水性氟碳对混凝土的防护研究(多媒体).ppt

,水性氟碳防护涂层体系对混凝土的防护研究,武汉材料保护研究所南京钢铁集团公司研究院汇报人：萧以德2012.5,汇报内容,概说试验试验结果及分析、研究本文总结,一 概说,钢筋混凝土耐久性的严重性与紧迫性钢筋混凝土内置钢筋的腐蚀是导致混凝土结构破坏的最为重要原因钢筋混凝土的外加防护技术,一 概说,1.钢筋混凝土耐久性问题的严重性与紧迫性 1.1 钢筋混凝土耐久性问题的严重性 钢筋混凝土是各种建筑工程中应用最为广泛的建筑材料 混凝土桥梁为世界桥梁中的主要类型 1989年统计：欧洲混凝土桥占70%美国混凝土桥梁占72%。我国混凝土桥梁占我国桥梁的90%以上 混凝土耐久性不足，导致建筑过早破坏事故频发，已成为受世界关注、日益突出的一大灾害 1980年的北海Stavanger近海钻井平台Alexander Kjell号突然发生破坏，导致123人死亡 美国公路系统总共约60万座桥梁中，约有25万座桥梁遭到不同程度破坏，其中有的使用不足20年 我国华南地区投入使用7-25年的港口、码头设施中，有89%已经出现钢筋的锈蚀破坏，急待修补。,一 概说,1.钢筋混凝土耐久性问题的严重性与紧迫性,1.1 钢筋混凝土耐久性问题的严重性 钢筋混凝土结构腐蚀破坏导致巨大经济损失 金属腐蚀带来的经济损失占国民经济总产值的2%-4%，其中，被认 为与钢筋腐蚀有关的占40%桥梁面板腐蚀破坏致使美国用于公路桥面板修补的费用 1969年 26亿美元 1978年，63亿美元 1989年美国交通运输部门在给国会的一份关于美国公路与桥梁状况 的报告中指出：“现在积压有待修补的混凝土桥梁的维修费用为 1550亿美元”钢筋混凝土结构开裂、露筋后的修复与维护至今仍是难题,一 概说,1.钢筋混凝土耐久性问题的严重性与紧迫性 1.2混凝土强度不应再视为唯一质量指标 混凝土强度的总体平均水平反映国家土建技术水平重要标志 我国长期执行以满足“强度要求和节约资金”为原则的建设方针，导致 混凝土结构使用寿命严重降低 继续坚持强度为混凝土建筑的唯一指标，不重视耐久性势必导致耐久 性不足 1.3 耐久性是当今混凝土主要问题，应与“混凝土强度”同样受到重视 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、日益突出的灾害性问题，至使众多学者、专家认为：耐久性是当今混凝土主要问题 结构耐久性问题应当与力学性能一样同样加以重视,一 概说,2.钢筋混凝土破坏主要原因 2.1钢筋混凝土破坏原因分析 主要原因 钢筋腐蚀；冻融；服役环境腐蚀性的酸、盐等液体和气体物质；杂散电流；重载等等 钢筋腐蚀是引起混凝土破坏的最重要的原因 1991年混凝土耐久性国际学术会议上Mehta教授指出：混凝土破坏众多原因中，其重要性按以下顺序递减：钢筋腐蚀冻融浸蚀性环境（酸、盐、生化物质、高温、潮湿）的物理与 化学作用,卍,一 概说,2 钢筋混凝土破坏主要原因 2.1钢筋混凝土破坏原因分析 钢筋的腐蚀及其危害 混凝土孔隙液pH值12.513 钢筋表面生成Fe3 O4-Fe2O3钝化膜 受碳化、Cl-等 因素作用孔隙液pH值降低，pH小于11.5，钝化膜开始去钝化，钢筋出现锈蚀 锈蚀产物体积大于铁 至少1.53倍（依钢筋受氧化程度,O2充分可达7倍）锈蚀产物对周边混凝土产生的拉应力 210250Kg/cm2 钢筋腐蚀后果 混凝土绽裂 2.2海洋环境和高寒冬季撒盐除冰地区混凝土腐蚀破坏问题更为突出,一 概说,3.