基于室內外相關性方法的混凝土氯離子擴散性研究

張立明，余紅發(fā)

ZHANG Liming, YU Hongfa

腐蝕環(huán)境下混凝土結構的早期破壞現(xiàn)象非常普遍,其原因是環(huán)境中自由氯離子進入混凝土內部,引起混凝土結構內部鋼筋銹蝕,同時環(huán)境中的硫酸根引起混凝土劣化,促進了自由氯離子擴散性。因此混凝土氯離子擴散性是腐蝕環(huán)境下混凝土結構壽命預測的主要考慮的因素之一,并成為國內外學者[1-4]關注的焦點。目前,對混凝土氯離子擴散性的研究主要集中在室內環(huán)境下的單一氯鹽溶液[5-8],對氯鹽、硫酸鹽復合溶液[7-11]的研究還不多見,對現(xiàn)場環(huán)境下[12-13]混凝土結構氯離子擴散性研究就更少了。目前對腐蝕環(huán)境下混凝土結構壽命預測主要依賴于室內試驗的結果，如果能夠建立混凝土氯離子擴散性的室內環(huán)境與現(xiàn)場暴露環(huán)境之間聯(lián)系,今后就可以以室內氯離子性試驗為基礎,以內外關系為紐帶,更準確地預測實際環(huán)境下混凝土結構的氯離子擴散性。因此,建立室內環(huán)境與現(xiàn)場環(huán)境之間聯(lián)系,利用室內外關系對氯離子擴散方程進行修正,并驗證修正模型的準確性,是本文的研究目的。最后將其應用到實際工程的壽命預測。

1 試驗計劃

1.1 原材料及配合比

水泥、硅灰、減水劑和粗細集料等原材料為項目組統(tǒng)一購買,其物理及化學指標見文獻[9]?；炷翗嫾呐浜媳?、抗壓強度、坍落度、含氣量見表1。

1.2 試驗程序

1.2.1 室內浸泡和現(xiàn)場暴露試驗

腐蝕溶液為青海察爾汗鹽湖的鹵水,其化學成分見表2。

混凝土構件的配筋圖及模具見圖1,混凝土拌合后,測定其工作性后,澆筑到成型后, 在標準條件下養(yǎng)生28 d后,分別在室內腐蝕溶液進行浸泡試驗和國道215K617+900處進行現(xiàn)場暴露試驗見圖2。

圖1 構件配筋及模具尺寸

混合料水膠比原材料質量/(kg·m-3)水泥硅灰砂石子PCA?I水坍落度/mm含氣量28d抗壓強度/MPaC300533680—7351103—1957564313C500354122—687114514216016846586C80SF1002353105970810625851364635806

SF-silica fume; PCA?(I)-Sup- performance( water reducing admixture)

表2 青海察爾汗鹽湖鹵水化學成分

圖2 鹽湖暴露站

1.2.2 混凝土取樣和氯離子分析測試

混凝土構件在室內浸泡和現(xiàn)場環(huán)境下,分別暴露了90 d、270 d、493 d和721 d。采用如圖3所示的位置對其進行鉆孔取樣,取樣方法和化學分析方法詳見文獻[14]。

圖3 鉆孔位置布置圖

圖4 二維氯離子擴散模型

2 混凝土氯離子擴散模型及室內外轉換關系的方法

2.1 混凝土氯離子擴散理論模型

采用文獻[15]基于Fick’s第二定律推導的二維氯離子擴散理論模型：

(1)

式(1)中：L1、L2分別為混凝土梁截面的寬度和厚度；t為混凝土暴露于Cl-環(huán)境中的時間；x和y分別為L1和L2方向的擴散深度；Cf為t時刻(x,z)坐標位置處的自由Cl-含量；C0為混凝土內部初始Cl-含量；CS為混凝土表面Cl-含量,按照實測的Cf-y之間的一元二次多項回歸式計算確定；m、n為計算時的迭代次數(shù)；Dt為t時刻的混凝土表觀Cl-擴散系數(shù),可用編制好的SAS程序計算得出,計算時取L1= 100 mm、L2= 75 mm,C0=0 、x=30 mm、y分別為2.5 mm、7.5 mm、12.5 mm、17.5 mm和22.5 mm。

氯離子結合能力計算如式(2)所示：

(2)

式(2)中:Cb為結合氯離子、Cf為自由氯離子。

2.2 室內外關系轉變的方法

選擇室內溶液浸泡為標準環(huán)境,現(xiàn)場暴露環(huán)境與標準環(huán)境的轉換系數(shù)用K表示：

(3)

式(3)中：Z為浸泡環(huán)境下的氯離子擴散參數(shù)；Z1為現(xiàn)場暴露環(huán)境下的氯離子擴散參數(shù)。

實際混凝土結構氯離子擴散參數(shù)F可用式(4)表示：

F=KZ

(4)

