西部氯鹽漬土介質(zhì)中混凝土的氯離子擴(kuò)散性*

閆長旺，李　杰，張　菊，劉曙光

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院， 呼和浩特 010051； 2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 呼和浩特 010051)

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西部氯鹽漬土介質(zhì)中混凝土的氯離子擴(kuò)散性*

閆長旺1,2，李杰2，張菊1，劉曙光1,2

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院， 呼和浩特 010051； 2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 呼和浩特 010051)

摘要：為研究西部氯鹽漬土介質(zhì)中混凝土的氯離子擴(kuò)散性，采用實(shí)驗(yàn)分析、微觀掃描、理論預(yù)測(cè)相結(jié)合的方法，分析混凝土中氯離子含量與分布規(guī)律、氯離子對(duì)流區(qū)深度與峰值含量、表層氯離子含量時(shí)變規(guī)律以及試件表層微觀形貌，預(yù)測(cè)既定混凝土保護(hù)層厚度處達(dá)到鋼筋銹蝕臨界氯離子濃度所需時(shí)間。研究結(jié)果表明，沿?cái)U(kuò)散深度混凝土中自由氯離子含量與總氯離子含量均呈現(xiàn)出先增長后降低的趨勢(shì)，二者具有很好的線性關(guān)系；存在明顯的氯離子含量峰值，隨浸泡時(shí)間的變化較?。浑S著浸泡時(shí)間的增加，對(duì)流區(qū)深度逐漸加大，表層氯離子含量逐漸增加，混凝土中Friedel’s和Cl元素逐漸增多。理論分析結(jié)果顯示，氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨著擴(kuò)散深度增加而增大，隨浸泡時(shí)間增加而減小，使用壽命預(yù)測(cè)結(jié)果與工程實(shí)際混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕情況吻合較好，預(yù)測(cè)模型可用于西部氯鹽漬土介質(zhì)中混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命預(yù)測(cè)與分析。

關(guān)鍵詞：普通混凝土；自由氯離子；微觀掃描；擴(kuò)散系數(shù)；使用壽命

0引言

對(duì)于混凝土設(shè)施來說，Cl-是侵蝕混凝土保護(hù)層、銹蝕鋼筋、影響耐久性的主要因素[1]。與海洋環(huán)境中氯離子濃度相比，西部氯鹽漬土介質(zhì)中Cl-濃度明顯高很多[2-3]，對(duì)混凝土設(shè)施耐久性的影響也不同。孫紅堯等[4]通過對(duì)西部氯鹽漬土地區(qū)各類混凝土設(shè)施調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)混凝土設(shè)施的腐蝕破壞程度比海洋環(huán)境更嚴(yán)重。余紅發(fā)等[5]調(diào)查結(jié)果表明，青海地區(qū)混凝土電桿因氯鹽腐蝕，出現(xiàn)鋼筋銹蝕、混凝土縱向裂縫，運(yùn)行不到3年就已報(bào)廢。張偉勤、劉連新等[6-7]實(shí)地調(diào)查了青海氯鹽漬土地區(qū)混凝土建筑物的腐蝕情況，發(fā)現(xiàn)某些工廠鋼筋混凝土梁、柱的混凝土保護(hù)層破壞明顯，鋼筋銹蝕嚴(yán)重，部分工廠建設(shè)不到4年，就因腐蝕嚴(yán)重被迫停建?？梢?，西部地區(qū)高濃度Cl-對(duì)鋼筋混凝土設(shè)施具有很強(qiáng)的腐蝕作用。

針對(duì)上述工程現(xiàn)狀，余紅發(fā)等[2,8]采用現(xiàn)場(chǎng)取樣測(cè)試和實(shí)地暴露試驗(yàn)的方法，對(duì)青海地區(qū)高濃度氯鹽侵蝕后混凝土中腐蝕產(chǎn)物和Cl-擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)Cl-在混凝土中擴(kuò)散受暴露時(shí)長、水灰比、礦物摻合料等因素的影響，并指出采用高性能混凝土可以改善其抗高濃度Cl-侵蝕的性能。劉連新等[7]實(shí)地暴露試驗(yàn)結(jié)果也表明，采用C50以上混凝土可有效提高抗鹽漬土侵蝕性能。唐囡等[9]針對(duì)濱海氯鹽漬土壤中高濃度Cl-環(huán)境，配制出用于輸電線路塔基的C60混凝土，與普通混凝土相比，其Cl-擴(kuò)散系數(shù)降低了0.5～2.5倍。這些研究工作為提高氯鹽漬土地區(qū)混凝土設(shè)施耐久性提供了可供借鑒的成果。

