水泥组分对混凝土固化氯离子能力的影响

王绍东,黄煜镔,王　智

(重庆建筑大学材料科学与工程系,重庆　400045)

摘　要:水泥中C3A的含量被广泛认为是衡量其固化氯离子能力的参数.经充分分析氯离子固化机理而提出了新的衡量水泥固化氯离子的参数是有效铝酸盐A E,即Al2O3总含量减1.25倍的SO3含量;解释了产生碳化和硫酸盐侵蚀加速氯离子诱发钢筋锈蚀这两种现象的原因;强调采用C3A含量高的水泥以降低钢筋锈蚀的危险性不尽合理性;文献的试验结果能很好验证本文提出的新观点.在分析了影响水泥固化氯离子的因素以及决定氯离子诱发钢筋锈蚀的因素基础上,得出采用高性能混凝土是提高混凝土抗氯离子渗入的较佳措施.

关键词:水泥组分;氯离子;固化机理;铝酸盐

中图分类号:TQ172

文献标识码:A　　文章编号:0454-58(2000)06-0570-05

CONCRETE RESISTANCE T O CH LORIDE INGRESS:EFFECT OF CEMENT COMPOSITION

W ang S haodong,Huang Y ubin,W ang Zhi

(Department of Materials,Chongqing Jianzhu University, Chongqing　400045)

Abstract:This paper presents results of a desk study on chloride binding by cement.The chloride binding mechanism is been dis2 cussed by which the phenomenon that carbonation and sulfate attack accelerates chloride-induced corrosion is explained.It is proposed that it is the total amount of aluminum oxide minus 1.25times the sulfate content in cement,but not the total C3A content,that determines the chloride binding capability of ce2 ment.Therefore,it is deemed inaccurate to improve the resis2 tance of concrete to reinforcement corrosion by increasing C3A content of cement.Trials of the new chloride-binding mecha2 nism are demonstrated.Factors that affect the chloride binding capability of cement and corrosion are further discussed.High-performance concrete is recommended as a solution of improving concrete resistance to chloride ingress.

收稿日期:2000-01-03.

作者简介:王绍东(1963～),男,博士,教授.K ey w ords:cement composition;chloride ions;binding mecha2 nism;aluminates

钢筋锈蚀是造成钢筋混凝土结构破坏的最重要的原因之一,往往决定了结构的使用寿命,是混凝土耐久性的重要问题.在通常情况下,混凝土内部的高碱性环境,组分中Ca(OH)2和其它碱形成的高碱度,使钢筋表面形成一层由γ-Fe

2

O3组成的保护性氧化膜,从而使钢筋免受腐蚀.然而,当碳化导致p H值下降或存在氯离子时,这一钝化膜会被破坏,在氧、水分存在的条件下,就将发生钢筋的电化学锈蚀.在采用去冰盐的场合或海工结构中,氯离子的渗透往往是造成钢筋锈蚀的主要原因,并且与混凝土的中性化过程相叠加而大大加速了钢筋损坏,特别是在气温高的海工结构中氯离子侵蚀引起的锈蚀发生的非常迅速.因此,目前对氯离子影响钢筋锈蚀的研究极为广泛,成为耐久性研究的重要领域[1,14].

氯离子可以由两种形式进入混凝土,一种是作为混凝土拌合物的组分,另一种是由外界环境渗入.第一种可由严格的控制得以避免;另一种则与氯离子渗透能力有关.许多因素决定着氯离子渗入混凝土的速度:一方面,Cl-离子扩散与孔隙率有关,孔结构更粗化,更开放,渗透性越大,氯离子侵入速度越快;另一方面,Cl-离子扩散也与水泥石的性质有较大关系,即与水泥石固化氯离子的能力有关.

