防鹽蝕劑對輸變電基礎(chǔ)混凝土抗氯離子侵蝕性能的影響李鏡培

李鶴+丁士君

摘要：通過室內(nèi)加速氯離子侵蝕試驗，測試不同侵蝕時間內(nèi)摻GN防鹽蝕劑混凝土和無防鹽蝕劑混凝土內(nèi)部不同深度處的氯離子濃度，研究GN防鹽蝕劑對氯離子擴散系數(shù)和混凝土表面氯離子濃度的影響，引入氯離子擴散系數(shù)降低系數(shù)和表面氯離子濃度降低系數(shù)，對防鹽蝕劑的效果進行定量評價。結(jié)果表明：GN防鹽蝕劑可以使混凝土中氯離子的擴散系數(shù)降低31.3%，混凝土表面氯離子濃度降低22.67%；防鹽蝕劑可以較大程度地提高氯離子侵蝕環(huán)境下輸變電基礎(chǔ)的使用壽命。

關(guān)鍵詞：輸變電基礎(chǔ)混凝土；氯離子；GN防鹽蝕劑；耐久性

中圖分類號：TU528文獻標志碼：A

Effect of Salt Erosion Inhibitor Resisting Chloride Ions Penetration on

Concrete in Power Transmission and Transformation FoundationLI Jingpei1，2， LI He1，2， DING Shijun3

（1. Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education， Tongji University，

Shanghai 200092， China； 2. Department of Geotechnical Engineering， Tongji University， Shanghai

200092， China； 3. China Electric Power Research Institute， Beijing 100192， China）Abstract： Through indoor accelerated chloride ion erosion test， chloride ion concentrations in concrete with GN salt erosion inhibitor and without salt erosion inhibitor at different depths and erosion time was tested. The impacts of GN salt erosion inhibitor on chloride diffusion coefficient and surface chloride ion concentration of concrete were researched. The reduction coefficient of chloride diffusion coefficient and surface chloride ion concentration of concrete were introduced to quantitative evaluate the effect of salt erosion inhibitor. The results show that GN salt erosion inhibitor can reduce chloride diffusion coefficient by 31.3% and reduce surface chloride ion concentration by 22.67%. GN salt erosion inhibitor can increase service life of power transmission and transformation foundation structure in large extent in chloride ion environment.

Key words： concrete in power transmission and transformation foundation； chloride ion； GN salt erosion inhibitor； durability

0引言

一般情況下混凝土內(nèi)部的高堿性環(huán)境能在鋼筋表面形成致密的氧化膜，從而對鋼筋起到保護作用，但在沿海環(huán)境下由于氯離子侵入混凝土內(nèi)部，會使鋼筋去鈍化而發(fā)生銹蝕，進而使混凝土結(jié)構(gòu)保護層開裂，導致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承載力降低，使用壽命下降。目前，鋼筋銹蝕的危害越來越受到關(guān)注，如何減緩氯離子的侵入，降低鋼筋銹蝕速率，減少因鋼筋銹蝕造成的結(jié)構(gòu)破壞已成為世界性問題。鋼筋涂層、電化學保護、鋼筋阻銹劑等方法已經(jīng)廣泛應用于侵蝕環(huán)境中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的保護，在眾多的保護措施當中，內(nèi)摻鋼筋阻銹劑和防鹽蝕劑是最簡單、經(jīng)濟和長期有效的方法[1]。

雖然鋼筋阻銹劑在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性研究中得到大量應用和廣泛研究[27]，但是在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中添加阻銹劑并不能減緩氯離子的侵蝕，并且只有在鋼筋表面氯離子濃度達到一定程度時阻銹劑才能發(fā)揮作用[3]?，F(xiàn)階段對阻銹劑的研究多是通過相關(guān)試驗對阻銹劑的效果進行定性分析[47]，缺少阻銹劑抗氯離子侵蝕的定量計算，無法提供使用阻銹劑后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命的預測結(jié)果。同時，目前針對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性研究多是針對海洋環(huán)境下的高強度混凝土[23]，而對于沿海輸變電基礎(chǔ)等強度較低的混凝土結(jié)構(gòu)的研究還未見報道。

