基于滲透性能的混凝土耐久性預(yù)測(cè)模型

閆菲+王瑞駿+車明杰+賀新星

摘要：通過不同配合比混凝土試件的氣體滲透性測(cè)試、吸水性測(cè)試及氯離子侵蝕試驗(yàn)，分析了混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)與滲透性能之間的關(guān)系，建立了基于滲透性能的混凝土耐久性預(yù)測(cè)模型，并以某臨海水閘工程為例對(duì)所建模型進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：空氣滲透性系數(shù)、吸水性系數(shù)及氯離子擴(kuò)散系數(shù)均隨著水灰比的增大而增大；不同水灰比情況下，氯離子擴(kuò)散系數(shù)均隨空氣滲透性系數(shù)、吸水性系數(shù)的增大而增大，且呈現(xiàn)一定的相關(guān)性；建立的基于滲透性能的混凝土耐久性預(yù)測(cè)模型，只需進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)滲透性能的試驗(yàn)，即可預(yù)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命；以某臨海水閘工程為例對(duì)所建模型進(jìn)行驗(yàn)證，認(rèn)為該模型是可行的。建立基于滲透性能的混凝土耐久性預(yù)測(cè)模型對(duì)在氯離子環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)工程直接利用滲透性能預(yù)測(cè)其使用壽命具有重要意義。

關(guān)鍵詞：混凝土；滲透性能；氯離子侵蝕；耐久性預(yù)測(cè)模型

中圖分類號(hào)：TV223.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-1683（2017）04-0161-07

Abstract：Through gas permeability test，water absorption test，and chloride ion erosion test of concrete samples with different mix proportions，this article has analyzed the relationship between the chloride ion diffusion coefficient and permeability，established a concrete durability prediction model based on permeability，and verified the model with a coastal sluice.The results showed that gas permeability coefficient，water absorption coefficient，and chloride ion diffusion coefficient would all increase with the increase of water cement ratio；in different water cement ratio conditions，chloride ion diffusion coefficient would increase with the increase of gas permeability and water absorption coefficient，showing a certain correlation between them.Just by testing the permeability of concrete structures，the established prediction model of concrete durability can predict the service life of the concrete structures.The model was verified and proven feasible with a coastal sluice.It has great significance in predicting the service life of concrete structures in chloride environment directly based on their permeability.

Key words：concrete；permeability；chloride ion erosion；durability prediction model

鋼筋銹蝕是導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命降低的關(guān)鍵因素，而引起鋼筋銹蝕的主要原因是在富含氯離子環(huán)境下，氯離子通過混凝土結(jié)構(gòu)缺陷滲入，最終在鋼筋表面聚集并達(dá)到臨界濃度，且該過程中必須要有空氣和水的存在[1-2]。混凝土的滲透性能主要體現(xiàn)在滲氣性和滲水性這兩方面，因此，混凝土的滲透性能是影響氯離子侵蝕的關(guān)鍵因素[3]。目前基于滲透性

能的耐久性研究主要成果在于兩者之間的關(guān)系，通過數(shù)值和試驗(yàn)分析，許多學(xué)者[4-7]認(rèn)為：混凝土的滲透性能與其耐久性之間互相影響，密切相關(guān)，基于混凝土的滲透性能來評(píng)價(jià)混凝土的耐久性是可行的。本文通過試驗(yàn)，分析混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)與滲透性能之間的關(guān)系，建立基于滲透性能的混凝土耐久性預(yù)測(cè)模型，對(duì)在氯離子環(huán)境下的結(jié)構(gòu)工程直接利用滲透性能預(yù)測(cè)其使用壽命有重要意義。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料及混凝土配合比

水泥采用陜西秦嶺水泥總廠P.O52.5R水泥；粉煤灰采用渭河電廠Ⅱ級(jí)粉煤灰；骨料采用河砂及粒徑5～35 mm的天然卵石；減水劑采用西安市紅旗外加劑廠聚羧酸高效減水劑；引氣劑采用三萜皂甙高效引氣劑；采用普通自來水?；炷猎嚰O(shè)計(jì)為五組不同水灰比的配合比混凝土試件?；炷?8 d抗壓強(qiáng)度測(cè)定時(shí)，混凝土配合比及力學(xué)性能見表1。

1.2 試件制作及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)分別制作五組規(guī)格為φ300 mm，高度100 mm；φ100 mm，高度50 mm的兩種混凝土試件，混凝土澆注24～48 h后進(jìn)行拆模，制作完成后將試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28 d，養(yǎng)護(hù)箱溫度控制在20±5 ℃，相對(duì)濕度控制在95%以上。

