凍融環(huán)境下混凝土中氯離子傳輸特性研究

高德軍 涂曉慧 姚惠芹 高 軍

(1.湖北省防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(三峽大學(xué))，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002；3.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

在寒區(qū)海洋環(huán)境中，凍融損傷和氯鹽侵蝕是混凝土耐久性失效的主要原因.在海洋混凝土結(jié)構(gòu)和使用除冰鹽的路橋工程中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在服役期內(nèi)經(jīng)常發(fā)生過早破壞或提前退出的現(xiàn)象，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，這與混凝土結(jié)構(gòu)氯鹽侵蝕破壞有很大關(guān)系.近年來，國內(nèi)外學(xué)者對氯離子侵蝕引起的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性破壞進(jìn)行了大量研究，主要研究了不同干濕環(huán)境下氯離子在混凝土中的遷移模型[1-5]，不同因素對混凝土中的氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響[6-10]，混凝土表面氯離子濃度的演化特征[11-13]，以及鋼筋銹蝕時(shí)臨界氯離子濃度的變化規(guī)律[14-15].然而現(xiàn)有的研究成果主要基于正溫環(huán)境，很少考慮氯離子擴(kuò)散系數(shù)與凍融損傷深度的關(guān)系以及低溫抑制氯離子在混凝土中遷移[16]等因素.為此，本文對凍融后氯離子在混凝土內(nèi)部的傳輸特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，探究了混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)及其表層氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)與凍融循環(huán)次數(shù)的相關(guān)性.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 材料參數(shù)

由于試驗(yàn)周期較長，本文試件暫不考慮材性變化，以常用的混凝土C30為例展開，膠凝材料為P·O 42.5級的普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)為2.86、級配為Ⅱ區(qū)中砂的天然河沙；粗骨料采用5～20 mm碎石連續(xù)級配；外加劑使用HPWR液體標(biāo)準(zhǔn)型高性能減水劑和SA-20聚羧酸液體引氣劑.配合比見表1.

表1 混凝土各項(xiàng)參數(shù)

1.2 試件設(shè)計(jì)

根據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[17]，本文設(shè)計(jì)Φ100 mm×200 mm的圓柱體混凝土試件，用快速氯離子遷移系數(shù)法(RCM法)測定不同凍融循環(huán)次數(shù)后的混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù).試件成型后，用塑料薄膜覆蓋，然后移到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，24 h后拆模再水養(yǎng).待凍融試驗(yàn)7 d前，采用DQ-4型混凝土自動切割機(jī)，將試件從正中間切割，形成2個(gè)Φ100 mm×100 mm的部分，然后將這兩部分分別從正中間切割，形成4個(gè)Φ100 mm×50 mm試件，電遷移試驗(yàn)時(shí)每個(gè)試件的第一次切口面作為測試面，浸潤于氯離子溶液中.

設(shè)計(jì)100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊，用于開展混凝土抗氯離子侵蝕自然浸泡試驗(yàn)，測試混凝土內(nèi)部不同深度處的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)，用以研究凍融循環(huán)次數(shù)N及浸泡時(shí)間t對氯離子傳輸特性的影響.

1.3 試驗(yàn)方法

1)快速凍融試驗(yàn)

快速凍融試驗(yàn)采用TDRF-2型風(fēng)冷式混凝土快速凍融箱，按照標(biāo)準(zhǔn)[17]中的“快凍法”進(jìn)行試驗(yàn).

圓柱體混凝土試件(Φ100 mm×50 mm)每6個(gè)試件放在一個(gè)凍融試件盒內(nèi)，立方體混凝土試件(100 mm×100 mm×100 mm)每3個(gè)試件放在一個(gè)凍融試件盒內(nèi)，開展凍融試驗(yàn).為使各試件均勻受凍，每10次凍融循環(huán)后把試件調(diào)換方向.

2)氯離子擴(kuò)散系數(shù)測試

每10次凍融循環(huán)(共100次)后，取出1組(3個(gè))圓柱體試件，采用RCM法測試混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù).為提高測試精度，在RCM法中的電遷移試驗(yàn)結(jié)束后，采用前期課題組發(fā)明的固形物上端面掃描儀及測試軟件[18]提取試塊的氯離子滲透深度.然后依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[17]，計(jì)算得到該組試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)的均值.

3)氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測試方法

每50次凍融循環(huán)(共150次)后，將立方體試件取出，選擇一對相對面(除澆筑面外)作為直接侵蝕面，其余4個(gè)面均封膠，再將試塊置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的氯化鈉溶液中，自然浸泡20 d、40 d和60 d，為維持溶液濃度恒定，每10 d更換溶液，室溫保持在(20±2)℃，模擬氯離子一維侵蝕混凝土的情況.

達(dá)到齡期之后，取出立方體試件在DF-4混凝土磨粉機(jī)上沿侵蝕面逐層磨粉，間隔1 mm取一層粉，每層粉樣的粒徑≤0.63 m，再在(105±5)℃的烘箱中烘2 h，從每個(gè)試樣組中取出(5±0.005)g粉末，溶于(50±0.005)g去離子水中，采用DY-2501B型快速氯離子測定儀測試氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù).