不同品种的水泥会产生不同的氯离子渗入速度,通常的观点认为它与水泥中的铝酸盐相化学结合氯离子的能力有关,固化氯离子的主要形式是由氯离子与C3A反应形成单氯铝酸钙3CaO・Al2O3・CaCl2・10H2O,即所谓的Friedel 盐.因此,一种被广泛接受的观点认为,水泥固化氯离子的能力取决于C3A含量,并且低C3A含量的水泥(如抗硫酸盐水泥)氯离子的渗入比高C3A含量的水泥快.然而,这种观点是否确切,是否可以据此认为高C3A含量具有高的抗氯离子诱发钢筋锈蚀的能力,只有确切把握水泥固化氯离子的机理与影响因素才能真正深入认识.

R eceived d ate:2000-01-03.

Biography:Wang Shaodong(1963—),male,doctor,professor.1　水泥固化氯离子的机理

根据水泥混凝土化学原理,氯离子被水泥固化形成的氯铝酸盐(3CaO・Al2O3・CaCl2・10H2O)是AFm家族中的一种,而AFm家族的组成存在一个变化范围,并且它们全都具有类似于Ca(OH)2晶体的层状结构特征,其组成可以用通式[Ca(Al,Fe)(OH)6]・X・n H2O来表示,其中X表示一个单价阴离子或半个双价阴离子.很多种类的阴离子可以作为X,但是在水泥化学中最为重要的是OH-,SO2-4, CO2-3,Cl-,氯铝酸盐就是在AFm结构中Cl-作为X的一种情况.AFm家族具有源于Ca(OH)2的层状结构,之所以这样认为是基于以下两个事实,一是有1/6的钙离子为铝所置换的AFm相具有与Ca(OH)2类似的结构;二是铝酸根离子很容易与Ca(OH)2反应形成AFm相.Taylor在1990年详细地描述了AFm家族水化物[2],但是目前世界上只有不多的水泥混凝土化学家能够全面理解这些内容并应用这个新理论去解决诸如氯离子引起的钢筋锈蚀的实际问题.

在国际上虽然无人正式提出,但是最新的水泥化学理论暗示了这样一个原理:混凝土的一系列耐久性问题,包括硫酸盐侵蚀、碳化、氯离子渗透与固化、钢筋锈蚀等,都与AFm家族的水化物的生成与转化有一定的关系.AFm家族的结构特征决定许多阴离子均可以与AFm相互作用,按其生成的水化产物的稳定性不同,阴离子与AFm相互作用的顺序不同,其优先顺序为SO2-4,CO2-3,Cl-.由于通常情况下,混凝土内部SO2-4,CO2-3,Cl-是同时存在的,这就意味着在混凝土中,3CaO・Al2O3・CaSO4・12H2O最为稳定和优先生成,其次是3CaO・Al2O3・CaCO3・12H2O,最后是3CaO・Al2O3・CaCl2・10H2O.这也同时意味着只有被硫酸盐和碳酸盐反应后剩下的铝酸盐才能去固化氯离子.因此,决定水泥石固化氯离子能力并不是C3A总含量,确切的说应是扣除硫酸盐和碳化影响后的相对铝酸盐含量,即有效铝酸盐含量.

2　碳化和硫酸盐侵蚀对水泥固化氯离子的影响

混凝土中的氯离子可区分为两种形式,一是溶解于混凝土孔隙溶液中的游离Cl-;二是被水泥水化产物结合的氯离子,该结合作用包括化学结合(固化)和物理吸附,且这两种形式的氯离子是同时存在的,并保持化学平衡,当条件改变,游离Cl-浓度发生变化时,已结合的氯离子含量也随之改变,以达到新的平衡.值得注意的是,在固化态和游离态之间存在的中间态(物理吸附)的氯离子的存在,特别是在粉煤灰硅酸盐水泥中,使直接测定固化氯离子非常困难.

尽管Friedel盐只是微溶,但只要溶于水即可分解释放出自由氯离子(不一致溶解性).只要存在固体Friedel盐,在相邻的液相溶液中必有氯离子存在.这就意味着,即便硬化混凝土中的氯大部分以化合物形式存在,但总是有一些游离氯存在于溶液中.固化的氯离子(绝大多数是Friedel 盐)形成氯离子储备,随着条件的改变不断发生溶解和固化的过程.许多因素都将影响水泥固化氯离子的能力,特别是碳化和硫酸盐侵蚀.