結(jié)合氯鹽漬土地區(qū)混凝土抗侵蝕研究現(xiàn)狀，本文以地處西部氯鹽漬土中、與土壤長期接觸的混凝土設(shè)施為研究對(duì)象，采用高濃度氯鹽溶液長期浸泡實(shí)驗(yàn)方法，分析混凝土中Cl-含量、分布規(guī)律、對(duì)流區(qū)深度、時(shí)變規(guī)律，以及浸泡后混凝土微觀形貌?；趯?shí)驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)用Fick第二定律，分析擴(kuò)散系數(shù)隨擴(kuò)散深度、浸泡時(shí)間的變化規(guī)律，預(yù)測(cè)西部氯鹽漬土介質(zhì)中混凝土的使用壽命。

1實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)材料與試件制作

基于西部地區(qū)各類設(shè)施常用的混凝土材料類型與強(qiáng)度，本文選用C35級(jí)混凝土作為試驗(yàn)材料，質(zhì)量配合比為m(水)∶m(水泥)∶m(砂)∶m(石子)=0.41∶1∶1.084∶2.653，減水劑摻量為水泥質(zhì)量的2%。組分中，水泥選用呼和浩特市冀東水泥廠生產(chǎn)的P.O 42.5R型普通硅酸鹽水泥，化學(xué)成分如表1所示。

表1　水泥的化學(xué)成分

砂為Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)2.8，含泥量1.82%；石子選用粒徑5～25 mm的破碎石，含泥量0.82%；減水劑選用大連西卡建筑材料有限公司生產(chǎn)的3301E減水劑。

實(shí)驗(yàn)采用邊長為100 mm的混凝土立方體試件，試件全部在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)制作完成，在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行振搗，成型24 h后拆模，標(biāo)準(zhǔn)室溫養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。試件共6組，每組3個(gè)。

1.2實(shí)驗(yàn)方法與測(cè)試內(nèi)容

參考青海地區(qū)氯鹽漬土介質(zhì)中Cl-含量[2，5-8]，試驗(yàn)溶液采用質(zhì)量濃度為15%的NaCl溶液模擬西部氯鹽漬土介質(zhì)中高濃度Cl-環(huán)境。試驗(yàn)制度采用室溫條件下長期浸泡，分別在浸泡56，112，168，224，280和336 d后，取1組試件進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容測(cè)試。為減小溶液濃度變化造成的誤差，將浸泡容器密封，且每隔28 d更換一次溶液。

測(cè)試內(nèi)容包括自由氯離子含量Cf、總氯離子含量Ct、微觀形貌。為減小試件制作過程中澆筑不均勻造成的影響，選擇澆筑底面為測(cè)試工作面，其它5面采用防水膠密封。

Cl-含量測(cè)試試樣的選取，擴(kuò)散深度1 cm內(nèi)時(shí)每2 mm進(jìn)行磨粉取樣，超出1 cm擴(kuò)散深度后每5 mm進(jìn)行磨粉取樣，共取3份試樣。磨粉工序在HDM-150型混凝土打磨機(jī)上進(jìn)行，磨粉厚度由打磨機(jī)上調(diào)節(jié)裝置控制，精度為0.1 mm。

Cf和Ct采用《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ 270-1998)中滴定法進(jìn)行測(cè)試。

1.2.1Cf滴定測(cè)試過程

稱取質(zhì)量為G的烘干粉末試樣，加入體積為V1的蒸餾水，振蕩一定時(shí)間，用移液管精確量取2份體積為V2的濾液，各加兩滴C20H14O4試劑，使溶液呈紫紅色，再用稀H2SO4中和至無色，加入K2CrO4指示劑10滴，馬上用濃度為C(AgNO3)的AgNO3溶液滴定至出現(xiàn)磚紅色，記錄所消耗的AgNO3溶液體積V3，滴定時(shí)需劇烈搖動(dòng)。Cf按式(1)計(jì)算得出，為減小骨料、滴定、稱量等造成的偶然誤差，取3份試樣6次測(cè)試值的平均值