钢筋混凝土耐久性控制技术 3.1 混凝土耐久性资料分析 美国标准局（NBS）收集了上世纪60年代至70年代近20年间世界公开发表的有关钢筋混凝土耐久性文献资料360篇，其中混凝土成分、外加剂和结构设计 107篇混凝土外加防护技术 75篇其他（基础性研究、测试、综述等）158篇 可见在钢筋混凝土耐久性的研究方面，国外对外加防护技术的研究与高性能混凝土技术一样受到重视。3.2高性能混凝土技术 混凝土砂浆成分：双掺技术（减水剂、超细矿 物粉）：引气剂：纤维等 严格控制原材料技术质量 严格控制浇筑施工工艺、条件（模板、温度等),一 概说,3.钢筋混凝土耐久性控制技术 3.3钢筋混凝土外加防护技术 采用耐蚀钢筋 钢筋表面涂覆金属和有机涂层的防护 金属和有机涂层的防护 电化学阴极保护 水泥砂浆中添加缓蚀剂 本项目系针对已建三峡混凝土大坝保护而开展的专项研究。从而重点考虑在混凝土表面涂覆有机涂装防护体系的外加保护技术,二 试验,试验样品（1）空白砂浆试件（包括含内置钢筋砂浆试件）（2）经保护材料涂覆、浸渗防护处理的的砂浆试件（包括含内置钢筋砂浆试件）（3）自由膜型涂层试件,二 试验,试验材料及其防护体系,表 1 试验材料及防护体系类型,二 试验,3 研究技术思路与内容 3.1研究思路 防护效果 防护体系对环境介质的隔离屏蔽性能 防护寿命 防护体系的防护寿命 3.2研究实验内容 抗碳化性能试验 混凝土氯离子扩散性 涂膜水汽渗透性 涂膜氯离子渗透性 渗水压力试验 涂层抗含泥砂高流速水冲蚀性能 混凝土内置钢筋的腐蚀电化学性能。涂层紫外/冷凝加速气候老化试验,三 试验结果及其分析、研究,1.防护体系对混凝土抗碳化性能影响研究1.1关于“混凝土碳化”（中性化）所谓“碳化”就是混凝土受空气或水中CO2、SO2及各种盐等有害物质作用，与水泥石中Ca(OH)2发生中性化反应 以CO2为例，碳化反应如下：Ca(OH)2+CO2CaCO3+H2O(碳化）受 CO2进一步作用：CaCO3+CO2+H2O CaHCO3(溶出）随后毛细孔周边水泥石中羟钙石补充溶解为Ca2、OH，反向 扩散到孔隙溶液，继续上述二步反应,1.防护体系对混凝土抗碳化性能影响 1.2混凝土碳化及其危害 降低混凝土三相体系中孔隙溶液相中的pH值 使得砼本身强度下降 Ca(OH)2 溶出量达到25%时 其抗压强度 下降35.8%抗拉强度 下降66.4%结构疏松，抗介质渗透性降低 孔隙溶液相中的pH值降低使得水泥中氯化铝盐酸不再具稳定性 从而释放出Cl,加剧钢筋表面钝化膜的去钝化，促进钢筋腐蚀,三 试验结果及分析、研究,1.3试验结果 受碳化试验后，样品破型外观,三 试验结果及分析、研究1.防护体系对混凝土抗碳化性能影响,空白样品 1#样品,4#样品 5#样品,2#样品 3#样品,三 试验结果及分析、研究1.防护体系对混凝土抗碳化性能影响,1.3试验结果 试件碳化深度结果 表2 抗碳化性试验结果,三 试验结果及分析、研究1.