環(huán)境條件和應(yīng)力水平對混凝土中氯離子傳輸?shù)挠绊?/h1>

2013-08-22 06:23:52張偉平張慶章顧祥林鐘麗娟黃慶華

江蘇大學學報(自然科學版)訂閱 2013年1期 收藏

關(guān)鍵詞：鹽霧擴散系數(shù)氯離子

張偉平，張慶章，顧祥林，鐘麗娟，黃慶華

(同濟大學土木工程學院，上海 200092)

處于沿海或海洋環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)長期受到鹽霧作用，由于鹽霧中的氯離子侵蝕會引起混凝土中的鋼筋銹蝕，降低混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力和使用性能，影響結(jié)構(gòu)的耐久性［1-2］.雖然鹽霧環(huán)境下混凝土的自然暴露試驗可以較真實地反映氯離子侵蝕情況，但因試驗周期長、重現(xiàn)性差，目前的試驗數(shù)據(jù)尚不足以用來揭示環(huán)境因素的影響規(guī)律，不能實現(xiàn)耐久性壽命預(yù)測.加速試驗可以成為探索氯離子傳輸規(guī)律的有效手段［3］.

鹽霧環(huán)境下，氯離子侵入混凝土的過程主要是氯離子質(zhì)量濃度差引起的擴散過程，一般用經(jīng)典的Fick第二定律來描述該過程.其中表面氯離子質(zhì)量分數(shù)和氯離子擴散系數(shù)是影響氯離子擴散的基本參數(shù).表面氯離子質(zhì)量分數(shù)是氯離子在混凝土中傳輸?shù)闹饕?qū)動力.實際工程調(diào)查發(fā)現(xiàn)不同角度侵蝕面會引起表面氯離子質(zhì)量分數(shù)的變化［4］.氯離子在混凝土中的擴散不是線性、穩(wěn)態(tài)的過程，擴散系數(shù)是隨著外界環(huán)境條件和應(yīng)力水平等變化的函數(shù)［5］.基于此，眾多學者在Fick第二定律的基礎(chǔ)上提出了考慮不同環(huán)境和荷載水平等因素的修正傳輸模型，研究了不同因素產(chǎn)生的加速效應(yīng)［6］.但是，目前已有研究成果尚難以建立加速試驗和自然試驗之間的相關(guān)性.

為建立加速試驗和自然試驗相關(guān)性，擬重點研究外部環(huán)境對氯離子在混凝土中擴散的影響.為了能夠在短期內(nèi)達到較好的加速效果，選用不加摻合料的普通混凝土試件進行不同侵蝕面角度、不同氯化鈉溶液質(zhì)量濃度、不同溫度、不同壓應(yīng)力水平下的氯離子侵蝕加速試驗，以便更好地確定各因素對氯離子在混凝土中擴散的影響規(guī)律.

1 混凝土鹽霧侵蝕加速試驗

1.1 試件設(shè)計

試驗采用兩種類型水泥.第Ⅰ種是上海海螺水泥有限公司生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥.第Ⅱ種采用P.I52.5水泥，其中堿的質(zhì)量分數(shù)(以ρ(Na2O)+0.658ρ(K2O)計)不大于 0.60%，細度為 350 m2·kg-1.細骨料采用河砂，細度模量為2.68.粗骨料采用5～20 mm連續(xù)級配的碎石.細骨料和粗骨料用清水沖洗干凈晾干后使用.兩種類型水泥混凝土的配合比相同，各組分質(zhì)量比m(水泥)∶m(水)∶m(砂)∶m(粗骨料)=1∶0.53∶2∶3.試驗采用素混凝土試件，不加應(yīng)力和加應(yīng)力試件尺寸分別為100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×300 mm.

除水泥種類外，重點研究試件侵蝕面角度θ、氯化鈉溶液質(zhì)量濃度c、環(huán)境溫度和應(yīng)力水平等參數(shù)對鹽霧侵蝕的影響，試件參數(shù)如表1所示，其中n為試件數(shù)量.試驗時試件測試面角度分為水平向上、垂直和45°3種情況，如圖1所示，其中陰影面為氯離子侵蝕面.

表1 試件參數(shù)設(shè)置

圖1 不同侵蝕角度的試件

1.2 壓應(yīng)力施加裝置

試件澆筑后，在溫度為(20±3)℃，相對濕度大于90%的環(huán)境中標準養(yǎng)護28 d，然后對試件C9，C10和C11施加壓應(yīng)力.