尽管混凝土拌合物本身可能就含有一些活性碳酸根离子,但碳化主要还是与混凝土的暴露环境有关.因此,理论上计算碳化因素是非常困难的,然而,注意到这一现象有利于理解和解释文献中的一些试验结果:固化的氯离子可能被混凝土碳化所生成的碳酸根取代,即混凝土的碳化极大地降低其对氯离子的固化.在某种意义上,这也是碳化在一定程度上加速氯离子侵入混凝土和钢筋的锈蚀原因.正如Nevillae[3]所描述“在有氯离子固化的水泥硬化浆体碳化时,碳化可以使固化的氯离子自由化,并增加腐蚀的危险”.

由于碳化铝酸钙比氯化铝酸钙更稳定,因此通过与空气中的二氧化碳反应,混凝土的碳化将从Friedel盐中置换出氯离子,即混凝土的碳化使AFm相中的X由碳酸盐取代已固化的氯离子而释放出Cl-,大大降低混凝土对氯离子的固化,同时加上碳化引起孔溶液OH-浓度降低,更增加了钢筋锈蚀的危险.碳化的这种作用机理与Figg[15]和其他一些研究者的结果相吻合.在碳化区前沿造成氯离子富集,孔隙液中Cl-浓度增高,并且这种作用将氯离子向内朝钢筋推进,如图1所示,更诱发了钢筋锈蚀.由此很好的解释了为什么碳化不损害混凝土的渗透性却加速了氯离子渗透

.

图1　碳化和硫酸盐侵蚀对混凝土中氯离子分布的影响　Fig.1　E ffect of carbonation and sulfate attack on distri2 bution of chloride in concrete

氯离子作为混凝土组成材料时,铝酸盐首先是与硫酸盐反应,然后再与氯离子反应发挥其固化作用.同样,混凝土的硫酸盐侵蚀具有与碳化相类似的作用.外界硫酸盐的侵蚀同样也导致氯铝酸钙的分解,提供钢筋锈蚀所需要的游离Cl-.

因此,决定混凝土固化氯离子能力的不是C3A的总含量,而是C3A的总含量减去与硫酸盐反应以及碳化所消耗的相对含量(有效铝酸盐含量).由于碳化因素的计算比较复杂,且主要是外界因素,实际上水泥组分主要是硫酸盐因素,根据反应生成物的组成关系,每摩尔SO3需与1摩尔Al2O3反应生成AFm,也就是按质量计该反应中每1%的

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1

7

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SO 3需消耗1.25%的Al 2O 3.故决定混凝土固化氯化物能力

应该是有效铝酸盐A E ,即Al 2O 3总含量减1.25SO 3含量

(Al 2O 3,SO 3含量是指在水泥中的质量分数).

3　水泥固化氯离子新观点的分析与验证

许多实验结果表明,损坏钢筋保护膜和影响腐蚀过程的是溶解于混凝土溶液中的游离氯离子而不是全部氯离子;水泥石固化氯离子的能力越大,其抗氯离子渗入的能力也越大[4,7,8].然而,由于许多试验结果是由土木工程师所获得,并且认识氯离子侵蚀的相关水泥化学过程是一个全新的课题,所以许多结论是不能令人满意的,并可能产生误导.

C 3A 含量越高,抗氯离子渗入能力越高,甚至认为采用C 3A 含量高的水泥以降低钢筋锈蚀的危险性,这样的观点是

似是而非的.首先,氯离子渗入混凝土的迁移机制为扩散、毛细管吸附和渗透,渗透速度决定于多种因素,在很大程度上是由混凝土的微结构所决定.铝酸盐相(如C 3A )含量太高,由于其形成结晶水化产物而造成多孔微结构,这一作用可能抵消其固化氯离子能力高的优势.另外,由于C 3A 早期水化放热量高,提高了混凝土内部温升,这在海工结构中更为不利.其次,C 3A 固化氯离子的量是有限的,氯离子掺量越大,氯离子结合率越低,并且氯离子的结合量达到一定程度后将不再增加.C 4AF 固化氯离子能力更低.因此,强调采用C 3A 含量高的水泥以满足抗氯离子渗透的要求并不合理,甚至可能是错误的.