(1)

1.2.2Ct滴定測(cè)試過程

稱取質(zhì)量為G的烘干粉末試樣，放入體積為V1的15%稀HNO3溶液，密封、浸泡24 h，其間數(shù)次劇烈搖動(dòng)容器；用移液管精確量取2份體積為V2的濾液，每份加入體積為V3的AgNO3溶液，再分別加入NH4Fe(SO4)2指示劑，用KSCN標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至磚紅色，且能維持5～10 s不褪色，記錄消耗的KSCN標(biāo)準(zhǔn)溶液體積V4。Ct按式(2)計(jì)算得出，為減小骨料、滴定、稱量等造成的偶然誤差，取3份試樣6次測(cè)試值的平均值Ct=

×100

(2)

試件微觀形貌采用Hitachi S-3400II型掃描電子顯微鏡(SEM)和EMAX能譜儀進(jìn)行掃描測(cè)試，所用試樣選自擴(kuò)散深度3～8 mm之間的混凝土。

2結(jié)果與分析

2.1Cf和Ct分布規(guī)律及其相互關(guān)系

不同浸泡時(shí)間后Cf和Ct試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，Cl-含量隨擴(kuò)散深度分布曲線可以看出，Cf和Ct隨擴(kuò)散深度分布規(guī)律大體上相同，在混凝土試件中均呈現(xiàn)出先增長后降低的趨勢(shì)；沿混凝土擴(kuò)散深度方向，二者均存在明顯的Cl-峰值含量；達(dá)到峰值含量后，隨著擴(kuò)散深度的增加，Cl-含量均呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)；并且，隨著浸泡時(shí)間的增加，Cl-擴(kuò)散深度也表現(xiàn)出加大的趨勢(shì)。

圖1　Cf、Ct隨擴(kuò)散深度分布規(guī)律及其相互關(guān)系

通過對(duì)各階段Cf和Ct進(jìn)行回歸，可得到二者的相互關(guān)系如圖1所示?？梢钥闯觯珻f和Ct具有很好的線性關(guān)系，R2約為0.9934，這一結(jié)果與海洋環(huán)境下研究結(jié)果[10-11]相一致；相同擴(kuò)散深度處，Ct約為Cf的1.5448倍，而在海洋環(huán)境中，這一比值在1.1～1.3范圍內(nèi)，可見，西部氯鹽漬土介質(zhì)對(duì)混凝土中Cl-含量有明顯的影響。

2.2Cf峰值與對(duì)流區(qū)深度

對(duì)流區(qū)深度[12]是指混凝土表層發(fā)生純擴(kuò)散臨界面外部的深度，在該區(qū)段Cl-含量較高，區(qū)段之后Cl-含量隨擴(kuò)散深度的增加逐漸降低。因此，Cl-含量峰值點(diǎn)可認(rèn)為是對(duì)流區(qū)深度終點(diǎn)。表2所示為不同浸泡時(shí)間后Cf峰值與對(duì)流區(qū)深度試驗(yàn)結(jié)果。

表2　不同浸泡時(shí)間后Cf峰值與對(duì)流區(qū)深度

由圖1所示曲線和表2所示數(shù)據(jù)可以看出，本文實(shí)驗(yàn)中沿Cl-擴(kuò)散方向，Cf出現(xiàn)峰值，且前5個(gè)浸泡時(shí)間后，含量峰值波動(dòng)較小，表明高濃度氯鹽環(huán)境下浸泡時(shí)間對(duì)混凝土中Cl-含量峰值的影響較??；但是，浸泡時(shí)間對(duì)對(duì)流區(qū)深度的影響比較明顯，隨著浸泡時(shí)間的增加，對(duì)流區(qū)深度呈現(xiàn)出加大的趨勢(shì)。文獻(xiàn)[12]的研究結(jié)果也顯示海洋水下區(qū)混凝土中出現(xiàn)Cl-含量峰值，存在對(duì)流區(qū)，其深度約為5 mm。

與本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果相反，文獻(xiàn)[13-14]的浸泡試驗(yàn)結(jié)果顯示，混凝土中并未出現(xiàn)Cl-含量峰值，不存在對(duì)流區(qū)深度，原因可能是混凝土表層差異性與磨粉取樣厚度造成的。