防鹽蝕劑可以使混凝土致密性增強，提高抗?jié)B性，阻止氯離子等有害離子的侵入；同時，當氯離子等有害離子侵入混凝土內(nèi)部后，會與防鹽蝕劑中的活化礦粉結(jié)合，從而失去侵蝕活性，降低有害離子對混凝土的影響[8]。Ormellese等[2]通過3年的室內(nèi)試驗研究了3種有機復合防鹽蝕劑對氯離子侵蝕的抑制作用；李固華等[8]通過室內(nèi)腐蝕試驗對FLV型防鹽蝕劑的抗氯離子和硫酸鹽的侵蝕性能進行研究；劉芳[9]通過干濕循環(huán)和長期浸泡試驗，研究了RAM防鹽蝕劑對混凝土結(jié)構(gòu)防氯離子侵蝕的效果與工程應用情況，但是都缺少對防鹽蝕劑使用效果的定量評價。

GN防鹽蝕劑是中國專利產(chǎn)品[10]，是一種新的提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的有效且方便的方法。本文主要針對目前沿海地區(qū)輸變電基礎(chǔ)等強度較低的混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)摻防鹽蝕劑的耐久性能開展試驗研究。通過180 d的室內(nèi)加速氯離子侵蝕試驗，探討內(nèi)摻防鹽蝕劑的混凝土內(nèi)部氯離子濃度隨時間的變化規(guī)律，分析防鹽蝕劑對氯離子擴散系數(shù)和表面氯離子濃度的影響，引入氯離子擴散系數(shù)降低系數(shù)和表面氯離子濃度降低系數(shù)，對防鹽蝕劑的效果進行定量評價；進而對內(nèi)摻防鹽蝕劑的輸變電基礎(chǔ)混凝土的耐久性使用壽命進行預測。

1防鹽蝕劑抗氯離子侵蝕試驗

1.1試驗材料及配合比

水泥為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥；砂為級配良好的中砂，細度模數(shù)為2.5；粗骨料為最大粒徑20 mm的碎石；鋼筋為Ⅰ級光圓鋼筋，直徑為6 mm。

鑒于目前沿海地區(qū)輸變電基礎(chǔ)的混凝土強度等級多為C20和C25[11]，本文試驗選取的混凝土試件強度等級為C25，水灰比為0.6，混凝土配合比見表1。

表1混凝土配合比

Tab.1Mix Proportions of Concretekg·m-3材料水泥水砂石子防鹽蝕劑無防鹽蝕劑3251956841 1650摻防鹽蝕劑3251956841 16512防鹽蝕劑呈灰色粉末狀，與水泥攪拌均勻后使用，標準用量為膠凝材料質(zhì)量的3%，且每立方米用量不少于12 kg，按照表1中的配合比計算本文試驗防鹽蝕劑摻量為每立方米用量12 kg。

1.2試件制作

混凝土采用小型攪拌機拌和，加料順序為石子、水泥、砂、水（內(nèi)摻防鹽蝕劑混凝土在加料前將防鹽蝕劑摻入水泥并攪拌均勻）。攪拌3 min后在木模中澆筑（圖1），模板厚度為9 mm，試件尺寸為100 mm×100 mm×500 mm，在試件單側(cè)配置2根鋼筋，混凝土保護層厚度為10 mm。內(nèi)摻防鹽蝕劑試件與無防鹽蝕劑試件分開澆筑。

圖1澆筑試件

Fig.1Pouring Specimen試件澆筑24 h后脫模，將脫模后的試件放入溫度為（20±2） ℃、相對濕度為97%的標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護28 d。本文試驗所制作試件28 d抗壓強度為27 MPa。