3 試驗結果及分析

3.1 混凝土自由氯離子結合能力R

從圖5可知：混凝土的氯離子結合能力是混凝土自身的特性,它與混凝土自身的配比有關,與試驗環(huán)境無關。隨著抗壓強度的增大而增大。

圖5 混凝土氯離子結合能力

3.2 混凝土表面自由離子含量Cs

表面自由氯離子含量是根據(jù)滴定試驗測得的平均深度為2.5 mm、7.5 mm、12.5 mm、17.5 mm和22.5 mm的自由氯離子含量。利用電子表格進行二次項回歸, 得到自由氯離子含量與擴散深度的關系式。當深度x=0時,計算得到混凝土表面自由氯離子含量CS值。從圖6可知：混凝土構件表面自由氯離子含量(CS)隨著腐蝕時間的增加先快速增加后趨于穩(wěn)定,隨著混凝土抗壓強度的增加而降低,長期浸泡環(huán)境下混凝土CS大于其在現(xiàn)場環(huán)境下CS。

圖6 混凝土表面自由氯離子含量(Cs)與腐蝕時間的關系

混凝土表面氯離子含量可用式(5)表示：

CS=CS0(1-e-st)

(5)

式(5)中：Cs0為最大表面自由氯離子含量,CS為混凝土表面自由氯離子含量,t為腐蝕時間。

3.3 混凝土表觀氯離子擴散系數(shù)

利用式(1)可計算出,各混凝土的表觀自由氯離子擴散系數(shù)(Dt)。不同腐蝕時間表觀自由氯離子擴散系數(shù)可用式(6)[15]表示：

(6)

式(6)中：Dt為混凝土表觀氯離子擴散系數(shù)/10-7mm2s-1,D0為腐蝕28 d表觀自由氯離子擴散系數(shù)/10-7mm2s-1,t為腐蝕時間/d,t0是腐蝕時間28 d,m為時間依賴系數(shù)。

表3 混凝土氯離子擴散性參數(shù)

如圖7所示：混凝土構件的Dt隨著暴露時間的增加而下降,隨著混凝土的抗壓強度增大而降低；長期浸泡環(huán)境下混凝土Dt大于其在現(xiàn)場環(huán)境下Dt。

圖7 混凝土表觀氯離子擴散系數(shù)與腐蝕時間關系

4 基于室內外相關系數(shù)的修正氯離子擴散模型及驗證

余紅發(fā)教授等[15]修正的氯離子擴散方程。

(7)

引入室內相關性系數(shù)后式(7)變?yōu)橄率剑?/p>

(8)

式(8)中：Cf為t時刻自由氯離子含量/%,距表面距離為x處,CS0為長期浸泡環(huán)境下混凝土表面最大氯離子含量,D0為長期浸泡環(huán)境下混凝土28 d表觀氯離子擴散系數(shù),R為氯離子結合能力,m為時間依賴系數(shù),KC、KD和Km分別為CS0、D0和m的室內外換算系數(shù),K為混凝土劣化系數(shù)取1,t為腐蝕時間/s。

5 模型驗證

對鹽湖現(xiàn)場暴露1546 d的C30、C50和C80SF10混凝土構件取樣,測定距表面深度分別2.5 mm、7.5 mm、12.5 mm、17.5 mm處的自由氯離子含量,分別用式(7)和式(8)計算各混凝土的不同深度處的自由氯離子含量。如圖8 所示：以室內長期浸泡數(shù)據(jù)為基準式(7)預測混凝土構件不同深度自由氯離子含量均大于現(xiàn)場實測的數(shù)據(jù),預測數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)偏差很大；當考慮室內外相關系數(shù)時式(8),預測混凝土構件不同深度自由氯離子含量均與現(xiàn)場實測的數(shù)據(jù)接近,說明式(8)更適合預測鹽湖現(xiàn)場混凝土結構的氯離子含量。

圖8 1546 d混凝土自由氯離子含量實測值與計算值對比

6 結 語

研究了3種典型強度等級的混凝土構件在室內外環(huán)境下的氯離子擴散性,以長期浸泡環(huán)境為基準,引入室內外轉換系數(shù)K, 對二維氯離子擴散模型進行修正,并對修正模型進行了驗證,主要得到以下結論：

1)混凝土構件的Dt值隨著腐蝕時間的增加而下降,而CS值卻呈現(xiàn)出相反的規(guī)律,R值與腐蝕齡期無關；混凝土構件的CS、R值均隨著其抗壓強度的增加而增大,而CS值卻呈現(xiàn)出相反的規(guī)律。

2) 混凝土構件的氯離子結合能力(R)、表面自由氯離含量(CS)和自由氯離子擴散系數(shù)Dt的變化規(guī)律與試驗環(huán)境無關,說明混凝土構件氯離子擴散性符合室內外相關性試驗的設計原則。

3)引入室內外相關系數(shù)的修正氯離子擴散系數(shù)模型更適合預測鹽湖現(xiàn)場混凝土結構的自由氯離子含量。

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