2.3混凝土表層自由氯離子含量Cs時(shí)變規(guī)律

基于表2所示對(duì)流區(qū)深度實(shí)測(cè)結(jié)果，本部分選取距表面8 mm以內(nèi)的混凝土層作為研究對(duì)象，表層混凝土中Cs為擴(kuò)散深度0～8 mm之間的實(shí)測(cè)值，隨時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖2所示。

圖2表層混凝土Cs時(shí)變曲線

Fig 2 Time dependent curves ofCsin the surface concrete

由圖2實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，Cs隨著浸泡時(shí)間的增長，大體上呈現(xiàn)出增長的趨勢(shì)；在浸泡初期，Cs增長較快，浸泡112 d后呈波動(dòng)增長，增速變緩。

文獻(xiàn)[15]列出幾種表征表層Cl-含量時(shí)變規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，本文采用平方根模型、冪函數(shù)模型、對(duì)數(shù)模型表征混凝土表層Cl-含量的時(shí)變規(guī)律，參數(shù)擬合值如表3所示。從擬合結(jié)果可以看出，3種模型均反映出表層Cl-含量隨時(shí)間的變化規(guī)律，與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好；從相關(guān)系數(shù)R2的值來看，對(duì)數(shù)模型與試驗(yàn)結(jié)果吻合程度最好；通過將對(duì)數(shù)模型應(yīng)用于文獻(xiàn)[15-17]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖3所示發(fā)現(xiàn)R2的值在0.946～0.994之間，表明對(duì)數(shù)模型可以很好地反映出混凝土表層Cl-含量隨時(shí)間的變化規(guī)律。

表3時(shí)變模型與參數(shù)擬合值

Table 3 Time dependent model and fitted parameter values

模型類型表達(dá)式參數(shù)值R2平方根y=AxA=0.081360.83792冪函數(shù)y=AxBA=0.26871,B=0.278090.90622對(duì)數(shù)y=A+BlnxA=-0.4142,B=0.301790.97573

2.4微觀形貌分析

不同浸泡時(shí)間后試件表層3～8 mm混凝土的SEM圖像如圖4所示。從圖4可以清楚地看到未受氯鹽侵蝕的試件表層水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)完整，為絮狀晶體，并且存在明顯的孔隙“1”；經(jīng)NaCl溶液浸泡后，Cl-與C3A反應(yīng)生成Friedel’s 鹽(3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O)，為片狀晶體“2”，填充在原有表層混凝土孔隙中。并且，隨著浸泡時(shí)間增加，擴(kuò)散到混凝土中的Cl-不斷增多，F(xiàn)riedel’s鹽晶體也逐漸增多、變大，不斷占有孔隙空間，孔隙數(shù)量減少。

圖3　對(duì)數(shù)模型在其它文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的應(yīng)用

圖4　試件表層混凝土SEM圖像

圖5所示為試件表層3～8 mm混凝土的能譜圖。觀察能譜圖所示各元素的含量，可以看出，未受NaCl溶液浸泡的試件表層混凝土中，沒有Cl元素；而經(jīng)過NaCl溶液浸泡的試件，表層混凝土中含有Cl元素，并且隨著浸泡時(shí)間的增加，含有的Cl元素明顯增加。

圖5　試件表層混凝土能譜圖

3擴(kuò)散系數(shù)與使用壽命評(píng)估

3.1混凝土中擴(kuò)散系數(shù)分析

擴(kuò)散系數(shù)是評(píng)價(jià)混凝土抗Cl-侵蝕性能的重要參數(shù)，擴(kuò)散系數(shù)越大，抗Cl-侵蝕性能越差。本文采用Fick第二定律描述西部氯鹽漬土介質(zhì)中混凝土的Cl-擴(kuò)散性，混凝土既定深度處，自由Cl-擴(kuò)散模型如式(3)所示

(3)式中，D為混凝土既定深度x處t時(shí)刻未考慮Cl-結(jié)合作用影響的擴(kuò)散系數(shù)；t為浸泡時(shí)間；R為生成物反應(yīng)速率。