1.3氯離子濃度測試

在試件養(yǎng)護完成后，將配有鋼筋的一側(cè)留出作為暴露面，其余各面用環(huán)氧樹脂密封（圖2），之后放圖2涂刷環(huán)氧樹脂后的試件

Fig.2Specimen with Epoxy Coating入質(zhì)量分數(shù)為5%的NaCl溶液中，在室溫下進行完全浸泡試驗。在侵蝕時間分別為30，60，90，180 d時取出內(nèi)摻防鹽蝕劑試件和無防鹽蝕劑試件各1個，測試試件內(nèi)部的氯離子濃度分布規(guī)律。

每個試件取出后，用沖擊鉆沿侵蝕方向每隔5 mm鉆1次取粉末，并以每次取樣的深度平均值作為該試樣氯離子侵蝕深度的代表值，取粉總深度為50 mm。對于每份粉末試樣（圖3），稱取1 g放入50 mL蒸餾水中，充分振蕩后靜置萃取48 h（圖4），采用CABRRCTF型氯離子含量快速測定儀測試每個試樣的氯離子濃度（圖5），從而可以得到不同深度的氯離子濃度（占混凝土質(zhì)量的百分比）。

圖3混凝土粉末樣品

Fig.3Samples of Concrete Powder圖4氯離子靜置萃取

Fig.4Static Extraction of Chloride Ion圖5氯離子濃度測試

Fig.5Testing Chloride Ion Concentration在氯離子濃度隨深度的分布確定后，混凝土表面氯離子濃度和氯離子擴散系數(shù)可以通過Fick第二定律采用式（1）進行曲線擬合得到[12]，即

C=Cs[1-erf（x2Dt）]（1）

式中：C為混凝土中的氯離子濃度，一般以氯離子占水泥或混凝土的質(zhì)量百分比表示；Cs為混凝土的表面氯離子濃度，與結(jié)構(gòu)所處環(huán)境類別和混凝土水灰比等因素有關(guān)；x為氯離子侵蝕的深度；t為混凝土結(jié)構(gòu)暴露于氯離子環(huán)境中的時間；D為混凝土中氯離子擴散系數(shù)，是描述混凝土中氯離子遷移狀況的物理量；erf（·）為誤差函數(shù)，erf（z）=2π∫x0exp（-z2）dz。2試驗結(jié)果與分析

2.1防鹽蝕劑對氯離子濃度分布的影響

圖6為試驗測得的不同侵蝕時間內(nèi)摻防鹽蝕劑試件和無防鹽蝕劑試件內(nèi)部氯離子濃度隨侵蝕深度的變化曲線。從圖6可以看出，隨著滲透深度的增圖6不同侵蝕時間有、無防鹽蝕劑試件氯離子濃度

分布曲線

Fig.6Variation Curves of Chloride Ion Concentration in

Specimen （with GN and Without GN） with Time大，氯離子濃度逐漸減小，分布規(guī)律基本符合Fick第二定律所描述的混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部氯離子濃度變化規(guī)律。隨著侵蝕時間的增加，混凝土中相同深度處的氯離子濃度呈增大趨勢，并且氯離子濃度在距混凝土表面20 mm的范圍內(nèi)表現(xiàn)出較大的增長趨勢，曲線斜率較大；在滲透深度超過30 mm后氯離子濃度增長緩慢，氯離子濃度變化不大，曲線相對平緩。