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)

對經(jīng)歷不同次數(shù)凍融循環(huán)后測得的混凝土氯離子平均擴(kuò)散系數(shù)，采用最小二乘法進(jìn)行非線性擬合分析得擬合函數(shù)，見式(1)，結(jié)果如圖1所示.

D=12.637 7e0.006 35N

(1)

由圖1可見，實(shí)測值與擬合值吻合度較高.各組試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)D與凍融次數(shù)N的變化關(guān)系基本趨于一致，呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系.當(dāng)N在30次以內(nèi)時(shí)，D基本保持不變；當(dāng)N>30后，D隨N增大而增大，且增速越來越快；當(dāng)N=60、80和100時(shí)，D分別增大約為未凍融時(shí)的1.25、1.41和1.81倍.

圖1 氯離子平均擴(kuò)散系數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線

2.2 氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布特征

經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后，試件內(nèi)沿侵蝕深度氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化，如圖2所示，可見同一深度處氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨N的增加而增大.當(dāng)N在50次以內(nèi)時(shí)，混凝土中同一深度處氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加增幅較小；當(dāng)N在100次以上，同一深度處氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)增幅逐趨顯著.這表明當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)較少時(shí)，混凝土遭受凍融循環(huán)的劣化程度并不明顯，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)變化不大，當(dāng)混凝土遭受的凍融循環(huán)次數(shù)超過50次以后，混凝土微小孔洞開始增多，凍融劣化程度較為明顯，混凝土抗氯離子滲透性能快速降低.

圖2 不同深度下氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)

各組試件表層(距表面1 mm深度內(nèi))氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)，見表2.

表2 凍融后混凝土表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù) (單位：%)

據(jù)表2分析可知，混凝土經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后，不同試件表層氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨受侵蝕時(shí)間的變化規(guī)律較為一致，如圖3所示，采用文獻(xiàn)[19]模型擬合分析得擬合函數(shù)，見表3.

表3 凍融循環(huán)次數(shù)與侵蝕時(shí)長擬合函數(shù)關(guān)系

圖3 表層氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化曲線

3 氯離子擴(kuò)散模型

3.1 模型構(gòu)建

在氯離子侵蝕混凝土過程中，一部分與水泥水化產(chǎn)物C-S-H化學(xué)結(jié)合生成Friedel鹽；另一部分吸附在C-S-H凝膠表面和孔壁，物理結(jié)合為自由氯離子.只有自由氯離子向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散才造成鋼筋腐蝕.為此，氯離子在混凝土中的傳輸基于Fick第二定律，并考慮氯離子的結(jié)合作用采用Langmuir模型[20]，按式(6)計(jì)算.

(6)

式中：Cf為自由氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)；D為混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)；t為時(shí)間；α和β為Langmuir結(jié)合常數(shù)，與混凝土膠凝材料種類有關(guān).Ishida[21]等通過大量試驗(yàn)研究得出，β取值為4.0，普通硅酸鹽混凝土α取11.8.

文獻(xiàn)[22]基于Fick第二定律，綜合考慮結(jié)合效應(yīng)、溫度效應(yīng)、濕度效應(yīng)、混凝土齡期和凍融損傷效應(yīng)等因素，提出了凍融條件下氯離子遷移模型.基于該模型，混凝土表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)可取為：

D=D28·f1(T)·f2(H)·f3(t)·f4(N)

(7)

式中：D28為養(yǎng)護(hù)齡期為28 d混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)(m2/s)；f1(T)、f2(H)、f3(t)、f4(N)分別為溫度、相對濕度、浸潤齡期、凍融損傷對氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響.

3.2 仿真分析

采用Comsol Multiphysics對所建立的模型進(jìn)行數(shù)值求解，建立與試件尺寸相同的仿真模型，將不同凍融循環(huán)次數(shù)混凝土表層氯離子質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化的函數(shù)設(shè)置為各工況的邊界條件，將RCM法測得的相應(yīng)凍融循環(huán)次數(shù)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)設(shè)置為混凝土初始擴(kuò)散系數(shù)(D28)，其余參數(shù)同試驗(yàn)參數(shù).

仿真分析結(jié)果如圖4所示.從圖中可知，仿真值與實(shí)測值吻合程度較高，表明該模型對預(yù)測經(jīng)歷凍融損傷后混凝土中氯離子的傳輸進(jìn)程具有較強(qiáng)的適用性.同時(shí)考慮到在寒區(qū)混凝土中，負(fù)溫時(shí)氯離子傳輸幾乎停滯，主要在正溫時(shí)擴(kuò)散[16]，因此該法也適用于寒區(qū)氯鹽環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的氯離子傳輸研究.

圖4 氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化圖

4 結(jié) 論

1)在寒區(qū)氯鹽侵蝕環(huán)境下，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)的增長呈指數(shù)型上升；凍融后混凝土層氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨侵蝕時(shí)間的增長呈指數(shù)型變化.

2)取RCM法快速測得的氯離子擴(kuò)散系數(shù)為表觀氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的初始值，同時(shí)考慮氯離子在混凝土中的結(jié)合作用和表層氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化，所建立的擴(kuò)散模型可較為真實(shí)地揭示凍融環(huán)境下混凝土中氯離子的侵蝕進(jìn)程.