生成物主要是指Cl-在擴(kuò)散過程中，與混凝土經(jīng)物理或化學(xué)反應(yīng)而存在的結(jié)合Cl-，其反應(yīng)速率如式(4)所示

(4)式中，Cb為t時(shí)刻距混凝土表面x處結(jié)合Cl-含量。

將式(3)與式(4)兩邊相加，得

(5)設(shè)

則式(5)可改寫為式

(6)式(6)的數(shù)學(xué)解為

(7)

(8)

(9)

初始條件：C(x, 0)=C0；邊界條件：C(0,t)=Cs，C(∞,t)=C0。

式中，C0為混凝土內(nèi)部初始Cl-含量，本文中取值為0；Cs為混凝土表層Cl-含量，由表2所示對(duì)數(shù)模型求得；Db為考慮Cl-結(jié)合作用的擴(kuò)散系數(shù)；k依據(jù)Cf和Ct擬合結(jié)果，取值0.5448。

由式(7)-(9)所示Cl-擴(kuò)散模型，可求得不同浸泡時(shí)間、不同擴(kuò)散深度處Cl-擴(kuò)散系數(shù)，如圖6和7所示。

圖6擴(kuò)散系數(shù)與擴(kuò)散深度的關(guān)系

Fig 6 Relation betweenDand depth

由圖6所示擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果可知，浸泡時(shí)間相同的試件，擴(kuò)散系數(shù)D隨著擴(kuò)散深度的增加而增大，原因可能是隨著擴(kuò)散深度的增加，Cl-含量梯度增大，促使Cl-擴(kuò)散的壓力增大，相對(duì)地降低了抵抗Cl-擴(kuò)散的能力，增大了擴(kuò)散系數(shù)。并且，隨著浸泡時(shí)間的增加，Cl-不斷向試件內(nèi)部擴(kuò)散，含量梯度變得不明顯，擴(kuò)散系數(shù)D隨擴(kuò)散深度的增長速率變緩。由此可見，在既定時(shí)間擴(kuò)散系數(shù)隨擴(kuò)散深度的變化而變化，并不是恒定的常數(shù)，這一結(jié)果不同于有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[8，12]。

圖7擴(kuò)散系數(shù)與浸泡時(shí)長的關(guān)系

Fig 7 Relation betweenDand time

經(jīng)分析，擴(kuò)散系數(shù)與擴(kuò)散深度符合冪函數(shù)關(guān)系，如式(10)所示。式中各參數(shù)如表4所示，R2均大于0.98，表明式(10)可用于描述擴(kuò)散系數(shù)與擴(kuò)散深度的關(guān)系

D(x)=Axm

(10)

圖7所示為對(duì)流區(qū)深度以外試件各測(cè)試層擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系。由圖示曲線可以看出，同一擴(kuò)散深度處，試件擴(kuò)散系數(shù)D隨著浸泡時(shí)間的增加而逐漸減小。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能是Cl-與試件中C3A反應(yīng)生成Friedel’s鹽，不斷充填在混凝土孔隙中(如圖4所示)，阻礙了Cl-的有效擴(kuò)散。

Mangat等[18]采用如式(11)所示的冪函數(shù)描述

Cl-擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律

(11)

式中，D(t)為浸泡時(shí)間為t時(shí)的擴(kuò)散系數(shù)，B為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，n為時(shí)間衰減指數(shù)。將圖7所示數(shù)據(jù)中時(shí)間單位以秒表示，深度單位以mm表示，通過對(duì)各測(cè)試層擴(kuò)散系數(shù)回歸，得出式中各參數(shù)如表5所示，R2均大于0.98，表明式(11)可用于描述擴(kuò)散系數(shù)與浸泡時(shí)間的關(guān)系。

表5　各測(cè)試層B、n、R2值

3.2使用壽命評(píng)估

由擴(kuò)散系數(shù)分析可知，Cl-擴(kuò)散系數(shù)既隨擴(kuò)散深度的變化而變化，又隨浸泡時(shí)間的變化而變化，是擴(kuò)散深度(x)和浸泡時(shí)間(t)的函數(shù)，即D(x,t)。因此，基于Cl-擴(kuò)散系數(shù)評(píng)估西部氯鹽漬土介質(zhì)中混凝土使用壽命，不僅考慮時(shí)間因素，還應(yīng)考慮混凝土保護(hù)層厚度(擴(kuò)散深度)的影響。