此外，通過對比內(nèi)摻防鹽蝕劑試件和無防鹽蝕劑試件在30，60，90，180 d時的氯離子濃度可以看出，摻防鹽蝕劑可以有效減緩混凝土試件內(nèi)部氯離子的擴散，從而降低試件內(nèi)部氯離子濃度和混凝土表面氯離子濃度。30 d時試件內(nèi)部氯離子濃度差別并不大，尤其在滲透深度超過30 mm后，氯離子濃度差別很小，這是由于在時間較短的情況下，混凝土內(nèi)部的氯離子濃度并不大，內(nèi)摻防鹽蝕劑試件與無防鹽蝕劑試件內(nèi)部的氯離子濃度相差很小，因此防鹽蝕劑的效果并不能十分明顯地體現(xiàn)出來；90 d后內(nèi)摻防鹽蝕劑試件內(nèi)部氯離子濃度比無防鹽蝕劑試件內(nèi)部氯離子濃度低很多且差別明顯，這是由于隨著時間的增長，混凝土內(nèi)部的氯離子濃度逐漸提高，內(nèi)摻防鹽蝕劑試件與無防鹽蝕劑試件內(nèi)部的氯離子濃度差值變得較大，因此說明隨著侵蝕時間的增加，防鹽蝕劑的抗氯離子侵蝕效果變得更加顯著。

2.2防鹽蝕劑對氯離子擴散系數(shù)的影響

根據(jù)所測得不同深度處的氯離子濃度，利用Fick第二定律進行非線性擬合，可以得到不同侵蝕時間的氯離子擴散系數(shù)，見表2。

表2氯離子擴散系數(shù)

Tab.2Chloride Ion Diffusion Coefficient試件類別不同浸泡時間（d）下的擴散系數(shù)/（10-11 m2·s-1）306090180無防鹽蝕劑8.136.445.144.03摻防鹽蝕劑5.594.413.302.95圖7為擴散系數(shù)隨時間的變化曲線。由圖7可以看出，對于內(nèi)摻防鹽蝕劑試件和無防鹽蝕劑試件，氯離子擴散系數(shù)均隨侵蝕時間的增加大致呈指數(shù)下降趨勢，變化規(guī)律符合已有研究結(jié)果[13]。這是由于隨著浸泡時間的增加，混凝土內(nèi)部的水泥漿體結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，其孔隙率不斷縮小，使得氯離子的滲透性隨之降低，表現(xiàn)為氯離子擴散系數(shù)隨浸泡時間增大而降低，但擴散系數(shù)初期下降明顯，一定時間以后擴散系數(shù)的下降速度變得緩慢。

圖7氯離子擴散系數(shù)隨時間變化曲線

Fig.7Variation Curves of Chloride Ion Diffusion

Coefficient with Time引入擴散系數(shù)降低系數(shù)α來評價防鹽蝕劑對氯離子擴散系數(shù)的影響，即

α=D1-D2D1×100%（2）

式中：D1為無防鹽蝕劑混凝土中氯離子擴散系數(shù)；D2為內(nèi)摻防鹽蝕劑混凝土中氯離子擴散系數(shù)。

由表2數(shù)據(jù)，利用公式（2）可以計算得到α的數(shù)值，見表3。由表3可以看出，α隨時間增加變化不大，可以取其平均值作為內(nèi)摻防鹽蝕劑混凝土的擴散系數(shù)降低系數(shù)，即α=31.3%。

表3氯離子擴散系數(shù)降低系數(shù)

Tab.3Reduction Coefficients of Chloride Ion

Diffusion Coefficients不同浸泡時間（d）下的擴散系數(shù)降低系數(shù)/%306090180平均值/%31.2531.4235.7426.8031.302.3防鹽蝕劑對表面氯離子濃度的影響

