環(huán)境因素對(duì)混凝土氯離子侵蝕對(duì)流區(qū)的影響研究

吳靈杰,傅招旗,張俊芝,朱燕東,黃 俊

(浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310032)

1 問題的提出

混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題是目前土木工程領(lǐng)域中備受關(guān)注的熱點(diǎn)課題,尤其是其中的氯鹽腐蝕環(huán)境下的耐久性,干濕交替是對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性最不利的環(huán)境之一[1]。在干濕交替區(qū),氯離子對(duì)混凝土表層的積累與侵蝕過程較復(fù)雜,是對(duì)流、擴(kuò)散等多重因素的耦合作用,而在混凝土內(nèi)部仍以擴(kuò)散作用為主。對(duì)于干濕交替下混凝土中氯離子運(yùn)輸問題,國內(nèi)外已經(jīng)做了不少研究[2-4]。研究發(fā)現(xiàn),氯離子在距離表面一定深度處,存在一個(gè)氯離子含量平穩(wěn)的區(qū)段,該區(qū)段氯離子濃度較高,在區(qū)段末逐漸降低[5]。這個(gè)區(qū)段上氯離子含量的峰值點(diǎn)可看作是毛細(xì)管吸附和擴(kuò)散這2種遷移方式的分水嶺。濃度峰值以內(nèi)稱為擴(kuò)散區(qū),氯離子主要是以擴(kuò)散的方式遷移;濃度峰值以外稱為對(duì)流區(qū),氯離子主要是以毛細(xì)管吸收的方式遷移[6]。

張俊芝等[7]對(duì)錢塘江河口區(qū)一線海塘上服役期分別為37 a和27 a的水閘閘墩混凝土進(jìn)行檢測(cè)分析,發(fā)現(xiàn)對(duì)流區(qū)深度在10～20mm徘徊;范宏等[8]通過對(duì)暴露26 a后的青島北海船廠碼頭中大量混凝土芯樣中氯離子分布的分析和計(jì)算,認(rèn)為對(duì)流區(qū)深度約為15 mm;文獻(xiàn) [6]對(duì)暴露24 a后的日照港煤碼頭鋼筋混凝土梁的氯離子分布進(jìn)行了測(cè)試分析,所得到的對(duì)流區(qū)深度均在10 mm左右;王傳坤等[9]對(duì)已服役70個(gè)月的浙江嘉興乍浦港碼頭的一堵混凝土墻進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn),測(cè)得的對(duì)流區(qū)深度在7 mm附近;文獻(xiàn)[10-11]通過人工氣候環(huán)境下大量的試驗(yàn)研究,認(rèn)為人工氣候環(huán)境下,腐蝕混凝土中均出現(xiàn)了與自然環(huán)境侵蝕相似的特性,存在明顯的對(duì)流區(qū)。

長期以來,國內(nèi)外學(xué)者傾向于用Fick第二定律及其恒定邊界條件的非穩(wěn)態(tài)解析解來計(jì)算氯離子在混凝土中傳輸過程。但是在干濕循環(huán)條件下,由于對(duì)流區(qū)的存在,對(duì)表層混凝土的擬合往往難以得到令人滿意的結(jié)果。本文以室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)干濕循環(huán)條件下腐蝕混凝土試件為研究對(duì)象,研究不同水灰比和侵蝕時(shí)間對(duì)混凝土中對(duì)流區(qū)深度的影響,可為干濕循環(huán)條件下計(jì)算混凝土中氯離子的傳輸提供了參考依據(jù)。

2 干濕循環(huán)條件下混凝土氯離子侵蝕試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)以錢塘江河口下游區(qū)域的氣候和氯鹽環(huán)境為背景,設(shè)計(jì)人工氣候參數(shù),通過氣候環(huán)境模擬裝置形成一個(gè)加速侵蝕的人工氣候環(huán)境,以達(dá)到進(jìn)行建筑材料與結(jié)構(gòu)耐久性能加速試驗(yàn)的目的[10-11]。試驗(yàn)中采用NaCl濃度為5%的鹽霧從上部向下部噴灑,以達(dá)到加速腐蝕的效果,設(shè)置的噴霧腐蝕時(shí)間為 2 h,干燥腐蝕46 h?；炷敛捎缅X潮牌P·O32.5R級(jí)水泥,所用骨料的最大粒徑40 mm,砂子采用河砂,其細(xì)度模數(shù)為2.7,拌和用水及養(yǎng)護(hù)用水為當(dāng)?shù)刈詠硭?試驗(yàn)構(gòu)件為φ 100 mm×60 mm的圓盤型混凝土試件,水灰比分別為0.45,0.50,0.55,0.59和0.61。