西部氯鹽漬土介質(zhì)中混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，是混凝土保護(hù)層中鋼筋表面Cl-含量從零增加到鋼筋銹蝕臨界Cl-含量所經(jīng)歷的時(shí)間。由Cl-擴(kuò)散模型(5)可得混凝土使用壽命預(yù)測(cè)模型式(12)

(12)

式中，D為預(yù)期保護(hù)層厚度處Cl-擴(kuò)散系數(shù)，采用式(10)確定，與時(shí)間的關(guān)系采用式(11)確定。

保護(hù)層厚度(x)為10，20和30 mm時(shí)Cl-含量與使用時(shí)間的關(guān)系曲線如圖8所示。

圖8既定保護(hù)層厚度處氯離子含量隨時(shí)間的變化曲線

Fig 8 Relation between free chloride content and soaking time at the given cover thickness

張倩倩等[19]研究結(jié)果表明，普通混凝土中鋼筋銹蝕臨界自由氯離子含量(CCr)約為膠凝材料質(zhì)量的0.52%，由此可以得出，保護(hù)層厚度為10 mm時(shí)，使用壽命約為4.2年；保護(hù)層厚度為20 mm時(shí)，使用壽命約為24.9年；保護(hù)層厚度為30 mm時(shí)，使用壽命約為49.1年；使用壽命隨著保護(hù)層厚度的增加而顯著增加。

工程實(shí)際情況：青海地區(qū)鋼筋混凝土電桿使用2～3年后，就因鋼筋銹蝕而報(bào)廢[5]；青海鉻鹽廠建廠不到4年混凝土就出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕現(xiàn)象[6]；西寧曹家堡機(jī)場(chǎng)跑道運(yùn)行不到4年，表層混凝土就出現(xiàn)腐蝕、麻坑現(xiàn)象[7]。

對(duì)比西部氯鹽漬土地區(qū)混凝土使用壽命預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)際調(diào)查結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，工程中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)4年左右出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，可能是由于鋼筋綁扎不規(guī)范，個(gè)別部位保護(hù)層厚度較小，結(jié)構(gòu)局部出現(xiàn)鋼筋銹蝕現(xiàn)象，與保護(hù)層厚度為10 mm時(shí)的使用壽命預(yù)測(cè)結(jié)果相吻合。這一結(jié)果表明，考慮Cl-結(jié)合作用的壽命預(yù)測(cè)模型可用于西部氯鹽漬土介質(zhì)中混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命分析。

4結(jié)論

(1)西部氯鹽漬土介質(zhì)中，Cf和Ct在混凝土試件中均呈現(xiàn)出先增長后降低的趨勢(shì)，Cf和Ct具有很好的線性關(guān)系，斜率約為1.5448；沿?cái)U(kuò)散深度方向，混凝土中存在明顯的Cl-峰值含量，隨浸泡時(shí)間的增加，峰值含量變化不明顯，而對(duì)流區(qū)深度呈現(xiàn)出逐漸加大的趨勢(shì)；表層Cl-含量隨浸泡時(shí)間呈現(xiàn)出對(duì)數(shù)增長趨勢(shì)。

(2)處于西部氯鹽漬土介質(zhì)中的混凝土，Cl-與其組成成分C3A反應(yīng)生成Friedel’s 鹽，微觀上呈片狀晶體結(jié)構(gòu)，隨時(shí)間的增加，片狀晶體逐漸增多，表層中Cl元素也逐漸增多。

(3)受西部氯鹽漬土介質(zhì)的侵蝕，混凝土內(nèi)Cl-擴(kuò)散系數(shù)隨著擴(kuò)散深度的增加而增大，隨浸泡時(shí)間的增加而減小，符合冪函數(shù)變化規(guī)律；混凝土使用壽命預(yù)測(cè)結(jié)果與工程實(shí)際情況比較吻合，采用考慮Cl-結(jié)合作用的壽命預(yù)測(cè)模型可用于該介質(zhì)中混凝土使用時(shí)間的預(yù)測(cè)與分析。

參考文獻(xiàn)：

[1]Chen Zhaoyuan. Discussion on code requirements for concrete cover to reinforcement [J]. Building Structure, 2007, 37(6): 108-114.