1.2.1 氣體滲透性測(cè)試

氣體滲透性測(cè)試采用Autoclam自動(dòng)滲透性測(cè)試儀，見圖1。測(cè)試之前，將試件烘干至恒重，儀器氣壓緩慢升至0.5 mbar，對(duì)監(jiān)測(cè)氣壓的衰減情況，每分鐘記錄一次，直到測(cè)試進(jìn)行15分鐘或氣壓下降為零為止[8]。

1.2.2 吸水性測(cè)試

吸水性測(cè)試也采用Autoclam自動(dòng)滲透性測(cè)試儀，可在氣體滲透性測(cè)試的同一位置進(jìn)行，但必須至少間隔一小時(shí)。當(dāng)儀器倉盛滿水后，進(jìn)水管自動(dòng)關(guān)閉，微泵繼續(xù)增壓至大氣壓以上20 mbar。測(cè)試開始時(shí)，壓力水可認(rèn)為是被毛細(xì)管吸收，此時(shí)儀器內(nèi)部水壓有下降趨勢(shì)，通過水泵及系統(tǒng)控制把水壓保持為某固定值，在測(cè)試15分鐘內(nèi)，儀器自動(dòng)記錄測(cè)試期間的吸水量，每分鐘測(cè)量一次注水量。

1.2.3 氯離子侵蝕試驗(yàn)

試驗(yàn)采用RCM法，試驗(yàn)設(shè)備見圖2、圖3。試件（直徑φ100 mm，高度h=50 mm）見圖4。RCM法屬于氯離子電遷移試驗(yàn)方法，在電場(chǎng)作用下氯離子定向運(yùn)動(dòng)稱為電遷移。結(jié)合化學(xué)分析，通過確定氯離子濃度-距離-時(shí)間關(guān)系，得到氯離子擴(kuò)散系數(shù)。

2 各試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 氣體滲透性測(cè)試

各組試件氣體滲透性測(cè)試結(jié)果見表2，圖5為各組試件空氣滲透性系數(shù)隨水灰比的變化規(guī)律。由圖可知，各組試件空氣滲透性系數(shù)隨水灰比的增大而增大。

2.2 吸水性測(cè)試

各組試件吸水性測(cè)試結(jié)果見表3，圖6為各組試件吸水性系數(shù)隨水灰比的變化規(guī)律。由圖可知，各組試件吸水性系數(shù)隨水灰比的增大而增大。

2.3 氯離子侵蝕試驗(yàn)

各組試件氯離子擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算見表4，各組試件所測(cè)得的氯離子擴(kuò)散系數(shù)分布于0.75～2.96之間。根據(jù)表5，A、B兩組混凝土抗氯離子耐久性為Ⅴ級(jí)，C、D兩組抗氯離子耐久性為Ⅳ級(jí)，E組抗氯離子耐久性為Ⅲ級(jí)。本次試驗(yàn)混凝土摻用了高性能減水劑和引氣劑，與普通混凝土氯離子遷移系數(shù)相比較低，所得結(jié)果規(guī)律合理。

圖7為各組試件氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨水灰比的變化規(guī)律。由圖可知，各組試件氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨水灰比的增大而增大。

4 基于滲透性能的混凝土耐久性預(yù)測(cè)模型

4.1 氯離子侵入模型

氯離子侵蝕導(dǎo)致鋼筋銹蝕的過程可分為三個(gè)階段[11-12]，分別為腐蝕誘導(dǎo)階段、腐蝕發(fā)展階段以及腐蝕破壞階段。但是在氯離子環(huán)境下，鋼筋一旦開始銹蝕，腐蝕發(fā)展階段非常短，一般將腐蝕誘導(dǎo)階段定義為混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。因此，確定影響腐蝕誘導(dǎo)階段的臨界濃度是預(yù)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的關(guān)鍵。

Fick第二定律描述的氯離子擴(kuò)散是不隨時(shí)間變化的[13]，則事實(shí)上相反。針對(duì)這種現(xiàn)象，許多學(xué)者[14-17]對(duì)其進(jìn)行研究并用冪函數(shù)表示該現(xiàn)象，如式（5）所示。