2.2 試驗(yàn)方法及結(jié)果

將不同配合比的5組混凝土試件放入養(yǎng)護(hù)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d,然后將試塊放入上述人工氣候試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)。對(duì)不同上述試件分別經(jīng)過40,80,120,160和200 d的腐蝕后及時(shí)取出,從表面每隔2 mm打磨取樣,收集混凝土粉末試樣?；炷林械淖杂陕入x子濃度(占混凝土質(zhì)量的百分?jǐn)?shù))用美國Thermo 720A酸度計(jì)測(cè)定[12]。測(cè)得腐蝕40 d后混凝土不同深度處氯離子濃度結(jié)果見圖1。

圖1 室內(nèi)試驗(yàn)腐蝕40 d混凝土試件自由氯離子濃度隨深度變化圖

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖1可知,室內(nèi)人工氣候環(huán)境(干濕循環(huán))下,混凝土試件在距離表面5～10 mm存在著明顯的對(duì)流區(qū)。按照前述分析可知,氯離子含量在一定深度處存在著一個(gè)局部的峰值,之后隨著深度的增加逐漸降低,該峰值出現(xiàn)的位置即認(rèn)為對(duì)流區(qū)深度[10]。計(jì)算得到水灰比不同時(shí)對(duì)流區(qū)深度的值見圖2。

圖2 室內(nèi)試驗(yàn)不同水灰比下混凝土試件對(duì)流區(qū)深度圖

如圖2所示,混凝土試件對(duì)流區(qū)深度隨著水灰比變化而上下波動(dòng),對(duì)于養(yǎng)護(hù)28 d、腐蝕200 d的混凝土試件,對(duì)流區(qū)最大深度是6.9 mm,最小深度則為6.1 mm;而腐蝕28 d的試件對(duì)流區(qū)最小深度為4.3 mm,最大深度為5.1mm。因此,水灰比的變化對(duì)對(duì)流區(qū)深度的影響并不明顯,與文獻(xiàn) [12]的試驗(yàn)研究結(jié)論類似;但腐蝕時(shí)間對(duì)對(duì)流區(qū)深度有一定影響,隨著腐蝕時(shí)間的增加,對(duì)流區(qū)深度逐漸增長,腐蝕40 d的混凝土試件對(duì)流區(qū)深度約為4～5 mm,當(dāng)腐蝕天數(shù)為200 d時(shí),對(duì)流區(qū)深度在6～7 mm徘徊。

3 感潮河口自然環(huán)境條件下混凝土氯離子侵蝕

3.1 試驗(yàn)條件及設(shè)計(jì)

5根不同水灰比的混凝土梁,成型之后養(yǎng)護(hù)28 d,將其放置在錢塘江海寧段某丁壩上,進(jìn)行河口自然環(huán)境下的混凝土氯離子侵蝕試驗(yàn)。

試驗(yàn)采用錢潮牌P·O32.5R級(jí)水泥,骨料最大粒徑為40 mm。砂子采用河砂,其細(xì)度模數(shù)為2.5,拌合用水及養(yǎng)護(hù)用水為杭州當(dāng)?shù)刈詠硭?。為比較抗侵蝕效果,混凝土中不摻加任何外加劑?？紤]到不同時(shí)刻取樣需要,試件為混凝土梁,保護(hù)層為25 mm。在混凝土梁成型面預(yù)埋2個(gè)鐵環(huán),用鋼絲繩穿過鐵環(huán),將梁綁扎在混凝土丁壩上。每隔120 d對(duì)試驗(yàn)梁取樣1次以測(cè)試試驗(yàn)梁混凝土中氯離子濃度,每根梁每次取1個(gè)芯樣,取樣所用取芯機(jī)直徑為50 mm。取樣后,及時(shí)用環(huán)氧樹脂進(jìn)行封堵,以免氯離子從取樣孔側(cè)進(jìn)入試驗(yàn)梁中。

3.2 自由氯離子濃度測(cè)試及結(jié)果分析

根據(jù)前述的檢測(cè)方法,測(cè)得不同水灰比試驗(yàn)梁混凝土中的氯離子濃度隨滲透深度的分布見圖3。

根據(jù)圖3分析,試驗(yàn)梁在河口自然環(huán)境條件下也存在明顯的對(duì)流區(qū),不同水灰比梁取得的混凝土芯樣中自由氯離子濃度基本在4～8 mm達(dá)到峰值。根據(jù)實(shí)測(cè)的氯離子濃度值,得到的對(duì)流區(qū)深度值見圖4。