陳肇元. 鋼筋的混凝土保護(hù)層設(shè)計(jì)要求急待改善—混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的問題討論之一[J]. 建筑結(jié)構(gòu), 2007, 37(6): 108-114.

[2]Yu Hongfa, Sun Wei, Wang Jiachun, et al. On attack product and corrosion mechanism of ordinarily concrete after long-term exposure to salt lakes [J]. Journal of the Chinese Ceramic Society, 2003, 31(5): 434-440.

余紅發(fā), 孫偉, 王甲春. 鹽湖地區(qū)混凝土的長期腐蝕產(chǎn)物與腐蝕機(jī)理[J]. 硅酸鹽學(xué)報(bào), 2003, 31(5): 434-440.

[3]Xu Congmin, Shi Kai. Corrosion resistance of X80 pipeline steel in simulated solution of Geermu soil [J]. Journal of Chemical Industry and Engineering, 2009, 60(6): 1513-1518.

胥聰敏, 石凱. X80管線鋼在格爾木土壤模擬溶液中的耐腐蝕性能[J]. 化工學(xué)報(bào), 2009, 60(6): 1513-1518.

[4]Sun Hongyao, Fu Yufang, Lu Cairong, et al.Present situation of corrosion and protection of buildings in saline soil and salt lake environments [J]. Corrosion & Protection, 2012, 33(8): 652-657.

孫紅堯, 傅宇方, 陸采榮, 等. 處于鹽漬土和鹽湖環(huán)境下建筑物的腐蝕與防護(hù)現(xiàn)狀[J]. 腐蝕與防護(hù), 2012, 33(8): 652-657.

[5]Yu Hongfa, Hua Puxiao, Qu Wu, et al. Exposure experiment of corrosion resistance concrete pole in northwest salt lake region [J]. China Concrete and Cement Products, 2003, 6: 23-26.

余紅發(fā), 華普校, 屈武, 等. 抗腐蝕混凝土電桿在西北鹽湖地區(qū)的野外暴露實(shí)驗(yàn)[J]. 混凝土與水泥制品, 2003, 6: 23-26.

[6]Zhang Weiqin, Liu Lianxin, Wang Panlao, et al. Study on corrosivity of salinzed soil of Qinghai plateau to building [J]. Architecture Technology, 2004, 35(4): 254-256.

張偉勤, 劉連新, 王潘勞, 等. 青海高原鹽漬土對(duì)建筑物腐蝕性的研究[J]. 建筑技術(shù), 2004, 35(4): 254-256.

[7]Liu Lianxin, Zhang Weiqin, Dai Dahu. Engineering practice and test study of resisting saline soil corrosion concrete [J]. Journal of Qinghai University, 2004, 22(6): 31-36.

劉連新, 張偉勤, 代大虎. 抗鹽漬土侵蝕混凝土的工程實(shí)踐與試驗(yàn)研究[J]. 青海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2004, 22(6): 31-36.

[8]Zhang Liming, Yu Hongfa, He Zhongmao. Chloride ion diffusivity of salt lake concrete [J]. Journal of Central South University, 2011, 42(6): 1752-1755.

張立明, 余紅發(fā), 何忠茂. 鹽湖地區(qū)混凝土的氯離子擴(kuò)散性[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2011, 42(6): 1752-1755.

[9]Tang Nan, Zhang Yu, Qiu Jing, et al. Design and test of C60 concrete to resist saline attack for power transmission line [J]. Concrete, 2015, 4: 144-147.

唐囡, 張宇, 邱靜, 等. 濱海鹽漬土輸電線路用C60塔基混凝土的研制及性能檢驗(yàn)[J]. 混凝土, 2015, 4: 144-147.

[10]Wu Qingling, Yu Hongfa, Wang Jiachun. Chloride ion diffusion characteristics of concrete in field marine regional environment [J]. Journal of Hohai University, 2009, 37(4): 410-414.

吳慶令, 余紅發(fā), 王甲春. 現(xiàn)場(chǎng)海洋區(qū)域環(huán)境中混凝土的Cl-擴(kuò)散特性[J]. 河海大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 37(4): 410-414.

[11]Mohammed T U, Hamada H. Relationship between free chloride and total chloride contents in concrete [J]. Cement and Concrete Research, 2003, 33(9): 1487-1490.