施加壓應(yīng)力裝置由2塊鋼板和4根螺桿組成(見圖2)，通過擰螺栓施加壓力.為了方便操作，4根螺桿底部與鋼板焊接連接.施壓之前，利用一組P.O42.5水泥混凝土棱柱體試件測定試件混凝土抗壓強度平均值為25.8 MPa.利用試驗機加壓至預(yù)設(shè)值水平，然后擰緊螺栓，試驗機逐漸釋放壓力，在試驗機卸載過程中混凝土有一定的應(yīng)力恢復(fù).利用應(yīng)變片測量的4根螺桿的應(yīng)變值計算卸載后混凝土實際受力水平值(小于預(yù)設(shè)值)，然后通過擰螺栓施壓，直至達到目標應(yīng)力.為防止裝置在試驗中發(fā)生銹蝕，對其進行了防腐處理.

圖2 壓應(yīng)力試驗裝置

1.3 鹽霧侵蝕環(huán)境的模擬

鹽霧侵蝕試驗是在鹽霧箱內(nèi)進行的，其中鹽霧箱的工作原理如圖3所示.該方法借助于壓縮空氣將鹽溶液壓入噴嘴，再將鹽溶液噴成細霧狀，并充滿鹽霧箱空間，沉降在鹽霧箱內(nèi)放置的混凝土試件上.

圖3 鹽霧箱原理示意圖

選擇試件的一個側(cè)面作為侵蝕面，其他5面涂刷2遍環(huán)氧樹脂，以模擬氯鹽一維傳輸.將經(jīng)表面處理后的試件置于鹽霧箱，開始鹽霧加速侵蝕試驗.試驗采用上海昱新儀器有限公司生產(chǎn)的SH-90型鹽水噴霧試驗機，模擬海洋大氣環(huán)境下鹽霧侵蝕環(huán)境.噴霧期間，箱內(nèi)相對濕度接近100%，通過調(diào)整氯化鈉溶液質(zhì)量濃度和溫度可實現(xiàn)混凝土鹽霧侵蝕的加速試驗.

在海洋大氣的自然環(huán)境中，與海岸線之間距離的不同以及距離海平面高度的不同，大氣中的鹽霧濃度及其沉降量均不同［7］.由于在鹽霧侵蝕加速試驗中，鹽霧沉降量不易控制，因此，試驗之前，對氯化鈉溶液質(zhì)量濃度與鹽霧沉降量之間的關(guān)系進行了測定.鹽霧箱連續(xù)噴霧24 h后，在鹽霧箱中放置量杯，經(jīng)過一定時間后測量氯化鈉溶液的質(zhì)量濃度，即為鹽霧沉降量.測定的鹽霧沉降量與氯化鈉溶液質(zhì)量濃度關(guān)系如表2所示.

表2 鹽霧沉降量與氯化鈉溶液質(zhì)量濃度的關(guān)系

由表2可知:鹽霧沉降量隨著氯化鈉溶液質(zhì)量濃度增加而增加，說明可以用氯化鈉溶液質(zhì)量濃度來控制和實現(xiàn)鹽霧的加速侵蝕;但隨著氯化鈉溶液質(zhì)量濃度增大，兩者偏差也增大.

分別在連續(xù)噴霧15，30，45和60 d時，取出試件.沿氯離子傳輸方向用直徑23 mm的鉆頭分3次鉆孔取粉，鉆取深度以鉆頭前端達到的深度為準.取粉深度分別為 0～3，3～6，6～9，9 ～12，12～15，15～20，20 ～25，25 ～30，30 ～35，35 ～40，40 ～45，45～50 mm.從不同深度的混凝土粉末中用分析天平稱取1.5 g，與RCT氯化物萃取液相混合，放置24 h，然后測試混凝土中的總氯離子質(zhì)量分數(shù)(總氯離子質(zhì)量占混凝土質(zhì)量的百分比).

2 鹽霧環(huán)境混凝土中的氯離子傳輸

分別于鹽霧作用15，30，45和60 d時測定試件C1，C6和C7中氯離子質(zhì)量分數(shù)，其分布曲線如圖4所示.

由圖4可知:隨著時間增長，鹽霧逐漸在混凝土表面沉降，近表面處的氯離子質(zhì)量分數(shù)逐漸增加.隨著近表層處氯離子質(zhì)量分數(shù)的增加和試驗時間的持續(xù)，混凝土內(nèi)不同深度處氯離子質(zhì)量分數(shù)也有不同程度的增長.然而隨著鹽霧在混凝土表面的逐漸液化，液態(tài)水分的流動可能將部分表面處氯離子洗去.