圖4 感潮河口環(huán)境不同水灰比下混凝土試件對(duì)流區(qū)深度圖

由于該試驗(yàn)梁所處的丁壩位于錢塘江河口,其氯化物受沖淤、潮差大小的影響,又受上游下泄水量的影響,變化較大。相比于人工氣候環(huán)境(干濕循環(huán)),河口自然環(huán)境下的對(duì)流區(qū)深度變化出現(xiàn)了較大的隨機(jī)性。分析圖4可知,河口自然環(huán)境條件下,延長腐蝕時(shí)間對(duì)對(duì)流區(qū)深度的影響不十分明顯。這一結(jié)論與前述人工氣候環(huán)境下的分析結(jié)果有所不同,其中主要原因是河口自然環(huán)境下所采集到的3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)腐蝕時(shí)間間隔過短,自然環(huán)境下環(huán)境中氯離子濃度較低等。人工氣候環(huán)境下2組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為160 d,根據(jù)試驗(yàn)環(huán)境要求設(shè)置,其相當(dāng)于自然環(huán)境下的20 a,而河口自然環(huán)境下所采集到的2組試驗(yàn)數(shù)據(jù)腐蝕時(shí)間間隔僅為120 d。因此,隨著自然環(huán)境條件下腐蝕時(shí)間的延長,其對(duì)對(duì)流區(qū)深度的影響也應(yīng)隨之增加。

4 結(jié) 語

本文通過對(duì)室內(nèi)人工氣候環(huán)境和感潮河口自然環(huán)境下的腐蝕混凝土試驗(yàn),研究了不同水灰比和侵蝕時(shí)間對(duì)混凝土中對(duì)流區(qū)深度的影響。通過試驗(yàn),可得到的結(jié)論為:

(1)干濕循環(huán)條件下,無論是室內(nèi)試驗(yàn)條件還是自然環(huán)境條件下,腐蝕混凝土在距離試件表面一定深度存在一個(gè)局部峰值,即均存在明顯的對(duì)流區(qū)。

(2)室內(nèi)人工氣候環(huán)境 (干濕循環(huán))和感潮河口自然環(huán)境下,腐蝕時(shí)間對(duì)對(duì)流區(qū)深度均有一定影響,延長腐蝕時(shí)間可以增加對(duì)流區(qū)的深度。

(3)在室內(nèi)人工氣候環(huán)境(干濕循環(huán))和感潮河口自然環(huán)境下,混凝土水灰比的改變對(duì)對(duì)流區(qū)深度的影響并不明顯。

[1]李春秋,李克非,陳肇元.干濕交替下混凝土內(nèi)水分影響深度的數(shù)值分析 [C]∥第六屆全國土木工程研究生學(xué)術(shù)論壇論文集.北京:清華大學(xué),2008.

[2]Gang Lin,YinghuaLiu,Zhihai Xiang.Numerical modeling for predicting service life of reinforced concrete structures exposed to chloride environments[J].Cement&Concrete Composites,2010(32):571-579.

[3]K.Hong,R.D.Hooton.Effects of cyclic chloride exposure on penetration of concrete cover[J].Cement and Concrete Research,1999(29):1379-1386.

[4]T.Vidal,A.Castel,R.Francois.Corrosion process and structural performance of a 17 year old reinforced concrete beam stored in chloride environment[J].Cement and Concrete Research,2007(37):1551-1561.

[5]范宏,趙鐵軍,F.H.Wittmann.基于氯離子分布的氯離子滲透參數(shù)計(jì)算的新方法 [J].港工技術(shù),2006(3):19-22.

[6]高祥壯,孔瑋,田惠文,等.暴露24 a后碼頭鋼筋混凝土梁的碳化和氯離子分布 [J].港口科技,2010(10):16-22.

[7]張俊芝,王建澤,周建民,等.自然環(huán)境下既有混凝土的氯離子侵蝕及隨機(jī)性研究[J].工業(yè)建筑,2009,39(3):77-80.

[8]范宏,趙鐵軍,田礫,等.暴露26 a后的混凝土的碳化和氯離子分布[J].工業(yè)建筑,2009,36(8):50-53.

[9]王傳坤,高祥杰,趙羽習(xí),等.混凝土表層氯離子含量峰值分布和對(duì)流區(qū)深度 [J].硅酸鹽通報(bào),2010,29(2):262-267.

[10]魯列.荷載與氯鹽環(huán)境下混凝土構(gòu)件的腐蝕試驗(yàn)研究 [D].杭州:浙江工業(yè)大學(xué),2010.

[11]周劍.混凝土氯離子擴(kuò)散性能影響因素的試驗(yàn)研究 [D].杭州:浙江工業(yè)大學(xué),2010.

[12]周勝兵.環(huán)境因素與彎曲荷載對(duì)混凝土抗腐蝕性能影響的試驗(yàn)研究 [D].杭州:浙江工業(yè)大學(xué),2011.