[12]Jin Libing. Multi-environmental time similarity (METS) theory and its application in coastal concrete structural durability [D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2008.

金立兵. 多重環(huán)境時(shí)間相似理論及其在沿?；炷两Y(jié)構(gòu)耐久性中的應(yīng)用[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2008.

[13]Safehian M, Ramezanianpour A A. Assessment of service life models for determination of chloride penetration into silica fume concrete in the severe marine environmental condition [J]. Construction and Building Materials, 2013, 48: 287-294.

[14]Farahani A, Taghaddos H, Shekarchi M. Prediction of long-term chloride diffusion in silica fume concrete in a marine environment [J]. Cement & Concrete Composites, 2015, 59: 10-17.

[15]Zhao Yuxi, Wang Chuankun, Jin Weiliang, et al. Experimental analysis on time-dependent law of surface chloride ion concentration of concrete [J]. Journal of Civil, Architectural & Environmental Engineering, 2010, 32(3): 8-13.

趙羽習(xí), 王傳坤, 金偉良, 等. 混凝土表面氯離子濃度時(shí)變規(guī)律試驗(yàn)研究[J]. 土木建筑與環(huán)境工程, 2010, 32(3): 8-13.

[16]Kassir M K, Ghosn M. Chloride-induced corrosion of reinforced concrete bridge decks [J]. Cement and Concrete Research, 2002, 32(1): 139-143.

[17]Ji Yongsheng, Yuan Yingshu. Transport process of chloride in concrete under wet and dry cycles [J]. Industrial Construction, 2006, 36(12): 16-19.

姬永生, 袁迎曙. 干濕循環(huán)作用下氯離子在混凝土中的侵蝕過程分析[J]. 工業(yè)建筑, 2006, 36(12): 16-19.

[18]Mangat P S, Molloy B T. Prediction of long term chloride concentration in concrete [J]. Materials and Structures, 1994, 27(6): 338-346.

[19]Zhang Qianqian, Sun Wei, Shi Jinjie. Influence of mineral admixtures on chloride threshold level for corrosion of steel in mortar [J]. Journal of the Chinese Ceramic Society, 2010, 38(4): 633-637.

張倩倩, 孫偉, 施錦杰. 礦物摻合料對(duì)鋼筋銹蝕臨界氯離子含量的影響[J]. 硅酸鹽學(xué)報(bào), 2010, 38(4): 633-637.

Chloride diffusion in concrete in a west chlorine saline soil medium

YAN Changwang1,2，LI Jie2，ZHANG Ju1，LIU Shuguang1,2

(1.School of Mining and Technology, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051, China;2.School of Civil Engineering, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051, China)

Abstract:In order to study chloride diffusion in concrete in a west chlorine saline soil medium, experimental analysis, micro scanning and theoretic prediction were applied. The main contents included chloride content and distribution, maximum content and convection zone depth, time dependence of free chloride content and micro morphology in the surface concrete, and prediction of experienced time to get critical chloride concentration for steel corrosion at the given concrete cover depth. The study results shows content of free chloride and total chloride increase first and then decrease with the erosion depth, better linear relationship appears between them. Chloride peak content exists and changes slightly with the soaking period. However, convection zone depth increases, chloride content in the surface concrete grows, Friedel’s salt and chloride element in the surface concrete gets more with the increase of soaking time. Theoretic analysis results indicate diffusion coefficient increases with the increase of erosion depth and decreases with the increase of soaking period. Predicted result of service life agrees with the actual corrosion situation of concrete structures, and prediction model for service life can be used to predict and analyze service time of concrete structures in the west chlorine saline soil medium.

Key words:ordinary concrete; free chloride; micro scanning; diffusion coefficient; service life

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.02.013

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TU528.1

作者簡介：閆長旺(1978-)，男，內(nèi)蒙古包頭人，博士，教授，從事混凝土結(jié)構(gòu)耐久性與抗震性能研究。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51368040)；內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015MS0505)；內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)校青年科技英才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(NJYT-14-B08)

文章編號(hào)：1001-9731(2016)02-02060-07

收到初稿日期：2015-04-16 收到修改稿日期：2015-10-26 通訊作者：張菊，E-mail: zj970741@126.com