由上式可看出，只要氯離子臨界濃度確定，就可以反求出結(jié)構(gòu)暴露時(shí)間t，從而預(yù)測(cè)混凝土的使用壽命。我國(guó)學(xué)者通過調(diào)查和取樣[18]，測(cè)得位于海港碼頭的混凝土結(jié)構(gòu)的氯離子臨界濃度大概在為0.105%～0.150%。但是已有研究中顯示氯離子臨界濃度結(jié)果離散性很大[19]，很難定出一個(gè)統(tǒng)一的氯離子臨界濃度值。

4.2 建立基于滲透性能的混凝土耐久性預(yù)測(cè)模型

由混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)與滲透性能的關(guān)系研究可看出，不同水灰比下，氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨空氣滲透性系數(shù)、吸水性系數(shù)的增大而增大，且呈一定的相關(guān)性，無論是理論上還是實(shí)際中都有著比較穩(wěn)定的相關(guān)性，從而建立以空氣滲透性系數(shù)、吸水性系數(shù)為指標(biāo)的混凝土耐久性預(yù)測(cè)模型。

考慮各種自然因素的影響，結(jié)合公式（3）、（5），公式（4）、（5）分別建立以空氣滲透性系數(shù)以及吸水性系數(shù)為指標(biāo)的混凝土耐久性預(yù)測(cè)模型，如式（6）、（7）所示。

4.3 模型驗(yàn)證

某臨海水閘[20]位于浙江省溫州市，該水閘建成于1998年4月。水閘為單孔，凈寬5.0 m，鋼閘門；設(shè)計(jì)過流流量50.2 m3/s，該水閘從1998年建成服役5 350 d后，閘門及翼墻混凝土腐蝕嚴(yán)重，混凝土中有張裂縫。

該水閘閘墩為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土保護(hù)層厚35 mm，水灰比為0.5，參照本文不同水灰比下氣體滲透性測(cè)試及吸水性測(cè)試結(jié)果可得空氣滲透性系數(shù)為0.057 Ln/min，吸水性系數(shù)為1.732×107m3/min ；對(duì)于摻粉煤灰的混凝土?xí)r間衰減系數(shù)m值一般在0.6左右，本文取0.684；該水閘施工時(shí)用當(dāng)?shù)刈詠硭韬突炷?，故混凝土中初始氯離子濃度C0取0，暴露在氯離子濃度為Cs=1.90%的海水環(huán)境中，把以上數(shù)據(jù)代入式（6）及式（7），可以預(yù)測(cè)到服役5 350 d后閘墩鋼筋表面處的氯離子臨界濃度分別為0.25%、0.236%。

文獻(xiàn)[20]中采用Monte Carlo法進(jìn)行不同臨界氯離子濃度下的鋼筋初銹時(shí)間預(yù)測(cè)，由結(jié)果可得出：當(dāng)混凝土中鋼筋初銹時(shí)間在3 000 d左右時(shí)，臨界氯離子濃度在0.12%～0.18%；當(dāng)鋼筋初銹時(shí)間在1 000 d左右時(shí)，臨界氯離子濃度均值在0.06%左右。利用本文建立以空氣滲透性系數(shù)以及吸水性系數(shù)為指標(biāo)的混凝土耐久性預(yù)測(cè)模型計(jì)算所得服役5 350 d后閘墩鋼筋表面處的氯離子臨界濃度分別為0.25%、0.236%與文獻(xiàn)[20]中的結(jié)果相吻合。由此可見，本文建立的基于滲透性能的混凝土耐久性預(yù)測(cè)模型是可行的。

5 結(jié)論

通過試驗(yàn)研究，分析了混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)與滲透性能之間的關(guān)系，建立了基于滲透性能的混凝土耐久性預(yù)測(cè)模型，并以某臨海水閘工程為例對(duì)所建模型進(jìn)行驗(yàn)證，得出以下結(jié)論。

（1）空氣滲透性系數(shù)、吸水性系數(shù)及氯離子擴(kuò)散系數(shù)均隨著水灰比的增大而增大。不同水灰比情況下，氯離子擴(kuò)散系數(shù)均隨空氣滲透性系數(shù)、吸水性系數(shù)的增大而增大，且呈現(xiàn)一定的相關(guān)性。

（2）本文建立的基于滲透性能的混凝土耐久性預(yù)測(cè)模型，只需進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)滲透性能的試驗(yàn)，即可預(yù)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命；以某臨海水閘工程為例對(duì)所建模型進(jìn)行驗(yàn)證，認(rèn)為該模型是可行的。建立基于滲透性能的混凝土耐久性預(yù)測(cè)模型對(duì)在氯離子環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)工程能直接利用滲透性能預(yù)測(cè)其使用壽命具有重要意義。

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