鹽堿環(huán)境下混凝土電性參數(shù)差異性

漆玉茂， 黃俊革， 盧思同， 張 彧， 劉 宇

(上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 城市建設(shè)與安全工程學(xué)院， 上海 201418)

我國(guó)新疆和北方部分地區(qū)、沿海地區(qū)都有鹽堿分布。鹽堿環(huán)境下混凝土易受侵蝕，主要有如下幾種方式:①直接的化學(xué)侵蝕:主要指混凝土保護(hù)層遭受環(huán)境中的酸性成分的化學(xué)作用。②堿-基料反應(yīng)。③硫酸鹽侵蝕。④內(nèi)部加強(qiáng)筋的腐蝕,如鋼筋的腐蝕[1]。對(duì)新疆的鹽堿采樣分析結(jié)果表明，陰離子中，以氯離子和硫酸根離子為主，其最大含量分別為15.39、141.86 g/kg，平均含量分別為1.73、10.91 g/kg，陽(yáng)離子以鈉離子為主。由于力學(xué)與非力學(xué)原因的影響，澆筑后的混凝土在使用前就已經(jīng)存在微裂縫，而外部荷載和環(huán)境條件作用會(huì)使混凝土產(chǎn)生更多的微裂縫并使其相互連通[2]，形成大量的物質(zhì)遷移通道，加速水及侵蝕物質(zhì)在混凝土內(nèi)的傳輸[3]。有些離子的富集將降低混凝土的承載力，如水泥桿菌的形成；有些離子會(huì)破環(huán)鋼筋表面的鈍化膜，使鋼筋產(chǎn)生銹蝕，進(jìn)而影響混凝土結(jié)構(gòu)的承載力。

為了有效地提高建筑物的安全性，需在有害離子侵入混凝土的初期采取相應(yīng)預(yù)防措施，必須對(duì)影響混凝土內(nèi)部介質(zhì)腐蝕、鋼筋銹蝕的環(huán)境與時(shí)空變化規(guī)律進(jìn)行有效檢測(cè)與監(jiān)測(cè)。目前檢測(cè)的方法有化學(xué)和物理方法2種。化學(xué)方法[4]為直接檢測(cè)方法，在混凝土中的敏感部位局部采樣后進(jìn)行化學(xué)分析，確定有害離子含量。這種方法會(huì)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)造成損傷，影響混凝土的整體性能。物理法包括紅外熱像技術(shù)法、超聲波檢測(cè)法、電阻率法等。紅外熱像技術(shù)法可以快速、非接觸地掃查檢測(cè)物表面，不損傷檢測(cè)物，結(jié)果直觀形象，是一種靈敏的監(jiān)測(cè)/檢測(cè)方法[5]。在無(wú)損檢測(cè)中超聲波檢測(cè)有著非常重要的地位，用該法檢測(cè)方便簡(jiǎn)單，不受設(shè)備形狀限制、檢測(cè)速度快[6]。超聲波法檢測(cè)鋼筋未發(fā)生明顯銹脹裂紋時(shí)，其檢測(cè)結(jié)果不夠精確，通常將其用來(lái)檢測(cè)鋼筋所在結(jié)構(gòu)內(nèi)的位置[7]。電阻率法易受混凝土內(nèi)部鋼筋的影響，難以準(zhǔn)確觀測(cè)介質(zhì)中離子的變化情況。而極化率參數(shù)基本不受內(nèi)部鋼筋影響，可通過(guò)研究混凝土內(nèi)部激發(fā)極化效應(yīng)，觀測(cè)混凝土的極化率來(lái)檢測(cè)混凝土內(nèi)部離子變化情況。電阻率法或激發(fā)極化法都是以地殼中巖石和礦石的導(dǎo)電性或激電效應(yīng)等物理性質(zhì)的差異為物質(zhì)基礎(chǔ)，通過(guò)觀測(cè)與研究人工建立的地中電流場(chǎng)或激電場(chǎng)的分布規(guī)律解決地質(zhì)問(wèn)題。因此本文為了考察不同鹽堿離子拌和的混凝土試塊電性參數(shù)的差異性，以各試塊在養(yǎng)護(hù)期內(nèi)的電阻率、極化率等電性參數(shù)為研究對(duì)象，利用SPSS 22通過(guò)單因素方差分析，判斷各試塊電性參數(shù)的差異性。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料及配合比

試驗(yàn)采用普通硅酸鹽水泥，含礦物成分C3S、C2S、C3A、C4AF；細(xì)骨料為當(dāng)?shù)睾由埃畲罅讲淮笥? mm。粗骨料采用碎石，用篩子篩選出5～20 mm粒徑的部分用于制作混凝土試塊。篩選骨料時(shí)仔細(xì)選出摻雜著的各類雜質(zhì)以減少實(shí)驗(yàn)誤差。配合比為水∶水泥∶砂∶碎石=0.44∶1 ∶1.312∶2.666，清水試樣用自來(lái)水拌合作為對(duì)比試塊；根據(jù)鹽堿成分分析的結(jié)果，其他試塊分別用不同濃度的氯化鈉溶液、硫酸鈉溶液進(jìn)行拌和，混凝土配合比設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表1。

