鹽霧狀態(tài)下氯離子在混凝土中擴(kuò)散規(guī)律研究

閻西康 杜琳倩 丁其元

沿海環(huán)境的建筑物，由于氯離子侵蝕引起混凝土結(jié)構(gòu)承載力降低的問(wèn)題非常普遍[1，2]。本文利用人工鹽霧對(duì)鋼筋混凝土梁進(jìn)行加速腐蝕，研究混凝土中氯離子擴(kuò)散規(guī)律，對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)和評(píng)估具有重要意義。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

1)試驗(yàn)方案。本試驗(yàn)?zāi)M海邊環(huán)境下 20年時(shí)間的腐蝕狀況，共設(shè)計(jì)了 10根鋼筋混凝土梁。試驗(yàn)梁設(shè)計(jì)成兩種強(qiáng)度，分為A，C兩個(gè)型號(hào)。試驗(yàn)采用由天津?yàn)I海漢拿混凝土有限公司生產(chǎn)的商品混凝土，梁的參數(shù)及配合比見(jiàn)表 1。2)噴霧方案。本試驗(yàn)使用河北工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室的鹽霧腐蝕箱制造鹽霧環(huán)境，鹽霧的濃度確定為 5.5%，經(jīng)計(jì)算可模擬顯示環(huán)境中 20年腐蝕時(shí)間[3]。前后共 8個(gè)月 240天，每 60天為一個(gè)周期，共 4個(gè)周期。為加速腐蝕，模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的干濕交替狀態(tài)，使用間斷噴霧，噴霧20min，歇息 40min，每天噴霧 8h。10根梁分為 5組。3)氯離子測(cè)定方法。利用實(shí)驗(yàn)室中相關(guān)儀器，將梁 A和梁 C上、中、下3個(gè)表面按照 0mm～5mm，5mm～10mm，10mm～15mm，15mm～20mm，20mm～25mm五個(gè)深度取砂漿粉末。按照 JTJ 270-98水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程中相關(guān)方法滴定測(cè)量砂漿粉末取樣中游離態(tài)、結(jié)合態(tài)的氯離子含量。

表1 梁的試驗(yàn)參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 游離態(tài)和結(jié)合態(tài)氯離子變化規(guī)律

混凝土中氯離子存在形式有兩種，游離態(tài)和結(jié)合態(tài)。氯離子進(jìn)入混凝土內(nèi)部時(shí)先以形成結(jié)合態(tài)的氯離子為主，后以形成游離態(tài)氯離子為主。對(duì)比圖 1和圖 2可知，兩種形態(tài)氯離子隨距離混凝土表面深度增加而減少，與腐蝕時(shí)間無(wú)關(guān)。結(jié)合態(tài)的氯離子隨時(shí)間增加漲幅不大，游離態(tài)氯離子卻隨腐蝕時(shí)間的增長(zhǎng)數(shù)量有較大幅度增加。從圖 2中可看出，經(jīng)歷 4個(gè)周期腐蝕后，A梁上表面游離態(tài)氯離子含量最高約 1.2%，曲線斜率減小，表明氯離子擴(kuò)散速率減慢。氯離子在混凝土中擴(kuò)散主要依靠?jī)煞N作用，毛細(xì)虹吸作用和依靠梯度濃度，前者主要在混凝土不飽和情況下，距離混凝土表面 0mm～25mm范圍內(nèi)混凝土內(nèi)部基本飽和，不再依靠毛細(xì)虹吸作用，而依靠濃度梯度進(jìn)行擴(kuò)散。

2.2 不同水灰比條件下氯離子變化規(guī)律

本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了兩種水灰比，0.47的A梁和 0.41的 C梁。圖 3與圖 4是梁A上表面和梁C中表面氯離子總含量的變化圖。無(wú)論哪種水灰比的梁，隨深度增加氯離子數(shù)量減少，隨腐蝕時(shí)間增加氯離子數(shù)量增加，與 Fick第二擴(kuò)散定律中線性擴(kuò)散假設(shè)相符。從圖 3與圖 4中可看出，A梁的氯離子總含量最高約 1.4%，C梁的氯離子總含量最高約 1.2%，兩者相差約 0.2%，造成此種差異是由于兩者水灰比不同，但試驗(yàn)結(jié)束時(shí)無(wú)法測(cè)得氯離子數(shù)量上限。圖 5與圖 6將不同水灰比條件下氯離子擴(kuò)散總量進(jìn)行對(duì)比，從圖 5與圖 6中可看出，氯離子擴(kuò)散數(shù)減小水灰比不但減少氯離子擴(kuò)散數(shù)量，也減緩了擴(kuò)散速率。以 10mm～15mm為分界線，隨深度增加擴(kuò)散速率減緩趨勢(shì)明顯。