经过上述水泥固化氯离子机理的分析提出,衡量水泥固化氯离子能力的参数应该是有效铝酸盐A E ,用此方法对文献中的试验结果进行分析,以此验证该氯离子固化机理和用有效铝酸盐衡量水泥固化氯离子能力的正确性和可行性.

综观文献发现:尽管绝大多数结果表明C 3A 含量高的水泥具有高氯离子固化能力和氯离子侵入其混凝土的几率小,但也有一些结果与此相矛盾.

众多研究者的研究结果得出高C 3A 含量的水泥具有好的抗氯离子腐蚀的能力.例如文献[4]作者研究表明随试验用水泥C 3A 含量的增加,混凝土开始腐蚀的初始时间延长,试验用水泥的化学组成见表1.

表1　水泥的化学组成和矿物组成

　T able 1　Chemical and mineral composition of cement

w /%

Chemical composition

CaO

SiO 2Al 2O 3Fe 2O 3SO 3

MgO

Mineral composition C 3S

C 2S

C 3A

C 4AF

65.2221.58 3.76 4.68 1.90 1.26.1312.41 2.0414.24.5520. 5.33 2.96 2.81 1.2553.9219.249.10

9.00

63.3820.55 6.49 3.65 2.740.8345.2024.8111.0211.10.7019.92 6.54 2.09 2.61 1.3154.5016.0014.00 6.50

　　而用上述笔者提出的方法计算得4种水泥的有效铝酸盐A E 分别为1.39,1.82,3.07和3.28,以有效铝酸盐A E 判断的水泥固化氯离子能力与研究者的结果完全一致.

文献[5,6,13]的一些研究结果却表明水泥中C 3A 的含量对氯离子的固化影响较小,甚至是负影响,由于研究者不了解氯离子的固化机理,认为这些研究结果不理想或者是错误的,因而在文献中没有加以解释和说明.然而这些表面上矛盾的数据却能很好地支持笔者提出的氯离子固化机理,并能很好地用该氯离子固化机理加以解释.例如,Byfors [13]研究发现高C 3A 含量的水泥(8%,Slite OPC )固化氯离子能力较C 3A 含量低的水泥(2%,Degerhamm OPC )差.

Slite OPC 和Degerhamm OPC 的化学成分和矿物组成见表2,

它们的比表面积分别为380m 2/kg 和320m 2/kg.

表2　B yfors 研究所用水泥的化学组成和矿物组成　T able 2　Chemical and mineral composition of cement in

Byfors ′research

w /%

Sample Chemical composition

CaO SiO 2Al 2O 3Fe 2O 3SO 3MgO K 2O Mineral composition C 3S C 2S C 3A C 4AF Slite

62.819.7 4.1 2.1

2.9

3.3 1.1591486Degerhamm 6

4.221.4 3.6 4.6

1.90.8

0.5

59

17

2

15

计算试验用两种水泥的有效铝酸盐A E 值分别为:

A E Slite =0.48,A E Degerhamm =1.23.用有效铝酸盐来判断水泥

对氯离子的固化能力就很好地解释了上述试验结果.

上述分析表明:以笔者提出的氯离子固化机理和用有效铝酸盐衡量水泥固化氯离子能力的方法对上面两组互为矛盾的试验数据进行分析,取得了一致的结论.因此,采用有效铝酸盐来判断水泥对氯离子的固化能力是对氯离子固化机理深入认识得出的正确结果.

4　影响水泥固化氯离子的因素4.1　水泥类型的影响

文献[4～9]的研究结果清楚表明ASTM 中抗硫酸盐水泥和V 类水泥的氯离子固化、氯离子侵入及抗腐蚀能力低于普通硅酸盐水泥.同时也表明粉煤灰或磨细高炉渣的掺入可以明显地增加混凝土对氯离子的固化、抗氯离子侵入和抗氯离子引起的锈蚀的能力[5,9～12].粉煤灰或磨细高炉矿渣的如此作用是由该材料的化学组成所决定,可以简单地解释为粉煤灰或磨细高炉矿渣中的高铝酸盐含量稀释了硫酸盐,增加AFm 相的生成.