表1 混凝土配合比設(shè)計(jì)

1.2 試件成型及養(yǎng)護(hù)

拌和料采用攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，先將量好的溶質(zhì)緩慢倒入量好的水中，攪拌均勻；再將水泥、砂、碎石加入攪拌鍋內(nèi)干拌 30 s拌均勻，最后將溶液緩慢加入攪拌器中進(jìn)行攪拌。攪拌完成后，將拌合物澆筑于70 mm×70 mm×90 mm的試模中，放置于振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)5 min，振動(dòng)完成后用抹刀刮去多余部分，并將上表面抹平整。將成型后的試件移入養(yǎng)護(hù)室，養(yǎng)護(hù)12 h后拆模，將拆模后的試塊進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)28 d，定時(shí)每天測(cè)量試塊的電阻率值、極化率值。

1.3 試件大小及觀測(cè)方法

實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)x器為WDCB-1巖石標(biāo)本電性測(cè)試儀器、PDJB-1 巖石標(biāo)本電性測(cè)試架配合能同時(shí)完成巖石標(biāo)本的電阻率參數(shù)和激電參數(shù)的測(cè)量、存儲(chǔ)。測(cè)量時(shí)，將試塊放置在兩極化罐中間，并用支撐架調(diào)整試塊的高度，使其中心與極化罐中心對(duì)齊，電流從試塊兩端流入或流出，可消除邊界效應(yīng)的影響。為了使試塊模型與試架尺寸適應(yīng)，測(cè)量更精準(zhǔn)，試塊模型的大小設(shè)定為70 mm×70 mm×90 mm。測(cè)量時(shí)，對(duì)同一試塊測(cè)量10次，取其平均值作為當(dāng)天的測(cè)量數(shù)據(jù)。測(cè)量裝置圖如圖1所示。

圖1 測(cè)量裝置圖

1.4 養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)各試塊電阻率值/極化率值測(cè)量結(jié)果

采用上述測(cè)量裝置測(cè)量養(yǎng)護(hù)齡期28 d內(nèi)各試塊的電阻率值、極化率值，將其測(cè)量數(shù)據(jù)繪圖,如圖2～圖5所示。

圖2 養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)不同鹽堿溶液拌和的混凝土試塊電阻率

圖3 養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)不同鹽堿溶液拌和的鋼筋混凝土試塊電阻率

圖4 養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)不同鹽堿溶液拌和的混凝土試塊極化率

圖5 養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)不同鹽堿溶液拌和的鋼筋混凝土試塊極化率

對(duì)同一濃度不同溶質(zhì)試塊，不同濃度同一溶質(zhì)試塊的電性參數(shù)進(jìn)行差異性分析，利用SPSS 22軟件分別對(duì)試塊所測(cè)的電阻率、極化率進(jìn)行單因素方差分析，對(duì)各試塊在養(yǎng)護(hù)期內(nèi)的電阻率、極化率等電性參數(shù)進(jìn)行研究。

2 鹽堿元素對(duì)混凝土電阻率的影響

混凝土的電阻率首先取決于混凝土毛細(xì)孔的飽水率，其次為混凝土的孔結(jié)構(gòu)、孔隙液離子濃度和溫度?；炷临|(zhì)量 (水灰比、凝結(jié)硬化狀況、外加劑等)也會(huì)在很大程度上影響混凝土的電阻率[8]。

2.1 不同鹽堿離子混凝土試塊的電阻率差異性分析

不同鹽堿離子混凝土試塊的電阻率差異性分析，如表2所示。從5類不同離子混凝土試塊電阻率差異來(lái)看，清水混凝土試塊與3%硫酸鈉試塊的電阻率差異不顯著，與6%硫酸鈉、15%硫酸鈉、3%氯化鈉的試塊的電阻率差異均顯著。3%硫酸鈉與6%硫酸鈉試塊的電阻率差異顯著，與15%硫酸鈉、3%氯化鈉的試塊的電阻率差異均不顯著。6%硫酸鈉與15%硫酸鈉試塊的電阻率差異不顯著。正是因?yàn)樵谠噳K中加入離子，改變了試塊的導(dǎo)電性，使加了離子的試塊與清水試塊的電阻率差異顯著。且氯離子與硫酸離子對(duì)水泥水化反應(yīng)的促進(jìn)作用，會(huì)加速消耗試塊的自由水，改變?cè)噳K中的離子濃度，從而清水試塊與3%氯化鈉、3%硫酸鈉試塊的電阻率值之間呈現(xiàn)不同的差異性，可分辨是3%氯鹽的侵蝕或是3%硫酸鹽的侵蝕。