防护体系对混凝土抗碳化性能影响1.4 讨论与分析 未处理空白样品碳化深度11.0mm 经浸/涂处理样品碳化深度0.74.8mm 浸渍类材料以4#硅烷较好 涂覆成膜型体系防混凝土碳化效果明显优于浸渍类 以同为涂覆成膜型体系的聚脲和水性氟碳相比较，在同等涂膜 厚度下，水性氟碳保护涂装体系对于控制 混凝土碳化效果更好,三 试验结果及分析、研究2防护体系对混凝土抗氯离子扩散性影响,2.1采用电通量评价混凝土Cl-渗透性（混凝土密实性）对涂/浸渗处理试样的预老化处理：先经人工加速老化86d 盐水浸渍/干燥往复循环12周期计48d 在3.5%NaCl溶液浸渍30d 在直流电流作用下，通过氯离子透过混凝土试件向正极方向迁移所测得的 电荷量进行评定混凝土抗渗性（ASTM1202-9）基于电通量的氯离子渗透性评价：按下表，根据混凝土试样电通量(库仑)测量值评价其Cl-渗透性能,三 试验结果及分析、研究2.防护体系对混凝土抗氯离子扩散性影响,2.2保护材料渗/涂处理的钢筋混凝土氯离子渗透性等级 各种混凝土的电通量及其对应Cl-渗透性等级见下表,三 试验结果及分析、研究2.防护体系对混凝土抗氯离子扩散性影响,2.3讨论与分析 未经渗/涂处理的混凝土电通量为1028 库仑，Cl-渗透性属于“低”的等级 凡经渗/涂处理的混凝土电通量为62687库仑，Cl-渗透性属 于“忽略或很低”的等级 以3#水性氟碳为面层的防护体系的混凝土电通量仅仅为62库 伦，比空白混凝土的电通量降低了95%，完全属于可以忽略 氯离子渗透影响的非渗透性等级，对混凝土抗氯离子渗透性 的提高显示了极好的效果,三 试验结果及分析、研究,3.防护涂装体系中涂膜的水汽扩散性能3.1涂层厚度和涂层组织的致密性对其屏障隔离效果具有重要影响作用 涂层防护寿命与涂层厚度的平方成正比 式中L 涂层防护寿命 h涂层厚度 D水、O2在涂膜中扩散系数 水汽透过后的涂层寿命，是膨胀内部压力（PB)和涂膜剥离应力（）的函数。,三 试验结果及分析、研究,3.保护性涂膜的水汽扩散性能 3.2试验结果,表5 水汽渗透性试验结果,3.3讨论与分析 虽然厚浆型聚脲树脂膜厚比3#水性氟碳膜厚高出近50%，但是其抗水汽渗透能力仍然低于水性氟碳涂膜。如果将二种材料抗水汽渗透率都换算成1mm单位厚度下的，则水性氟碳涂层阻止水汽渗透能力比聚脲涂层高出近一倍。,三 试验结果及分析、研究,4.保护性涂膜的Cl渗透（针对涂层体系）4.1试验表6 氯离子渗透率比较,4.2讨论与分析 就试验试件的涂膜实际厚度（聚脲膜厚为水性氟碳膜厚的150%）情况下获得的Cl渗透率而言，聚脲涂膜的Cl渗透率稍低于水性氟碳涂膜；但是在同等膜厚的情况下，则仍然是水性氟碳涂膜的抗Cl-渗透性略优于聚脲,三 试验结果及分析、研究,5.防护体系对混凝土抗渗水压力影响 5.1试验结果 表7 抗渗水压力试验结果,5.2讨论与分析 除了聚脲体系仅增加0.1MPa外，其他防护体系比未经防护处理的混凝土均可提高0.2Mp的高压水渗透压力,三 试验结果及分析、研究,.,6.混凝土内置钢筋的腐蚀电化学性能研究,6.1混凝土内置钢筋的钝化与去钝化,Fe-H2O体系的pH值-电位图（Pourbaix，1973）,三 试验结果及分析、研究,6.混凝土内置钢筋的腐蚀电化学性能研究6.2混凝土内置钢筋的钝化与去钝化内置钢筋的钝化与去钝化 混凝土具有高碱性（孔隙液PH值12.513），内置钢筋表面生成一层致密钝 化膜，成分为尖晶石固溶体Fe3O4_Fe2O3，年腐蚀率0.1m 1.0m 受CO2、SO2、SO3、H2S等作用发生的中性化反应，导致孔隙液pH值降低 孔隙液pH值降至11.5，则上述钝化膜变得不稳定，开始发生去钝化而遭受腐蚀，生成FeOOH 尤其是当有Cl-的浸入到钢筋界面，即使孔隙液为高碱性，钢筋也将遭受腐蚀。