4.2　C 3A 含量

既然本质上是Al 2O 3减1.25SO 3(质量分数)决定混凝土固化氯离子的能力,然而许多文献[4～8]却认为水泥的C 3A 含量与固化氯离子之间有良好的相关性,这是因为大多数水泥中硫酸盐和C 4AF 含量变化不大故对其固化氯离子的能

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酸　盐　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　　2000年　

4.3　外部和内部氯离子

氯离子作为拌合物组分或由外界渗入两种形式进入混凝土.在两种情况下Friedel盐的形成机制是不同的.在第一种情况下,Friedel盐是由氯离子与未水化铝酸盐相直接反应形成的.在第二种情况下,Friedel盐可通过氯离子与C4AH13反应转化所形成.C4AH13也是一种AFm相,是在缺少硫酸盐和碳酸盐的条件下C3A或C4AF的水化产物.在后一种情况下,Friedel盐的形成易于由X射线衍射证实[4];在前一种情况下,可以通过压孔抽取水泥石试样的孔溶液分析来证实水泥固化内部氯离子[5].

目前还很少有Friedel盐的定量分析结果,特别是没有对两种情况进行比较.尽管在水化过程中加入的氯离子(如作为促凝剂加入的氯化钙)与以后渗入硬化混凝土的氯离子的作用是不同的,然而,经验说明,无论氯离子是在水泥水化时或以后进入的,产生的游离和固化的氯离子的百分比例都将一样,即两种氯离子的有害作用是一样的.

4.4　温度对固化氯离子的影响

文献[5]表明,温度在8～38℃之间变化时,随温度升高固化氯离子也增多.而文献[6]则认为,温度在40～70℃之间变化时,孔溶液的氯离子富集得更多,由此可见固化氯离子减少.产生这些现象的原因在于,随着温度的升高,反应速度加快,但是在另一方面随着温度的升高,AFm相水化程度降低,层状结构的层间距减小,这使氯离子和C4AH13之间的反应更困难,降低了它们之间的转化反应.这对相互矛盾的作用在低温时就表现出加速氯离子的固化,在较高温度时就表现出降低氯离子与C4AH13之间的反应,即降低固化氯离子能力.

5　影响氯离子诱发钢筋锈蚀的因素

事实上,钢筋去钝化关键在于OH-和Cl-在钢筋混凝土界面上争取Fe2+到底谁占优势.如果钢筋周围混凝土孔隙液的OH-浓度高(即p H值高)则钝化占优势;反之,则去钝化占优势.因此,氯离子引起混凝土钢筋的去钝化并不单纯取决于钢筋周围混凝土孔隙液的游离Cl-浓度,更重要的在于[Cl-]/[OH-]值.

氯离子锈蚀钢筋的临界值的大小取决于以下因素:

孔隙溶液的p H值———随p H增加而提高;

胶凝材料中的C3A,C4AF含量———随C3A,C4AF含量增加而提高;

胶凝材料中的SO3含量———随SO3含量增加而降低;

混凝土所用胶凝材料的种类———可以上下波动;

水胶比———随水胶比的增加而降低.

钢筋与混凝土界面中游离氯离子达到临界水平的时间取决于:

水胶比———随水胶比增加而缩短;

孔隙溶液的p H值———随增加而延长;

胶凝材料中的C3A,C4AF含量———随C3A,C4AF含量增加而延长;

胶凝材料中的SO3含量———随SO3含量增加而缩短;

混凝土所用胶凝材料的种类———因为混凝土保持饱和状态,其抗氯离子锈蚀能力依次为:抗硫酸盐水泥和波特兰水泥、粉煤灰和硅灰水泥、矿渣水泥;

养护时间———随增加而延长;

混凝土保护层———随增加而延长.