根據(jù)所測得的不同深度處的氯離子濃度，利用Fick第二定律進行非線性擬合可以得到不同侵蝕時間的混凝土表面氯離子濃度，見表4。

表4表面氯離子濃度

Tab.4Surface Chloride Ion Concentration試件類別不同浸泡時間（d）下的表面氯離子濃度/%306090180無防鹽蝕劑0.326 70.347 00.391 40.404 1摻防鹽蝕劑0.221 90.278 80.311 50.325 1圖8為表面氯離子濃度隨時間的變化曲線。由圖8可以看出，內(nèi)摻防鹽蝕劑和無防鹽蝕劑混凝土表面氯離子濃度均隨侵蝕時間的增加呈指數(shù)增長趨勢，其變化規(guī)律符合已有研究結(jié)果[13]。無防鹽蝕劑混凝土表面氯離子濃度在30～60 d時增加較慢，60～90 d時增加較快，而內(nèi)摻防鹽蝕劑混凝土表面氯離子濃度在30～60 d時增加較快，60～90 d時增加較慢，這說明內(nèi)摻防鹽蝕劑使表面氯離子濃度分布規(guī)律發(fā)生了變化；90 d后內(nèi)摻防鹽蝕劑和無防鹽蝕劑混凝土表面氯離子濃度都趨于穩(wěn)定。

圖8表面氯離子濃度隨時間變化曲線

Fig.8Variation Curves of Surface Chloride Ion

Concentration with Time引入表面氯離子濃度降低系數(shù)β來評價防鹽蝕劑對表面氯離子濃度的影響，即

β=Cs1-Cs2Cs1×100%（3）

式中：Cs1為無防鹽蝕劑混凝土表面氯離子濃度；Cs2為內(nèi)摻防鹽蝕劑混凝土表面氯離子濃度。

將表4數(shù)據(jù)代入公式（3）可以計算得到β的數(shù)值，見表5。

由表5可以看出，60，90，180 d時混凝土表面氯離子濃度降低系數(shù)與30 d時相比差別較大，這是由

表5表面氯離子濃度降低系數(shù)

Tab.5Reduction Coefficients of Surface

Chloride Ion Concentrations不同浸泡時間（d）下的表面氯離子濃度降低系數(shù)/%306090180平均值/%32.0719.6519.3919.5522.67于試驗誤差造成的，此處忽略β隨時間的變化，取其平均值作為內(nèi)摻防鹽蝕劑混凝土的表面氯離子濃度降低系數(shù)，即β=22.67%。

根據(jù)試驗得到的氯離子擴散系數(shù)降低系數(shù)α和表面氯離子濃度降低系數(shù)β的數(shù)值，并結(jié)合鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命計算的相關(guān)理論，可以計算得到內(nèi)摻防鹽蝕劑混凝土的抗氯離子侵蝕耐久性的使用壽命。3內(nèi)摻防鹽蝕劑輸變電基礎(chǔ)的壽命預測3.1氯離子侵蝕輸變電基礎(chǔ)壽命預測

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命是指鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)從建成使用開始到結(jié)構(gòu)失效的時間過程，一般認為是由腐蝕誘導期、腐蝕發(fā)展期和腐蝕失效期3個階段組成[14]。

氯鹽環(huán)境下腐蝕誘導期ti表示從混凝土結(jié)構(gòu)暴露于氯鹽環(huán)境到混凝土中鋼筋表面氯離子濃度達到臨界氯離子濃度所需要的時間；腐蝕發(fā)展期tc表示從鋼筋銹蝕到混凝土保護層形成貫穿裂縫所需要的時間；腐蝕失效期較短，一般可忽略不計。

學術(shù)界一般將腐蝕誘導期壽命作為混凝土的設(shè)計壽命[1516]，但這種計算方法忽略了腐蝕發(fā)展期，計算結(jié)果過于保守。本文將腐蝕誘導期和腐蝕發(fā)展期這2個階段的壽命定義為輸變電基礎(chǔ)的使用壽命，如圖9所示，則輸變電基礎(chǔ)的使用壽命tcr可以表示為