凡 Cl-/OH-之浓度比值超过0.6（临界值）后，钢筋表面将不再处于钝态，谓之 去钝化，发生严重腐蚀破坏混凝土内置钢筋的电位值与混凝土孔隙液关系 钢筋的电位直接受混凝土孔隙液的pH值及Cl-浓度影响，混凝土内置钢筋的腐蚀电位反映了试验过程中混凝土孔隙液稳定性和Cl-/OH-比值变化（孔隙液腐蚀性）。由此可根据混凝土内置钢筋腐蚀电位的变化，研究防护体系抑制环境腐蚀性物质向混凝土深层渗透的能力（即保持混凝土孔隙溶液稳定性能力）大小,三 试验结果及分析、研究,6.混凝土内置钢筋的腐蚀电化学性能研究,6.3混凝土内置钢筋电化学极化的测量结果,线性极化曲线图将带钢筋的混凝土试样先在含CO2 的试验箱碳化处理28d，於5%NaCl电解溶液中，以0.166mV/s电位扫描速度进行电化学极化测量。,三 试验结果及分析、研究6.混凝土内置钢筋的腐蚀电化学性能研究6.3混凝土内置钢筋电化学极化的测量结果由上述电化学极化测量计算得到的各种混凝土试样内置钢筋的电化学参数,三 试验结果及分析、研究,6.混凝土内置钢筋的腐蚀电化学性能研究 6.3讨论与分析 混凝土表面 无论是否经涂覆/浸渗保护处理的混凝土，其内置钢筋的腐蚀电位和腐蚀电流显示，钢筋表面都还处于钝 化状态下的不腐蚀区；和未经保护处理的混凝土试件相比，凡经防护处理的混凝土，其内置钢筋腐蚀电位值都明显正，腐蚀电流也都减小，表明5种防护体系对抑制介质向混凝土深层渗透效果是十分明星的；相对比较5种防护体系的屏蔽介质效果，它们之间的差别不是十分明显，分析其原因，可能是在电化学测量之前，对防护材料进行的的碳化加速预破坏时间不够充分，乃至它们都还具有着有效的遏制、屏蔽介质作用，并得以使混凝土孔隙液成分和PH值与试件制备之初相近。如能进一步延长碳化破坏时间，让稳定性较差的材料受到更为严重破坏，它们之间在防护性能和耐久性方面的差异可进一步凸现。尽管如此，本研究结果还是表明：采用水性氟碳体系的混凝土内置钢筋的腐蚀电位值仍然比其它的正30mV50mV以上，说明该体系具有更好的防护效果。,三 试验结果及分析、研究,7 涂层抗含泥砂高流速水冲蚀性能 7.1试验（针对涂层体系试样）试验参数：试验溶液 含1%（wt）石英砂的自来水 磨料粒径 6040目 流速 10m/s 试验温度 室温 试验时间（h）100,三 试验结果及分析、研究,7 涂层抗含泥砂高流速水冲蚀性能7.2 试验结果 表9 涂层抗含泥砂高流速水冲蚀试验结果（冲蚀面积105cm2）,三 试验结果及分析、研究,7 涂层抗含泥砂高流速水冲蚀性能 7.3讨论与分析 不考虑涂层厚度影响情况下，水性氟碳防护体系的磨蚀损耗量比聚脲涂层体系稍稍高一点，但是其差别并不明显，它们耐含泥砂高流速水冲蚀性能几乎相近；厚涂层的弹性较好，可吸收高速磨料的机械冲击能量，提高耐冲蚀性能。