海洋環(huán)境下混凝土中氯離子傳輸規(guī)律

孫朋朋，趙鐵軍，金祖權(quán)，高祥壯，徐建光

(青島理工大學(xué)土木學(xué)院，山東青島 266033)

0 引言

自19世紀(jì)20年代波特蘭水泥問世以來，混凝土逐漸被廣泛應(yīng)用于各類建筑中。實際工程和實驗研究證明，混凝土結(jié)構(gòu)在惡劣環(huán)境條件下會受到物理和化學(xué)的強烈侵蝕作用，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的耐久性不足，發(fā)生破壞。全球呈現(xiàn)出大量混凝土結(jié)構(gòu)由于耐久性問題造成的巨大經(jīng)濟損失:19世紀(jì)30年代建造的美國俄勒岡州Alsae海灣上的多拱大橋，由于混凝土的水膠比問題使結(jié)構(gòu)在短時間內(nèi)侵入大量氯離子，造成結(jié)構(gòu)最終無法修復(fù)而拆除、更換［1］;英國為解決海洋環(huán)境下混凝土建筑物的腐蝕與防護問題，每年就花費近20億英鎊［2］。當(dāng)前，我國沿海及海洋工程建設(shè)增長迅速，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題同樣也十分嚴重［3］。

海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題日益彰顯，從而引發(fā)了一系列的耐久性研究。近年來，國內(nèi)外關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)氯離子侵蝕方面的研究較多，但不系統(tǒng)［4-5］。文獻［6］指出，暴露于海洋環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)，由氯離子侵蝕引起的破壞損傷程度隨結(jié)構(gòu)所處的暴露位置不同而不同。為了更準(zhǔn)確地獲得海洋不同腐蝕區(qū)域下氯離子傳輸機制和規(guī)律，本人在借鑒前人的試驗方法及試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過采用實海暴露試驗，研究在海洋大氣區(qū)、水下區(qū)和潮汐區(qū)混凝土中氯離子的分布規(guī)律，并分析暴露時間對海洋環(huán)境下不同區(qū)域混凝土中氯離子傳輸?shù)挠绊憽?/p>

1 試驗概況

1.1 原材料與配合比

采用水泥為P·O42.5;粗骨料為5～25mm的花崗巖碎石，連續(xù)級配，壓碎值小于12%;細骨料為中砂，細度模數(shù)2.7;聚羧酸高效減水劑?；炷僚浜媳热绫?所示。

表1 每立方混凝土配合比及力學(xué)性能Table1 Mixingproportionsandmechanicalperformanceofconcrete

1.2 試驗方法

試驗采用100mm×100mm×100mm的立方體混凝土試塊，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28d，用環(huán)氧樹脂將除靠鋼模面的2個相對面的其余4個面密封，目的在于讓氯離子在混凝土試塊內(nèi)一維擴散，得到較直觀的氯離子擴散情況。待環(huán)氧樹脂在混凝土試塊表面完全干透后，將試塊運至實海暴露區(qū)(如圖1所示)。試驗區(qū)域分為大氣區(qū)、潮汐區(qū)和水下區(qū)，暴露時間為1月和3月，達到暴露時間后，從海邊取回試塊，在實驗室50℃的烘箱內(nèi)烘干至恒重。用分層打磨機將試塊按mm分層磨粉取樣(混凝土試塊在經(jīng)受一定時間的氯離子侵蝕后，采用自行設(shè)計加工的干磨混凝土粉末機)，如圖2所示，將試件固定在夾具上，暴露在氯鹽環(huán)境下的表面與打磨片平行，每次增進1mm打磨試塊表面，收集本層打磨出的粉末過60目篩，取粉裝入塑封密封袋內(nèi)，由表及內(nèi)依次打磨。用化學(xué)滴定法取氯離子質(zhì)量分數(shù)平均值并繪制曲線，對比分析實海環(huán)境試驗中混凝土氯離子的傳輸機制。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 不同區(qū)域混凝土中氯離子傳輸?shù)囊?guī)律

將4個配合比(A，B，C，D)的試塊在大氣、潮汐和水下區(qū)暴露3月后磨粉測其氯離子質(zhì)量分數(shù)，氯離子與滲透深度關(guān)系曲線如圖3所示。