2.3 氯離子在混凝土中的擴(kuò)散深度

通過(guò)對(duì)不同位置，腐蝕時(shí)間氯離子數(shù)據(jù)整理。利用線性插值方法整理得到不同腐蝕時(shí)間下氯離子在混凝土中擴(kuò)散最大深度，見(jiàn)表 2。

表2 氯離子擴(kuò)散深度 mm

從表 2中可以看到氯離子能夠達(dá)到的最大深度為 37mm，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出保護(hù)層厚度。在第 2個(gè)腐蝕周期的時(shí)候，梁 A下表面的腐蝕深度已達(dá)到24.5mm，本次試驗(yàn)?zāi)M海邊大氣環(huán)境中 20年時(shí)間腐蝕，意味著在現(xiàn)實(shí)海邊大氣環(huán)境中大約 10年的時(shí)間，氯離子就穿透保護(hù)層厚度，對(duì)處于底部的縱筋進(jìn)行全面腐蝕。這說(shuō)明氯離子對(duì)于建筑物的危害不但巨大而且非常迅速。

3 混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)研究

現(xiàn)有條件下對(duì)鹽霧環(huán)境下的擴(kuò)散模型研究，主要是對(duì)Fick第二定律中的擴(kuò)散系數(shù) D進(jìn)行修正。結(jié)合本次試驗(yàn)得到的試驗(yàn)數(shù)值，按照下式計(jì)算氯離子在鹽霧環(huán)境中混凝土的擴(kuò)散系數(shù) Dcl::

表3 氯離子擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算表

本次試驗(yàn)利用相關(guān)課題總結(jié)出的計(jì)算模型，計(jì)算在本次試驗(yàn)條件下的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，從表 3計(jì)算結(jié)果可看出，上表面氯離子擴(kuò)散系數(shù)要大于下表面。計(jì)算得出 C20氯離子的擴(kuò)散系數(shù)為11mm2/年，C25氯離子的擴(kuò)散系數(shù)為 6mm2/年左右。由于各方面條件限制，及采集數(shù)據(jù)時(shí)某些無(wú)法避免的偶然誤差，最后計(jì)算得出的氯離子系數(shù)并不完全準(zhǔn)確，還需要進(jìn)行大量試驗(yàn)，采集更多數(shù)據(jù)進(jìn)一步修正。

4 結(jié)語(yǔ)

本試驗(yàn)通過(guò)模擬海邊大氣環(huán)境下 20年氯離子腐蝕環(huán)境，得到以下結(jié)論:1)被氯離子腐蝕的混凝土，其內(nèi)部氯離子的含量是由外向內(nèi)近似線性減少，基本符合著名的Fick第二擴(kuò)散定律的線性假設(shè)。2)試驗(yàn)證明氯離子的擴(kuò)散深度與腐蝕時(shí)間存在著正比的關(guān)系，其隨著腐蝕時(shí)間的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。經(jīng)歷 4個(gè)周期腐蝕后，C20的 A梁中氯離子最大含量為 1.4%，C25的 C梁中為 1.2%。但無(wú)法確定氯離子進(jìn)入混凝土上限數(shù)值，需進(jìn)一步研究。3)混凝土的水灰比對(duì)氯離子在混凝土中擴(kuò)散具有重要影響。試驗(yàn)證明，混凝土水灰比越小，擴(kuò)散進(jìn)入混凝土內(nèi)部的氯離子總量就越少。減小水灰比不但可減小擴(kuò)散數(shù)量也可減小擴(kuò)散速率。4)通過(guò)氯離子擴(kuò)散深度圖可以發(fā)現(xiàn)，氯離子擴(kuò)散深度具有階段性，越變階段與滲透深度發(fā)展階段，越變階段時(shí)間較短，滲透發(fā)展階段時(shí)間較長(zhǎng)。5)通過(guò)本次試驗(yàn)計(jì)算得出 C20氯離子的擴(kuò)散系數(shù)為11mm2/年，C25氯離子的擴(kuò)散系數(shù)為 6mm2/年左右。

[1] Meiraa G R，Andradeb M C.Measurements and modelling of marine salt transportation and deposition in a tropical egion in Brazil[J].Atmospheric Environment，2006(40):5596-5607.

[2] Song Ha-won，Lee Chang-hong，Ann Ki-yong.Factors influencing chloride transport in concrete structures exposed to marine environments[J].Cement and Concrete Composites，2008(30):113-121.

[3] 游勁秋，胥瑞芳，孟祥森.近海大氣環(huán)境下的鋼筋混凝土保護(hù)技術(shù)研究[J].浙江建筑，2005(10):81-87.

[4] 閻西康.鹽腐蝕鋼筋混凝土構(gòu)件力學(xué)性能試驗(yàn)研究[D].天津:天津大學(xué)博士論文，2005.