表2 不同鹽堿離子混凝土試塊的電阻率差異性分析 Tab.2 Resistivity difference analysis of concrete blocks with different saline alkali ions

2.2 不同鹽堿離子鋼筋混凝土試塊的電阻率差異分析

由表3中的顯著性可知，清水鋼筋試塊與3%硫酸鈉、6%硫酸鈉鋼筋試塊的電阻率差異均不顯著，與15%硫酸鈉、3%氯化鈉鋼筋試塊的電阻率差異均顯著。3%硫酸鈉鋼筋試塊與6%硫酸鈉、15%硫酸鈉、3%氯化鈉鋼筋試塊的電阻率差異均不顯著。6%硫酸鈉與15%硫酸鈉鋼筋試塊的電阻率差異顯著。因氯離子與硫酸離子會(huì)促進(jìn)水泥水化反應(yīng)，加速消耗試塊內(nèi)的自由水，改變?cè)噳K內(nèi)的離子濃度，從而改變?cè)噳K的導(dǎo)電性，使其與清水試塊的電阻率間呈現(xiàn)不同的差異性，可根據(jù)差異性是否顯著分辨是3%氯鹽試塊或是3%硫酸鹽試塊。同時(shí)可根據(jù)與清水鋼筋試塊電阻率差異性是否顯著，判別硫酸鹽的濃度。

表3 不同鹽堿離子鋼筋混凝土試塊的電阻率差異性分析

3 鹽堿元素對(duì)混凝土極化率的影響

在人工電流場(chǎng)一次場(chǎng)或激發(fā)場(chǎng)作用下，具有不同電化學(xué)性質(zhì)的巖石或礦石，由于電化學(xué)作用將產(chǎn)生隨時(shí)間變化的二次電場(chǎng)(激發(fā)極化場(chǎng))。這種物理化學(xué)作用稱為激發(fā)極化效應(yīng)[9]。通常用極化率來(lái)表示被測(cè)巖石產(chǎn)生激發(fā)極化現(xiàn)象的程度，它等于二次電場(chǎng)產(chǎn)生的最大電壓ΔU2與總電場(chǎng)產(chǎn)生的最大電壓ΔU的比電位，比值消除同樣存在的影響因素，公式如下所示。

(1)

式中：η為極化率；ΔU2為二次電場(chǎng)；ΔU為一次電場(chǎng)與二次電場(chǎng)之和。利用極化率參數(shù)進(jìn)行金屬礦勘查、石油探測(cè)、海底地質(zhì)調(diào)查等工作時(shí)，極化率值不易受地形影響，可如實(shí)反映巖石中的極化體空間位置，觀測(cè)精確。同樣，用極化率法觀測(cè)混凝土?xí)r，消除了混凝土內(nèi)鋼筋因素的影響，可以如實(shí)地反映混凝土內(nèi)部介質(zhì)離子變化情況，因此可通過(guò)觀測(cè)混凝土的極化率來(lái)檢測(cè)混凝土內(nèi)部離子變化情況。

3.1 不同鹽堿離子混凝土試塊的極化率差異性分析

表4 不同鹽堿離子混凝土試塊的極化率差異性分析

3.2 不同鹽堿離子鋼筋混凝土試塊的極化率差異性分析

表5 不同鹽堿離子鋼筋混凝土試塊的極化率差異性分析

4 結(jié) 語(yǔ)

(1) 差異性分析表明，對(duì)混凝土試塊來(lái)說(shuō)，清水與3%硫酸鈉試塊的電阻率差異顯著，與其他溶液試塊的電阻率差異均不顯著；對(duì)鋼筋混凝土來(lái)說(shuō)，清水與3%硫酸鈉、6%硫酸鈉試塊的電阻率差異均不顯著，與15%硫酸鈉、3%氯化鈉試塊的電阻率差異均顯著；清水混凝土試塊與各溶液混凝土試塊的極化率均存在顯著性差異，清水鋼筋混凝土試塊與各溶液鋼筋混凝土試塊的極化率均存在顯著性差異。不論是混凝土試塊還是鋼筋混凝土試塊，溶液拌和試塊的電阻率之間的差異性不全顯著，溶液拌和試塊的極化率之間的差異性也不全顯著。

(2) 上述各溶液試塊極化率與清水試塊極化率的差異均顯著，而各溶液試塊的電阻率與清水試塊的電阻率差異不全顯著，因此可用極化率參數(shù)分辨混凝土試塊是否受離子侵蝕，采用極化率參數(shù)探測(cè)混凝土被鹽堿侵蝕情況是可行的。