpr o v e mi c r os t r uc t ur e a n d i mpr o v e t he du r a bi l i t y o f c o nc r e t e ． Ac c o r di n g t o t he a n a l ys i s a nd s t ud y o f t h e m e c h a ni s m of c on c r e t e m i c r os t r uc t u r e c ha ng e a f t e r r e a l ka l i z a t i o n r e p a i r ，i t i ndi c a t e s t h a t t h e r e a r e mut u a l i n f l ue nc e ， m u t ua l r e s t r i c t i o n a nd i n t e r a c t i o n a m o n g e l e c t r i c f i e l d， t r a ns m i s s i on c h a r a c t e r i s t i c s a nd c o n c r e t e mi c r o s t r u c t u r e ，wh i c h s h o ws t h a t e l e c t r o c h e mi c a l r e a l k a l i z a t i o n i s a v e r y c o mp l e x p r o c e s s o f p h y s i c s a n d c h e mi s t r y． Ke y wo r ds c o nc r e t e；c a r b on a t i o n；r e a l ka l i z a t i on；mi c r o s t r u c t u r e；me c ha n i s m 混凝土是一种典型的多孔介质材料 ， 孔 隙分布 错综复杂 ， 孔径分布较广[ 1 ] ， 其宏观力学性能由孔隙 率和孔径分布等微观结构决定 。 ] ． 文献E 4 ] 研究表 明 ， 混凝土的渗透性 由孔隙率、 孔径分布以及 骨料一 基体界面区的矿物组成等决定． 文献E 5 ] 研究表 明， 混凝土损伤与细观孔洞结构之间存在明显的对应关 系， 有害孔洞尺寸与分布因冻胀 而产生的改变将直 接导致结构松散恶化． 在对遭受碳化侵蚀破 坏的钢 筋混凝土进行电化学再碱化 以下简称再碱化 修复 时 ， 由于 它 是一 种 非 均 质 、 复杂 的多 相材 料 ， 其 保 护 层中 自由离子会发生迁移， 导致硬化水泥浆体 的孔 结构发生变化 ， C S - H凝胶 、 钙矾石 晶体 AF t 等组 收稿 日期 2 0 0 9 1 2 0 7 ；修订 日期 2 0 1 0 0 1 1 8 基金项 目 国家 自然科 学基 金资助项 目 5 0 9 0 8 0 8 8 ； 国家重点基础研究发展计划 9 7 3计划 项 目 2 0 0 9 C B 6 2 3 2 0 4 ； “ 十一五’ ’ 国家科技 支撑 计 划项 目 2 0 0 6 B A J 0 3 A0 7 0 4 第一作者 熊焱 1 9 7 8 一 ， 女 ， 江西南 昌人 ， 华南理工大学讲师 ， 博士． E - ma i l x y a n s c u t ． e d u ． c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 7 0 建筑材料学报 第 1 4 卷 分发 生分 解 ， 同时 钢 筋 发生 阴极 反应 产 生 OH， 电 解质溶液在电位差和浓度差的作用下发生电渗和扩 散运动 ， 这些都会影响该材料 的微观结构． 因此 ， 研 究再 碱化 后 钢 筋 混 凝 土 的 微 观 结 构 特 征 具 有 现 实 意义 ． 本文 通过 改变 再碱 化过 程 中的控制 参数 对 完全 碳化后的钢筋混凝土试件进行 了再碱化修复 ， 比较 了不 同控制参数对钢筋周围混凝土孔隙液中碱度的 修复 效 果 ， 并 用 压 汞 测 孔 法 MI P 和 扫 描 电镜 S E M 对 比分析了再碱化前后 钢筋混凝土 的微 观 结构变化， 对再碱化后钢筋混凝土微观结构变化的 机理进 行 了探讨 ． 1 试 验概 况 1 ． 1试件 制 备 4 2 ． 5 普通硅酸盐水泥 ； 河砂； 粒径小于 1 5 mm 碎石 ； 直径为 8 IT I 1T I 的光 圆钢筋． 采用强度 等级为 C 2 O的普通混凝土， 其配合 比为 m 水泥 7 7 ／ 水 m 砂 m 石 一1 ． O 0 0 ． 6 5 2 ． 2 5 3 ． 6 8 ． 为 了易 于碳 化 ， 缩短碳化时间 ， 并且保证试件完全碳化， 试 件采 用如图 1所示 的圆柱 体 ， 其 直 径为 5 8 mm， 高 为 2 5 0 mm， 沿 轴心 布 置 了直 径 为 8 mm 的 光 圆钢 筋 ． 