由圖4還可知:部分氯離子質(zhì)量分數(shù)的最高值不在表面，而在離表面一定距離處，即距表面的第2個測點處.這與文獻［8］對青島某碼頭的實際調(diào)查結(jié)果相同.因此，鹽霧環(huán)境下混凝土中氯離子質(zhì)量分數(shù)分布曲線主要包括表面氯離子質(zhì)量分數(shù)、純擴散區(qū)界面氯離子質(zhì)量分數(shù)，氯離子表觀擴散系數(shù)特征參數(shù)，其中氯離子表觀擴散系數(shù)是根據(jù)總氯離子分布擬合確定的氯離子擴散系數(shù).

如果將混凝土模擬成宏觀均勻、各向同性的處于飽和狀態(tài)的介質(zhì)，則氯離子在這一區(qū)域混凝土中傳輸是一個擴散過程.應(yīng)用Fick第二定律建立氯離子質(zhì)量分數(shù)與時間t的關(guān)系為［5］

式中:C(x，t)為t時刻距混凝土表面x處的氯離子質(zhì)量分數(shù)(氯離子質(zhì)量占混凝土質(zhì)量的百分比)，%;Cs為純擴散區(qū)界面L處氯離子質(zhì)量分數(shù)，%;Dc為氯離子表觀擴散系數(shù)，m2·s-1;x為距混凝土表面的距離，mm;t為時間，s;L為純擴散區(qū)邊界距混凝土表面的距離，mm，根據(jù)本研究中不同深度氯離子質(zhì)量分數(shù)分布，如圖4所示，L=7.5 mm.

圖4 不同鹽霧作用時間混凝土中氯離子質(zhì)量分數(shù)分布

3 侵蝕面角度對氯離子質(zhì)量分數(shù)影響

圖5為2組不同水泥混凝土試件在鹽霧箱中加速侵蝕60 d后的實測氯離子質(zhì)量分數(shù)分布曲線.試件C1，C2和C3侵蝕面角度不同.

由圖5可知:侵蝕面水平向上的試件C1的表面及內(nèi)部的氯離子質(zhì)量分數(shù)略高于侵蝕面為45°的試件C2，但均明顯高于侵蝕面垂直的試件C3.侵蝕面豎直時，氯離子不容易在侵蝕面上累積，導(dǎo)致表面氯離子質(zhì)量分數(shù)較小，氯離子侵蝕速度減慢.圖5的結(jié)果還驗證了文獻［4］中關(guān)于橋面板實測表面的氯離子質(zhì)量分數(shù)高于梁側(cè)面，梁側(cè)面又高于梁底面的現(xiàn)象.

圖5 不同放置角度試件內(nèi)氯離子質(zhì)量分數(shù)

4 溶液濃度對氯離子質(zhì)量分數(shù)的影響

測得試件C4，C5和C6距混凝土表面1.5 mm處的氯離子質(zhì)量分數(shù)，將其作為表面氯離子質(zhì)量分數(shù).表面氯離子質(zhì)量分數(shù)隨氯化鈉溶液質(zhì)量濃度的變化如圖6所示.

由圖6可知:隨著氯化鈉溶液質(zhì)量濃度的增加，混凝土表面氯離子質(zhì)量分數(shù)逐漸增大，在NaCl溶液質(zhì)量濃度70 g·L-1時，兩種水泥混凝土的表面氯離子質(zhì)量分數(shù)最終穩(wěn)定在0.4%左右.

圖6 表面氯離子質(zhì)量分數(shù)與氯化鈉溶液質(zhì)量濃度關(guān)系

圖7 表面氯離子質(zhì)量分數(shù)比值與氯化鈉溶液質(zhì)量濃度比值關(guān)系

5 溫度對氯離子表觀擴散系數(shù)的影響

我國沿海地區(qū)環(huán)境溫度在9～26℃左右［9］.試件C5，C7和C8鹽霧加速侵蝕試驗時的溫度分別為35，45和25℃.圖8為鹽霧作用15，30 d前后不同試件實測氯離子質(zhì)量分數(shù)分布曲線的比較.由圖8可知:隨著溫度升高，水泥混凝土試件表面處氯離子質(zhì)量分數(shù)及不同深度處氯離子質(zhì)量分數(shù)均增大.