從圖3可知:由于海洋大氣中的氯離子質(zhì)量分數(shù)很低，所以大氣區(qū)的混凝土中氯離子質(zhì)量分數(shù)很低，氯離子入侵深度小;潮汐區(qū)的混凝土主要遭受干濕交替腐蝕，3月中只有部分時間與海水接觸，氯離子質(zhì)量分數(shù)較水下區(qū)低;水下區(qū)的混凝土長期處于海水浸泡環(huán)境中，氯離子來源充足，導(dǎo)致混凝土中的氯離子質(zhì)量分數(shù)比其他2個區(qū)域都高。由于潮汐區(qū)的干濕交替作用，潮汐區(qū)的混凝土表面腐蝕比水下區(qū)嚴重。

2.2 暴露時間對混凝土中氯離子傳輸?shù)挠绊?/h3>

將4個配合比(A，B，C，D)的混凝土試塊在潮汐區(qū)暴露1月和3月后分別磨粉測其氯離子質(zhì)量分數(shù)，氯離子質(zhì)量分數(shù)與滲透深度關(guān)系曲線如圖4所示。

從圖4中可以看出:隨著暴露時間的延長，氯離子通過緩慢的擴散滲入到混凝土的更深處，并且較之前相同位置的氯離子質(zhì)量分數(shù)增大。

2.3 混凝土配合比的影響

將4個配合比(用A，B，C，D表示)的混凝土試塊在潮汐區(qū)和水下區(qū)腐蝕3月后分別磨粉測其氯離子質(zhì)量分數(shù)，氯離子質(zhì)量分數(shù)與滲透深度關(guān)系曲線如圖5所示。

通過采用4個配合比的混凝土在潮汐區(qū)和水下區(qū)腐蝕3月的滴定結(jié)果進行對比，試驗發(fā)現(xiàn):2個區(qū)域的混凝土氯離子質(zhì)量分數(shù)由高到低的規(guī)律相同，皆為A＞B＞C＞D;在相同的干燥程度和浸泡時間的情況下，水灰比大的混凝土，氯離子侵入深度更大。由于水泥石的毛細孔是混凝土水灰比的函數(shù)，水灰比的大小決定了混凝土的孔隙分布，使混凝土的吸收量出現(xiàn)差異，隨著水灰比的增大，毛細孔隙率增大，相同深度處存在更多的毛細孔，使氯離子可自由分布的空間更大。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

1)暴露時間一定，放在不同區(qū)域的混凝土試塊氯離子質(zhì)量分數(shù)由高到底依次為水下區(qū)、潮汐區(qū)和大氣區(qū)。從試塊表面腐蝕情況來看，由于潮汐區(qū)的干濕循環(huán)交替作用，潮汐區(qū)的混凝土試塊腐蝕比水下區(qū)嚴重。

2)暴露區(qū)域相同時，混凝土試塊氯離子質(zhì)量分數(shù)隨暴露時間的增加而增大，并隨深度的增加而減小，最后趨于穩(wěn)定。

3)在暴露時間和區(qū)域都相同的條件下，混凝土抗氯離子的侵蝕能力隨水灰比的增大而減小。隨著水灰比增大，毛細孔隙率增大，從而氯離子在混凝土中的滲透性增大。

3.2 討論

耐久性是一個復(fù)雜的問題，其研究是一個長期的過程，本文僅就海洋環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)做了短期的氯離子入侵研究。就本文已有的試驗結(jié)果，筆者認為以下幾個問題可進一步研究。

1)建立實驗室加速試驗和暴露試驗之間的聯(lián)系。實海暴露試驗由于其所處環(huán)境因素的不穩(wěn)定性，很難從試驗中準(zhǔn)確得出最終結(jié)論，若能將室內(nèi)加速試驗同實海暴露試驗二者同步對比，最終結(jié)果將更有參考價值。

2)制作適合長期氯離子侵蝕試驗的試塊，增加混凝土耐久性實驗數(shù)據(jù)的積累。理論研究的正確性需要大量的試驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)的支持，混凝土結(jié)構(gòu)中的氯離子傳輸具有很大的離散性，只有通過長期的試驗，綜合分析數(shù)據(jù)才能完善相關(guān)理論。

［1］ 洪定海.混凝土中鋼筋的腐蝕與保護［M］.北京:中國鐵道出版社，1998.

［2］ 洪乃豐.混凝土中鋼筋腐蝕與防護技術(shù)(1):鋼筋腐蝕危害與對混凝土的破壞作用［J］.工業(yè)建筑，1999(8):66-68.(HONGNaifeng.Steel corrosion and protective technology in concrete(1):Damage of steel corrosion and failure effect on concrete［J］.Industrial Construction，1999(8):66-68.(in Chinese))

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