试件共 1 O组 ， 每组 3 个． 辅助试件几何尺寸相同， 不 配置钢筋 ； 立方体抗压强度测试试件尺寸为 1 0 0 mm 1 0 0 ml n 1 0 0 mm． 试 件 拆 模 后 在 2 0 3 ℃ ， 相 对湿度大于 9 0 的标准养护室 中养 护 2 8 d ， 其立方 体 抗 压强 度 为 2 5 ． 8 MP a ． 试 件 养 护好 后 放 在 6 O℃ 烘箱 中烘 4 8 h， 然后置于碳化箱 中加速碳化． 碳化箱 中二氧化碳浓度保持在 2 0 3 质量分数 ， 相对 湿度 控制 在 7 0 士5 ， 碳 化 温 度 为 2 O 5 ℃ ， 至 试件 完全 碳化 喷洒 酚酞 试剂 后 ， 辅 助试 件剖 切 面完 全 保持无 色 为止 ． 将 碳 化 后 的 1 0组 试 件 按表 1中 的再碱化参数进行再碱化试验． 再碱化试验装置示意 图如图 2所示． 将试件 和 钢丝 网浸泡于 Na C O。电解液中， 以试 件中的钢筋 为阴极 ， 钢丝网为辅助阳极 ， 用导线将 3 个试件以串 联形 式 与直流 电源 连接 ． 在试 验过 程 中 ， 每两 天 更换 一 次电解质溶液 ， 以保持其碱性． 0 n 0 V 、 图 1 试 件 示 意 图 Fi g ．1 De t a i l e d dr a wi ng o f c y l i n dr i c a l mo r t a r s p e c i me ns s i z e mm 表 1 再碱化试验参数 Ta b l e 1 P a r a me t e r s o f r e a l k a l i z a t i o n t e s t Co n c e n t r a t i o n Cu r r e n El e c t r S p e c i me n S t a t u s o f s p e c i me n o f e l e c t r o l y t e ／d e n s i t y ／ ，i ， too 1．L一 A ．m。 t 。 ／ d 图 2 再碱化试验装置示意图 Fi g ． 2 S k e t c h ma p o f t e s t e q u i p m e n t P o we r s u p p l y 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 建筑材料学报 第 1 4卷 3 分析 与讨论 3 ． 1 压 汞测 孔 法结果 分析 由试验结果可以看 出， 再碱化试件 的孑 L 结构与 未碳化标准试件相比， 其比孔隙率 、 平均孔径和平均 比表 面积均 有所 减 小 ． 这 是 由于 碳 化 对混 凝 土 的影 响主要是 C O 。与混凝土水泥石 中的 C a OH 反应 形成 C a C O 。 ，它对毛细孔的填充堵塞是造成孑 L 隙率 降低和孔径细化的主要原因_ 6 j ． 3 ． 1 ． 1 再碱 化 时间对 孔结 构 的影 响 在 电解液 浓度 一 定 的情 况 下 ， 试 件 微 观结 构 参 数 随再 碱化 时 间变化趋 势 如 图 4所示 ． 蕤 ∞ 图 4 试件微观结构参 数随再碱化时 间变化趋势 Fi g ．4 Ev o l ut i o n o f mi c r os t r u c t ur e pa r a me t e r s c ha nge wi t h r e a l k al i z a t i o n t i me 由图 4可 以看 出， 当电流密 度为 3 ， 1 0 A／ m。 时， 随着再碱化时间的增加 ， 试件的比孔隙率呈先增 大后减小趋势 ； 当电流密度为 5 A／ m 时， 随着再碱 化时间的增加 ， 试件的 比孔 隙率呈先减小后增 大趋 势． 当 电流 密 度 为 3 ， 5 ， 1 0 A／ m 时 ， 随着 再 碱 化 时 间的增加 ， 试件的平均孔径呈逐渐减小的趋势． 当电 流密度为 3 ， 1 0 A／ m。时， 随着再碱化 时间的增加 ， 试件的平均比表面积呈增大 的趋势 ； 当电流密度为 5 A／ m。时， 随着再碱化时间的增加， 试件的平均 比 表 面积呈 先减 小后 增大 的趋 势． 在再碱化过程 中， 恒定 电流条件下两电极间的 电压呈典型的电化学振荡曲线变化趋势_ 7 ] ． 因此 ， 当 电流恒定时 ， 电压的起伏变化必然引起电场的变化， 在 电场作用下的电解液 的电渗和正、 负离子 的电迁 移等传输速度也必然随着 电场作用 的强 弱发生变 化 ． 混凝 土碳 化 时 ， 毛 细孔被 C a C O。 填 充堵 塞 ， 使孔 隙率降低 ， 孑 L 径细化． 当碳化试件再碱化时， 在 电场 作 用下 电解 液 和混凝 土 中 的正离 子 Na ， Ka ， C a 抖 向钢 筋 迁 移 ， 负 离 子 0H一， C 2 一 向 阳极 迁 移． 由于碳化产物 C a C O 。