本研究采用的两种涂层体系厚度差别大，水性氟碳体系厚度仅为聚脲的1/10,鉴此，同等厚度下，水性氟碳体系可望比聚脲具有更佳的耐高流速含泥砂水冲蚀性能,三 试验结果及分析、研究,8 防护浸、涂材料的耐紫外/冷凝加速气候老化性能研究（目的不同防护涂/渗保护体系的防护寿命）8.1 试验 试验按如下条件和顺序，往复、循环进行,紫外光照射（波长为340nm)4h,60,冷凝4h 温度为40,三 试验结果及分析、研究,8 防护浸、涂材料的耐紫外/冷凝加速气候老化性能研究 8.2试验评价内容,试验前后水珠与试件表面接触角变化表面光泽变化以及涂膜粉化色差严重程度变化来评价它们的耐老化性,三 试验结果及分析、研究,8 防护浸、涂材料的耐紫外/冷凝加速气候老化性能研究 8.3 试验结果 经不同试验周期后的各项性能变化结果 表11 保护材料紫外/冷凝加速老化试验结果,三 试验结果及分析、研究,8 防护浸、涂材料的耐紫外/冷凝加速气候老化性能研究 8.3试验结果 不同试验周期后，不同试样表面水珠接触角试验时间变化关系比较,图5 紫外冷凝加速老化试验接触角变化率随时间关系,三 试验结果及分析、研究,8 防护浸、涂材料的耐紫外/冷凝加速气候老化性能研究8.3讨论与分析（1）自洁性能比较 试验前硅烷类浸渍防护材料水珠与表面之间的接触角较大，平均值分别 到129和144，表现良好的自洁性，但仅经1000h试验后，其接触角迅 速下降，变化率分别高达94%和64%，几乎丧失了自洁性能。试验前水性氟碳和聚脲成膜型防护体系水珠接触角虽然比单一浸渍体系 小，其自洁性略差，但是经2000h加速老化破坏后，接触角损失率 仅仅分别为17%和53%，耐老化性能明显好于后者 进一步比较二种以涂膜为保护层的材料，还可发现水性氟碳材料的自洁性 要优于聚脲，经2000hj加速气候老化，其接触角变化率明显小于后者，仅为17%,三 试验结果及分析、研究,8 防护浸、涂材料的耐紫外/冷凝加速气候老化性能研究8.3讨论与分析（2）耐候性能外观（粉化、光泽、变色）性能比较 经2000h试验后，浸渍型保护材料粉化缺陷均达3级破坏，明显 高于聚脲、水性氟碳 涂层。这一结果与实际户外大气暴露一致 无论是从失光率，还是从粉化、变色方面考虑，水性氟碳涂层的 耐候性能都明显优于聚脲，经2000h加速老化试验，其粉化、变 色结果分别为1级（属轻微老化等级），失光率也仅为17%,四 总结,本试验中所试验的5种保护材料对混凝土都具有保护功能。不同程度的提高了混凝土抗碳化、抗Cl-扩散性、抗高压水渗透性能，并对钢筋的锈蚀有抑制作用。比较成膜型与浸渗型两类保护型式发现，就其防碳化、抗气候老化两种关键性能而言，成膜型保护方式明显优于浸渗型保护方式；而就防Cl-扩散性而言，水性氟碳成膜型体系仍具有优势，但4#硅烷浸渗型材料也比较好。但总的综合性能，以成膜型保护方式的效果较为理想。,四 总结,耐紫外/冷凝加速老化试验结果表明，试验前，浸渗型保护材料的表面虽然比较低，具有一定的“荷叶”效应，自洁性较好，但是仅经1000h的紫外/冷凝加速老化试验破坏后，水珠接触角损失率达到几近66%以上；经2000h试验后，出现较严重粉化（3级）。硅烷类耐候性较不理想，其户外条件下使用时的防护寿命有限，应予以重视,四 总结,水性氟碳防护体系和聚脲树脂厚涂层同为涂膜型保护材料，从耐候性、抗Cl-和水汽渗透等屏蔽作用看，水性氟碳防护体系材料都较为明显优于聚脲树脂厚涂层材料。这一结果与成膜物中氟碳树脂F-C键的高键能、F原子的高电负性以及原子半径大于H原子等有关系 混凝土内置钢筋的电化学参数测量是一种研究与评价混凝土耐久性的理想手段之一,谢 谢！,请多提宝贵意见！,