tcr=ti+tc（4）

圖9輸變電基礎(chǔ)的使用壽命

Fig.9Service Life of Power Transmission and

Transformation Foundation3.1.1腐蝕誘導期

本文忽略氯離子擴散系數(shù)隨時間的變化，求解式（1）可得到腐蝕誘導期ti的計算公式為

ti=x24D[erf-1（1-CcrCs）]-2（5）

式中：Ccr為引起鋼筋銹蝕的氯離子臨界濃度。

3.1.2腐蝕發(fā)展期

腐蝕發(fā)展期tc可通過下式進行簡化計算[17]，即

tc=δcrλ（6）

式中：δcr為混凝土保護層開裂時鋼筋的臨界銹蝕深度；λ為氯離子侵蝕環(huán)境下混凝土保護層開裂前鋼筋的平均銹蝕速率。

鋼筋的臨界銹蝕深度可通過下式計算得到[17]

δcr=0.012xd0+0.000 84fcu，k+0.018（7）

式中：d0為鋼筋銹蝕前的直徑；fcu，k為混凝土抗壓強度標準值。

鋼筋的平均銹蝕速率為[17]

λ=0.011 6i（8）

式中：i為鋼筋的銹蝕電流密度。

對于銹蝕電流密度，Liu等[18]通過對混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕速率、鋼筋表面氯離子濃度、溫度以及混凝土電阻率進行回歸分析，得到其表達式為

i=0.926exp[7.98+0.777 1ln（1.69C）-3 006T-

0.000 116R+2.24t-0.215]（9）

式中：C為鋼筋周圍氯離子濃度，可以通過式（1）進行計算；T為鋼筋表面的溫度；t為鋼筋銹蝕時間；R為混凝土保護層的電阻。

R可以表示為[19]

R=exp[8.03-0.549ln（1+1.69C）]（10）

假設(shè)內(nèi)摻防鹽蝕劑不會對混凝土保護層的電阻和腐蝕電流產(chǎn)生影響，則將式（7）～（10）代入式（6），可以求得腐蝕發(fā)展期tc。

3.2內(nèi)摻防鹽蝕劑對輸變電基礎(chǔ)使用壽命的影響

設(shè)某輸變電基礎(chǔ)的混凝土強度等級為C25，混凝土保護層厚度x=30 mm，縱筋直徑d0=20 mm。無防鹽蝕劑時，氯離子擴散系數(shù)D=2.0×10-12 m2·s-1；混凝土表面氯離子濃度和臨界氯離子濃度與結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境和水膠比等因素有關(guān)，采用文獻[20]中的混凝土表面氯離子濃度確定方法，取Cs=0.54%，Ccr=0.22%，同時按照試驗結(jié)果取α=31.3%，β=22.67%。

經(jīng)過計算可得：無防鹽蝕劑時，輸變電基礎(chǔ)的腐蝕誘導期壽命ti=14.3年，腐蝕發(fā)展期壽命tc=1.8年；內(nèi)摻防鹽蝕劑時，腐蝕誘導期壽命t′i=37.2年，腐蝕發(fā)展期壽命t′c=2年。

由計算結(jié)果可以看出：內(nèi)摻防鹽蝕劑可以使輸變電基礎(chǔ)的使用壽命提高22.9年，使其腐蝕誘導期壽命提高1.6倍，這表明內(nèi)摻防鹽蝕劑可以較大程度地提高輸變電基礎(chǔ)的腐蝕誘導期壽命，但對腐蝕發(fā)展期的壽命影響并不明顯。4結(jié)語

（1）混凝土試件內(nèi)部的氯離子濃度隨侵蝕深度的增加而降低，分布規(guī)律符合Fick第二定律。

（2）對于混凝土強度等級為C25的混凝土試件，內(nèi)摻防鹽蝕劑使混凝土結(jié)構(gòu)的氯離子擴散系數(shù)降低31.3%，使混凝土表面氯離子濃度降低22.67%。

（3）內(nèi)摻防鹽蝕劑可以有效降低氯離子對混凝土的侵蝕速率，從而延長輸變電基礎(chǔ)的腐蝕誘導期壽命，但對腐蝕發(fā)展期的壽命影響不大。參考文獻：

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