是难溶 电解质 ， 当离子 向 两电极迁移聚集时， 混凝土孔隙液中的 C a 抖 ， C O； 赶 纽 浓度减小 ， 这时反应 C a C O。 c a 抖 c 0； 一 向 L{ 疋 溶解方向进行． 因此， 当再碱化电流密度为 3 A／ m ， 通电时间为 1 4 d时， 填充堵塞于毛细孔 的C a C O 。 分 解 ， 使混凝土 比孔 隙率增加． 随着再碱化 时间的增 加 ， 混 凝 土 孑 L 隙 液 中 的 C a 抖 ， C O； 一浓 度 发 生 变 化 ， { 赶 韫 使反应 C a C O。 C a c o； 一 向沉淀方 向进 行 ． 因此 ， 当再 碱化 电流 密度 为 3 A／ m ， 通 电 时 间为 2 1 d时， 混凝土的比孔隙率降低． 试 件 L B 3 ， L B 4以及 L B 6 ～L B 8的平 均 比表 面 积相对 试件 L B 2呈增 大趋 势 ， 是 由于再 碱 化 后混 凝 土的比孔隙率变化幅度不大 ， 平均孔径减小 ， 孔隙细 化， 导致孔隙的表面积增大． 而试件 L B 5的平均 比 表 面积相 对 L B 2呈减 小趋 势 ， 则 是 由于再 碱 化 后混 凝土的比孔 隙率 明显降低 ， 平均孔径减小 ， 孔 隙细 化 ， 同时孔隙数量明显减少所致． 3 ． 1 ． 2 再碱化电流密度对孔结构的影响 在 电解液 浓 度一 定 的情 况 下 ， 试 件 再 碱 化 后 比 孔隙率 、 平均孔径 和平均 比表面积随电流密度变化 趋 势如 图 5 所 示 ． 由图 5可以看出， 当再碱化时间为 1 4 ， 2 1 d时 ， 随着电流密度的增加 ， 试件 的比孔隙率 和平均 比表 面积呈 先增 大后 减 小 再 增 大 的 趋 势 ， 而平 均 孔 径 呈 先减小后增大的趋 势． 这里 比孔 隙率 的变化 趋势 同 样可以用电流变化引起电压呈典型的电化学振荡 曲 线变化趋势来解释． 因为两电极 电压呈波浪起伏 变 化[ 7 ] ， 从 而引起 电场相 应变 化 ， 最终 导致混 凝 土 比孔 隙率波浪起伏变化． 试验表明， 再碱化后混凝土 的平均孔径 比完全 碳化混凝土的平均孔径小 ， 说 明再碱化有助于减小 混凝土的平均孑 L 径 ， 提高混凝土抗渗透 和耐久性 的 能力． 由于平均 比表 面积 的变化受混凝土 比孔 隙率 和平均孔径等因素的影响 ， 因此 ， 混凝土 比孔隙率和 平均孔 径 的起伏 变化 将影 响平 均 比表 面积． I I I I I ＼ QNH ∞ o 04 o ．J 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 7 4 建筑材料学报 第 1 4卷 4 结论 1 ． 在恒 定 电流条 件 下 ， 外 电压 随着 再 碱 化 时 间 增加呈现典型的电化学振荡曲线变化趋势 ， 从而影 响了电场作用下混凝土 的传输特性 ， 最终致使混凝 土的微观结构发生变化． 而 电场作用与混凝土的传 输 特性 、 微 观结 构相互 制 约 ， 相 互影 响． 同时 ， 这三 者 也 是影 响再 碱化 过程 和效 果 的重要 因素 ． 2 ． 与标 准试 件相 比 ， 再 碱 化混凝 土 的大孔 、 有 害 孔明显减少 ， 比孔隙率大幅度降低， 平均孔径 、 平均 比表面积明显减小． 再碱化可 以改善混凝土的界面 结构 ， 有利于保护钢筋 ， 提高抗渗性和耐久性． 3 ． 再碱 化 电流 密 度 、 时 间和 电 解 液浓 度 对 混 凝 土的比孔隙率 、 平均孑 L 径和平均比表面积有明显 的 影响． 当采用 1 ． 0 mo l ／ L的 Na C O。电解质溶液再 碱化时， 最优 再碱化 电流密度 为 5 A／ m。 ， 时 间为 1 4 d． 4 ． 再碱化后 ， 试件中层混凝土最为致密， 外层混 凝土次之， 而钢筋附近混凝土则较疏松． 参 考文 献 I- 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] E l i 金南国 ， 金 贤玉 ， 郭剑 飞． 混凝 土孔结 构与 强度关 系模 型研究 E J ] ． 浙江大学学报 工学版 ， 2 0 0 5 ， 3 9 1 1 1 6 8 0 1 6 8 4 ． E 7 3 J I N Na n - g u o， J I N Xi a n - y u， GUO J i a n f e i ． Re l a t i o n s h i p mo d e l i n g o f p o r e s t r u c t u r e a n d s t r e n g t h o f c o n c r e t e [ J ] ． J o u r n a l o f Z h e j ia n g Un i v e r s i t y E n g i n e e r i n g S c i e n c e ， 2 0 0 5 ， 3 9 1 1 1 6 8 0 1 6 8 4 ． i n Ch i ne s e 金南 国， 金 贤玉 ， 郑砚 国， 等． 