不同腐蝕環(huán)境對海工混凝土性能影響研究

封 鑫 郝雨杭

（北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083）

我國幅員遼闊，有著漫長的海岸線，海岸線上有著眾多的碼頭和港口建筑，在這些建筑物中使用量最大和最基本的工程材料就是鋼筋混凝土材料。P.K.Metha教授[1]總結(jié)世界50年混凝土耐久性狀況時(shí)認(rèn)為，如果把影響混凝土耐久性的因素按重要性遞減的順序排列的話，分別是鋼筋腐蝕、凍融破壞、侵蝕環(huán)境的物理化學(xué)作用、堿集料反應(yīng)等。特別是沿海及近海地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)，由于海洋環(huán)境對混凝土的腐蝕，導(dǎo)致鋼筋銹蝕而使結(jié)構(gòu)發(fā)生早期損壞，喪失了結(jié)構(gòu)的耐久性能，這已成為實(shí)際工程中的重要問題[2-4]。

本文研究了氯離子、硫酸根離子和凍融對大坍落度海工混凝土的影響。采用不同腐蝕環(huán)境對標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后的大坍落度海工混凝土進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，對比在不同腐蝕條件下海工混凝土的抗壓強(qiáng)度、氯離子含量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

P.O42.5R型水泥，主要性能見表1；II級粉煤灰，需水量比99%，細(xì)度（45μm篩余）28%；萘系減水劑，含固量32.2%等。

1.2 試驗(yàn)方法

表1 水泥的主要性能

采用200t萬能試驗(yàn)機(jī)測定28d齡期的混凝土抗壓強(qiáng)度；采用CLCONT-U型氯離子含量快速測定儀測定混凝土不同部位的氯離子含量，然后根據(jù)不同腐蝕條件下混凝土對應(yīng)部位的氯離子含量，確定各自的氯離子擴(kuò)散系數(shù)。

1.3 混凝土配合比

表2為本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的兩種等級的大坍落度海工混凝土（坍落度為240mm）。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同腐蝕環(huán)境對海工混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖1表示C40和C50兩種大坍落度海工混凝土在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后經(jīng)不同腐蝕環(huán)境腐蝕后強(qiáng)度變化的情況?？梢钥闯?，對于不同等級的大坍落度海工混凝土，單純的氯離子對其抗壓強(qiáng)度影響不大，氯離子是一種極強(qiáng)的鋼筋腐蝕因子，擴(kuò)散能力很強(qiáng)，氯離子從混凝土表面擴(kuò)散到鋼筋表面并積累到臨界含量，使鋼筋表面的鈍化膜遭受破壞，導(dǎo)致鋼筋腐蝕。而有硫酸根離子存在時(shí)，兩種等級的海工混凝土強(qiáng)度都明顯下降?；炷猎诤新入x子和硫酸根離子的復(fù)合溶液中，Cl-和SO42-是共同向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散，二者都與混凝土中的鋁相反應(yīng)，分別生成Frield鹽和AFt鹽[5]。當(dāng)SO42-進(jìn)入混凝土內(nèi)部時(shí)，會(huì)與水泥石的某些組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成一些難溶的鹽類礦物，從而產(chǎn)生體積膨脹，當(dāng)膨脹達(dá)到一定程度時(shí)，使混凝土表層開裂或軟化，最終導(dǎo)致構(gòu)件的破壞。凍融則會(huì)再加劇Cl-和SO42-對混凝土強(qiáng)度的影響。