除以上说明的材料因素的影响外,影响氯离子诱发钢筋锈蚀的边界因素包括:氯离子进入形式(内部或外部)、温度、腐蚀环境(碳化、硫酸盐侵蚀)等.氯离子掺入新拌混凝土和渗入硬化混凝土,虽然在时间充分长的情况下,有害作用可能是一样的,然而在早期影响是不同的.掺入新拌混凝土拌合物的氯离子是经过充分拌和的,在混凝土中氯离子的浓度分布是均匀的,而渗入硬化混凝土中的氯离子,其浓度分布却是不均匀的,所以更为不利[14].温度升高时,由于其会降低孔溶液的OH-浓度,并使Friedel盐分解,提高孔溶液中的Cl-浓度,另外由于温度升高会使水化反应加快,溶解度低、扩散性差的水化产物没有足够的时间从水泥颗粒扩散到更远处去,水泥石体的孔结构也就更差,渗透性增大,因此,钢筋锈蚀速度加快.混凝土碳化和硫酸盐侵蚀均可使已结合的单氯铝酸钙分解出Cl-,加速钢筋锈蚀.

一旦钢筋锈蚀发生,其速率主要取决于氧气在混凝土中的输送速度和混凝土的电阻率[15].在高强混凝土中,由于CO2和O2的扩散系数很低,且电阻率极高,钢筋锈蚀的可能性很小.高性能混凝土的低水灰比和火山灰反应使孔结构致密化,并且掺矿渣粉或粉煤灰的混合水泥石比普通水泥石C-S-H凝胶体吸附Cl-的能力更强,钢筋锈蚀的可能性更小.特别值得注意的是,对于高性能混凝土,当温度升高时,不仅使水泥石在水化初期就具有较高的OH-浓度,而且粉煤灰和矿渣粉的火山灰活性也随温度升高而升高,火山灰反应更激烈,这样混合水泥石在较高温度下沉积更多的C-S-H凝胶体,大大增加水泥石结合或吸附氯离子的场所和能力.

6　结　　论

(1)在氯离子侵蚀的过程中,有一部分氯离子将参入3CaO・Al2O3・CaCl2・10H2O的生成过程,即这部分氯离子被AFm相“固化”,被固化的氯离子对钢筋锈蚀无害,这个过程延缓了氯离子的渗透.

(2)AFm相的结构特征决定了其易于与许多阴离子相结合,这种结合了阴离子的AFm水化物的稳定性不同且生成顺序的优先性不同,即,SO42-优先于SO2-3,CO2-3优先于Cl-.碳化过程能够将Cl-型AFm转化为CO2-3型AFm,此过程释放出氯离子故加速了氯离子渗透和钢筋锈蚀的过

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程.硫酸盐侵蚀过程与碳化过程类似,只是程度更为强烈.

(3)决定混凝土固化氯离子能力的不是C 3A 的总含量,

而是C 3A 的总含量减去与硫酸盐反应以及碳化所消耗的铝酸盐,即有效铝酸盐含量.由于碳化因素的计算比较复杂,且主要是外界因素,实际上,对于水泥组分而言主要是硫酸盐因素,即水泥中决定混凝土固化氯化物能力应该是有效铝酸盐A E ,即Al 2O 3减去1.25SO 3(Al 2O 3,SO 3的含量是指在水泥中的质量分数).

(4)认为C 3A 含量越高,抗氯离子渗入能力越强,甚至

认为采用C 3A 含量高的水泥以降低钢筋锈蚀的危险性,这样的观点似是而非.

(5)影响水泥固化氯离子的因素包括水泥成分、氯离子

形式、温度等.水泥成分主要与有效铝酸盐含量有关.在掺入新拌混凝土和渗入硬化混凝土的氯离子的两种情况下,

Friedel ,但在时间充分长的情况下,有害

作用可能是一样的.低温时,随温度升高水泥固化氯离子增多;高温时,则反之.

(6)氯离子引起混凝土钢筋的去钝化并不单纯取决于

钢筋周围混凝土孔溶液的游离Cl -浓度,更重要的在于

[Cl -]/[OH -]值,并且受其它因素影响.而一旦钢筋锈蚀

发生,其速率主要取决于氧气在混凝土中的输送速度和混凝土的电阻率.采用高性能混凝土抗氯离子诱发钢筋锈蚀效果较佳.参考文献:

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