早 龄期混凝土断裂性 能和微观结 构的试 验 研 究 [ J ] ．浙 江 大 学 学 报 工 学 版， 2 0 0 5 ， 3 9 9 1 3 7 4 1 3 7 7 ． J I N Na n - gu o ， I『 1 N Xi a n y u， ZHENG Ya n g u o， e t a 1 ． Ex p e r i me n t a l s t u d y o n f r a c t u r e p r o p e r t i e s a n d m i c r o s t r u c t u r e o f e a r l y a g e c o n c r e t e [ J ] ． J o u r n a l o f Z h e j i a n g Un i v e r s i t y E n g i n e e r i n g S c i e ne e ， 2 0 0 5， 3 9 9 1 3 7 4 1 37 7 ． i n Ch i n e s e NEVI LLE A M ． Pr o p e r t i e s o f c o n c r e t e， f o ur t h a n d f i n a l e d i t i o n E M] ． Ne w Yo r k Wi l e y ， 1 9 9 6 3 0 0 3 0 1 ． S TEI CHER P E． ALEXANDER M G．A c h l o r i d e c o n du c t i o n t e s t f o r c o n c r e t e [ J ] ． C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h， 1 9 9 5 ， 2 5 6 1 2 8 4 1 2 9 4 ． 罗 晓辉 ， 卫军 ， 罗昕． 混凝土劣化与有 害孔洞 的物理关系E J ] ． 华 中科技大学学报 自然科学 版， 2 0 0 6 ， 3 4 3 9 4 9 6 ． LU0 Xi a o h u i ， WEI J u n， LUO Xi n ．Ph y s i c s r e l a t i o n b e t we e n c o n c r e t e d e t e r i o r a t i o n a n d h a r mf u l p o r e E J ] ． J o u r n a l o f Hu a z h o n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a nd Te c hn o l o g y Na t u r e S c i e n c e ， 2 0 0 6， 3 4 3 9 4 9 6 ． i n Chi n e s e 方 永浩， 张亦 涛， 莫祥银 ， 等． 碳 化对水泥石和砂浆 的结构及砂 浆渗 透性 的影响E J ] ． 河海大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 5 ， 3 3 1 1 O 4 1 O 7 ． FANG Yo n g h a o。 ZHANG Yi t a o， M 0 Xi a ng y i n， e t a 1 ． I nf l u e n c e of c a r b o n a t i o n o n t h e mi c r o s t r u c t u r e a n d p e r me a bi l i t y o f h a r d e n e d c e me n t p a s t e a n d mo r t a r [ J ] ． J o u r n a l o f He h a i Un i v e r s i t y Na t u r e S c i e n c e ， 2 0 0 5， 3 3 1 1 0 4 1 0 7 ． i n Ch i ne s e ANDRADE C， CAS TELL0TE M ， S ARRI A J ， e t a 1 ． Ev o l u t i o n o f p o r e s o l u t i o n c h e m i s t r y， e l e c t r o - o s mo s i s a n d r e ba r c o r r o s ion r a t e i n d u c e d b y r e a l k a l i s a t i o n E J ] ． Ma t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s ， 1 9 9 9， 3 2 6 4 27 4 3 6 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m