表2 混凝土配合比（kg/m 3）

圖1 海工混凝土在養(yǎng)護(hù)28d后經(jīng)不同腐蝕環(huán)境腐蝕后的強(qiáng)度變化情況

圖2 不同腐蝕環(huán)境下C 50混凝土氯離子含量的對比

2.2 不同腐蝕環(huán)境對海工混凝土內(nèi)部氯離子含量的影響

測定了C50這種大坍落度海工混凝土試塊在不同腐蝕模式下的氯離子含量，從腐蝕后的試塊中隨機(jī)取出一塊，敲開后在0~10mm、25mm~35mm和40mm~50mm這三個(gè)范圍段內(nèi)取混凝土碎塊，挑出石子后將漿體碎塊手工研磨成粉末，然后測定對應(yīng)的氯離子含量。圖2表示不同腐蝕環(huán)境下C50混凝土氯離子含量的對比?？梢钥闯觯和辉噳K中由表及里的氯離子含量呈逐漸減小的趨勢，且減小的速度逐漸降低，氯離子含量在混凝土中的分布類似于指數(shù)圖像；外界氯離子濃度值越大，相應(yīng)部位的氯離子含量就越大，說明外界氯離子濃度對混凝土內(nèi)的氯離子含量有著正向的影響；在腐蝕初期，隨著SO42-離子的加入，相應(yīng)部位的氯離子含量減小，由于模式③中相對于模式②僅多了SO42-，因此筆者認(rèn)為可能是由于SO42-的存在使混凝土內(nèi)部生成了膨脹性產(chǎn)物（產(chǎn)生的膨脹性產(chǎn)物還不足以使混凝土結(jié)構(gòu)開裂破壞），填充于混凝土孔隙中，從而阻礙了氯離子在混凝土中的擴(kuò)散，氯離子含量也就隨之降低。

2.3 不同腐蝕環(huán)境對海工混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響

根據(jù)氯離子含量分布，利用Matlab程序計(jì)算氯離子擴(kuò)散系數(shù)，并進(jìn)行最小二乘法擬合，得到表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)擬合值。圖3表示不同腐蝕環(huán)境下C50海工混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的對比。可以看出，氯離子擴(kuò)散系數(shù)的變化規(guī)律與氯離子含量一致。外界氯離子濃度值越大，氯離子擴(kuò)散系數(shù)就越大，根據(jù)Fick第二定律可知，擴(kuò)散速度與氯離子濃度差是成正比的，因此外界氯離子濃度值越大，混凝土內(nèi)外氯離子濃度差越大，氯離子擴(kuò)散進(jìn)入混凝土中量就越多，擴(kuò)散系數(shù)值就越大。隨著SO42-離子的加入，氯離子擴(kuò)散系數(shù)減小，SO42-的存在使混凝土內(nèi)部生成了膨脹性產(chǎn)物，填充于混凝土孔隙中，阻礙了氯離子在混凝土中進(jìn)一步擴(kuò)散，擴(kuò)散系數(shù)也就隨之降低。

圖3 不同腐蝕環(huán)境下C 50海工混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的對比

結(jié)論

（1）單純的氯離子對海工混凝土本身的抗壓強(qiáng)度影響不大，而有硫酸根離子存在時(shí)，混凝土強(qiáng)度明顯下降。

（2）試塊中由表及里的氯離子含量呈逐漸減小的趨勢，且減小的速度逐漸降低，氯離子含量在混凝土中的分布類似于指數(shù)圖像。

（3）外界氯離子濃度值越大，海工混凝土相應(yīng)部位的氯離子含量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)都更大，說明外界氯離子濃度對混凝土內(nèi)的氯離子含量有著正向的影響。

（4）在腐蝕初期，硫酸根離子的存在使海工混凝土內(nèi)部生成了膨脹性產(chǎn)物，有助于減小海工混凝土相應(yīng)部位的氯離子含量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)。

[1] Mehta P K. Durability of Concrete-Fifty Years of Progress? [C].//2nd International Conference on Durability. Montreal Canada,1991:1-31. (ACI SP-126).

[2] Rakesh Kumara, B. Bhattacharjee. Assessment of Permeation Quality of Concrete through Mercury Intrusion Porosimetry[J].Cement and Concrete Research. 2004, (34):321-328.

[3] 趙霄龍.寒冷地區(qū)高性能混凝土耐久性及其評價(jià)方法研究.哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文.2001：32-37.

[4] 李淑進(jìn)，趙鐵軍.混凝土的滲透性與壽命[J].海岸工程, 2001,20(2)：68-72.

[5] 金祖權(quán)，孫偉，張?jiān)粕?，?氯鹽、硫酸鹽作用下高性能混凝土損傷研究[J].工業(yè)建筑，2005，35(1)：5-7.