上海交通大学硕士学位论文混凝土中临界氯离子浓度的试验研究姓名：翟之阳申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：宋晓冰20080201摘 要 - I - 混凝土中临界氯离子浓度的试验研究 摘 要 氯离子引起的钢筋腐蚀在众多影响混凝土长期使用安全性的因素 中，占有很重要的地位。 一般情况下，钢筋在混凝土中不会腐蚀。因为混凝土孔隙液具有高 碱性，钢筋在这种环境下处于钝化状态。只有当钢筋表面氯离子浓度达 到某一定值时，钝化膜才会被破坏，钢筋开始脱钝腐蚀。此时钢筋表面 的氯离子浓度称为临界氯离子浓度。所以研究清楚临界氯离子浓度的分 布和变化规律对钢筋混凝土结构的耐久性设计、寿命预测，具有重要意 义。 许多学者通过不同的试验方法进行了临界氯离子浓度的研究。 Glass 总结了以前学者研究得到的临界氯离子浓度值，发现以总氯离子含量占 水泥用量百分比作为指标表示临界氯离子浓度， 该数值在 0.17%到 2.5% 的范围内变化，上下限相差巨大。这表明人们目前还未研究清楚临界氯 离子浓度的变化规律。 临界氯离子浓度的影响因素可以分为两类，直接因素和间接因素。 直接影响因素包括钢筋的点蚀电位和腐蚀电位；间接影响因素包括水泥 种类、混凝土配合比、添加剂、环境的温湿度、混凝土孔隙溶液的 pH 值等。间接因素通过直接因素发挥作用。钢筋是否腐蚀，主要看钢筋的 腐蚀电位是否高于点蚀电位。从这个角度引申，临界氯离子浓度可以定 义为使钢筋的点蚀电位超低于腐蚀电位的氯离子浓度下限值。研究清楚 钢筋点蚀电位和腐蚀电位的分布及变化规律，才能对临界氯离子浓度的 变化范围有更为明确的认识。 本文以砂浆试块为研究环境，使用恒电位的试验方法，通过预先掺 入和后期渗透两种方法，将氯离子引入砂浆试块，研究砂浆试块中临界 氯离子浓度与钢筋点蚀电位的关系。 先掺法试验中，在试块浇注过程中预先掺入氯离子浓度大于等于 0.4%（占水泥用量百分比）时，钢筋在试块浇注养护过程中就发生脱钝摘 要 - II - 腐蚀；而对钢筋采用牺牲阳极的阴极保护方法之后，在钢筋表面会形成 致密的水泥浆沉淀，大大提高临界氯离子浓度。 后渗法试验中，恒电位的变化范围为+100mV-300mV，通过试验 得到钢筋在不同点蚀电位下的临界氯离子浓度。试验结果说明，随着钢 筋点蚀电位的降低，临界氯离子浓度迅速上升；可以用直线拟合点蚀电 位与临界氯离子浓度之间的关系。 然后将砂浆试块试验中得到的自由氯离子浓度由占水泥用量百分 比向孔隙溶液摩尔浓度转化，将转化的结果与在混凝土模拟溶液试验中 得到的相同电位下的临界氯离子浓度比较，发现混凝土模拟溶液试验得 到的数值远小于砂浆试块试验，两者存在数量级上的差异，当电位较低 时两者的差异较小。通过从试验方法的区别和钢筋腐蚀的内在机理分析 这种现象产生的原因。 关键词：混凝土，钢筋，腐蚀，临界氯离子浓度，点蚀电位 ABSTRACT - III - EXPERIMENTAL RESEARCH OF CHLORIDE THRESHOLD IN CONCRETE ABSTRACT Corrosion of reinforcement induced by chloride penetration is an important influence on the service life of concrete structures. Steel does not corrode when embedded in concrete. Portland cement concrete pore solution is mainly consisted of saturated Ca(OH)2 and presence of NaOH and KOH increases the pH to more than 13. Under normal field conditions, the high alkalinity allows the steel to develop a stable passive film. When a critical chloride content reaches the steel surface, the passive film is broken and the corrosion of steel initiates. The critical chloride content is called chloride threshold level (CTL). Many people have used different experimental methods to confirm chloride threshold level. Glass summarized the chloride threshold levels inferred from published data and also the type of the sample and its exposure condition, chloride threshold level changes between 0.17% and 2.5% when it is presented as a total chloride content expressed relative to the weight of cement. The distribution and varying rule of chloride threshold level is not clear now. The reason for not finding a unique chloride threshold level is attributed to the number of parameters influencing the process. The influence factors can be divided into two parts, direct factors and indirect factors. The direct factors contain pitting potential and corrosion potential of steel, while the indirect factors contain cement type, concrete properties, addition of blended materials, the temperature and humidity of environment and pH of the pore solution and so on. When corrosion potential exceeds pitting potential of the steel, the steel initiates to corrode. ABSTRACT - IV - In the present paper, two experiments are conducted to study the relationship between chloride content and pitting potential of steel. In the first experiment chloride content is added into motor specimens when they are cast. In the second experiment chloride is inducted by penetration. The region of potentials tested includes from +100mV to -300mV (SCE). The study is carried out by means of potentiostatic tests in each sets of identical mortar specimens. Based on the experiments and the results from experiment in simulated pore solutions, a transformation for free chloride from expressed as a percentage by weight of cement to mol content in pore solution is set up. The chloride threshold in mortar specimens is higher and varies more widely than that in simulated pore solutions. KEY WORDS: Concrete, Reinforcement, Corrosion, Chloride threshold, Pitting potential 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：翟之阳 日期：2008 年 4月8日 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名：翟之阳 指导教师签名：宋晓冰 日期：2008 年 4月8日 日期：2008 年 4月8日 绪 论 - 1 - 第第 1 章 章 绪论 1.1 钢筋腐蚀的研究背景 混凝土结构的耐久性与使用寿命问题，逐渐成为土木工程领域普遍关注的问题。混凝土结构的耐久性是指混凝土结构物在使用过程中，保持自身工作能力的一种性能1，或者说结构在使用年限内抵抗外界环境或内部本身所产生的侵蚀破坏作用的能力2。 影响混凝土结构耐久性的因素主要有混凝土的老化、 混凝土中钢筋的腐蚀等。其中钢筋腐蚀引起混凝土结构的过早破坏，已成为全世界普遍关注并日益突出的一大灾害3。美国标准局（NBS）1975 年的调查表明，美国每年各种腐蚀损失为700 亿美元，其中混凝土中钢筋腐蚀损失占 40（280 亿美元） 。1992 年，仅在美国，因撒除冰盐引起钢筋腐蚀破坏而限载通车的公路桥就占 1/4（即 52 万余座中的 13 万余座） ，其中已不能通车的占 1（约 5000 座） 。仅这些桥的维修费即高达 900 亿美元。在英国，建筑工业的年成交额为 500 亿镑，而现在，因钢筋腐蚀破坏，钢筋混凝土结构年维修费已达 5.5 亿英镑。据日本资料介绍大约有 21.4的钢筋混凝土结构损坏实例是因钢筋腐蚀引起的。 我国现有建筑物的腐蚀、老化现象也是很严重的。据统计3，已建成的大量钢筋混凝土结构，由于建造时认识不足或重视不够，往往采用了护筋性较差的技术条件（如大水灰比、薄保护层、掺加氯化物作为早强剂）或是施工质量缺乏控制，特别是处于含氯环境下的混凝土，钢筋腐蚀急需及早发