根據(jù)純擴散區(qū)不同深度處實測氯離子質(zhì)量分數(shù)分布曲線，把7.5 mm處氯離子質(zhì)量分數(shù)作為純擴散區(qū)的界面氯離子質(zhì)量分數(shù)，利用公式(1)擬合得到不同溫度下混凝土的氯離子表觀擴散系數(shù)，如表3所示.由于鹽霧箱工作中出現(xiàn)故障，圖8c中，35℃時，30 d氯離子質(zhì)量分數(shù)比圖8a中25℃時還小;圖8d中，45℃時氯離子質(zhì)量分數(shù)隨深度增加而迅速下降.因此，不分析這兩組異常數(shù)據(jù)的表觀擴散系數(shù).由表3可知，隨著溫度升高氯離子表觀擴散系數(shù)明顯增大.

表3 不同溫度下氯離子表觀擴散系數(shù)

圖8 不同溫度下混凝土中氯離子質(zhì)量分數(shù)分布

6 應(yīng)力水平對表觀擴散系數(shù)的影響

為了排除兩端約束作用的影響，在受力試件中間部位鉆粉取樣.鹽霧箱中持續(xù)噴霧60 d后，測得不同應(yīng)力水平試件的氯離子質(zhì)量分數(shù)分布情況如圖9所示.

由圖9可知:隨著壓應(yīng)力的增大，相同混凝土深度的氯離子質(zhì)量分數(shù)逐漸降低.然而由于混凝土的離散性，無應(yīng)力試件近表面處氯離子質(zhì)量分數(shù)遠遠高于施加應(yīng)力試件近表面處氯離子質(zhì)量分數(shù).為了消除這種離散帶來的誤差，取圖9中不同應(yīng)力水平下1.5 mm和7.5 mm處氯離子質(zhì)量分數(shù)均值作為7.5 mm處純擴散區(qū)界面氯離子質(zhì)量分數(shù).然后根據(jù)圖9中純擴散區(qū)不同深度處的實測氯離子質(zhì)量分數(shù)，利用公式(1)經(jīng)擬合獲得不同應(yīng)力水平下混凝土中的氯離子表觀擴散系數(shù).

圖9 不同壓力下混凝土中氯離子質(zhì)量分數(shù)

無壓力試件隨深度變化非常陡峭(見圖9)，因此擬合時選取距表面1.5 mm處作為邊界，選取該處氯離子質(zhì)量分數(shù)作為純擴散區(qū)界面氯離子質(zhì)量分數(shù)進行擬合氯離子表觀擴散系數(shù).應(yīng)力等級為0，0.31fc，0.47fc和0.66fc時氯離子表觀擴散系數(shù)分別是5.36×10-11，3.82 ×10-11，0.69 ×10-11和0.28×10-11m2·s-1.可以看出，隨著壓應(yīng)力增大，氯離子表觀擴散系數(shù)降低.

壓應(yīng)力狀態(tài)下的混凝土中氯離子質(zhì)量分數(shù)及其表觀擴散系數(shù)將比無應(yīng)力狀態(tài)下的小.將不同應(yīng)力水平下氯離子表觀擴散系數(shù)和無應(yīng)力時系數(shù)的比值與對應(yīng)的應(yīng)力水平采用二次多項式進行擬合，得到

式中:δ為壓應(yīng)力水平(試件壓應(yīng)力與抗壓強度的比值);f(δ)為氯離子擴散的壓應(yīng)力影響系數(shù)，f(δ)=Dc/D0，Dc為應(yīng)力水平為δ時氯離子表觀擴散系數(shù);D0為無應(yīng)力時氯離子表觀擴散系數(shù).

壓應(yīng)力水平對氯離子表觀擴散系數(shù)的影響與文獻［10］持續(xù)荷載作用下氯鹽浸泡試驗結(jié)果變化規(guī)律類似.當壓應(yīng)力水平不太高時，混凝土中的毛細孔在壓應(yīng)力作用下發(fā)生壓縮變形，孔隙數(shù)量與連通性降低，氯離子在混凝土中的擴散作用減弱.

7 結(jié)論

混凝土試件在鹽霧箱中的放置角度對侵蝕嚴重程度有很大的影響.以平面或45°側(cè)面為侵蝕面時，表面氯離子質(zhì)量分數(shù)較高，氯離子侵蝕程度嚴重;以混凝土側(cè)面為侵蝕面時，表面氯離子質(zhì)量分數(shù)較小;同一深度處對應(yīng)的氯離子質(zhì)量分數(shù)小.隨著氯化鈉溶液質(zhì)量濃度的增大，鹽霧沉降量增加，表面氯離子質(zhì)量分數(shù)也增加.隨著溫度升高氯離子表觀擴散系數(shù)增大.隨著壓應(yīng)力的增加，氯離子表觀擴散系數(shù)顯著減小.

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