混凝土表面氯離子濃度時變規(guī)律試驗研究

趙羽習,王傳坤,金偉良,許 晨

(浙江大學 結(jié)構(gòu)工程研究所,杭州 310058）

沿?；炷两Y(jié)構(gòu)的耐久性問題主要表現(xiàn)為氯鹽侵蝕引起的鋼筋銹蝕。氯離子在混凝土中的擴散是由于氯離子的濃度差引起的,混凝土表面氯離子濃度越高,內(nèi)外部氯離子濃度差越大,擴散至混凝土內(nèi)部的氯離子就會越多[1]。而混凝土表面氯離子濃度除了與環(huán)境條件有關(guān)外,還與混凝土的膠凝材料類型、水灰比和孔隙率等有關(guān)。

長期以來,國內(nèi)外研究機構(gòu)傾向于采用Collepardi[2]提出的Fick第二定律來計算混凝土中氯離子侵蝕過程,在Fick擴散方程的解答中通常假設混凝土表面氯離子濃度為恒定值。然而大量檢測結(jié)果表明[3-5],實際氯鹽環(huán)境中混凝土表面氯離子濃度并不是恒定值,它有一個隨時間逐步累積并最終達到穩(wěn)定的過程。目前,對混凝土表面氯離子濃度隨時間的變化規(guī)律已進行了不少研究工作。關(guān)于描述表面氯離子濃度時變性的模型主要有線性[6]、平方根型[7]、冪函數(shù)型[8]、對數(shù)型[9]和指數(shù)型[4]等幾種形式,但這些模型相別較大,其適用性還有待進一步研究。盡管也曾有學者[6,10]進行過這方面的研究,但也僅限于在線性和平方根模型的基礎(chǔ)上進行一些修正。在研究方法上,不少研究人員[11-12]傾向于通過采用Fick第二定律恒定邊界條件的解析解對氯離子變化曲線進行擬合的方法得到表面氯離子濃度,再對其進行時變性研究,這在邏輯上難免自相矛盾。影響因素方面,DuraCrete[13]認為表面氯離子隨水灰比的增大而增大,但也有文獻[9]指出,由于皮膚效應(skin effect)的影響,水灰比較大的混凝土的表面氯離子濃度反而較低。此外,關(guān)于環(huán)境、材料等因素對混凝土表面氯離子濃度累積規(guī)律影響的研究未見報道。

基于以上研究現(xiàn)狀,采用氯鹽浸泡試驗,通過實際檢測和數(shù)據(jù)分析,研究了混凝土表面氯離子濃度隨時間的累積規(guī)律,討論了氯鹽溶液濃度、水灰比和粉煤灰摻量對表面氯離子濃度及其累計規(guī)律的影響?；谠囼灁?shù)據(jù)對現(xiàn)有的表面氯離子濃度時變性模型進行了比較與修正,提出了一個更為完善的模型。

1 試驗設計

1.1 試驗方案

采用氯鹽浸泡試驗,通過定期檢測混凝土表面處的氯離子濃度,研究表面氯離子濃度隨時間的累積規(guī)律。為了研究氯鹽溶液濃度、水灰比和粉煤灰摻量對表面氯離子濃度的影響,試驗分3組進行,分組情況見表1。試驗所用水泥為浙江杭州錢潮水泥廠生產(chǎn)的P.O.42.5水泥,砂子為天然河砂,屬于中砂,石子為產(chǎn)自獐山的5～16 mm連續(xù)級配的碎石,粉煤灰為Ⅱ級灰,水為自來水。各組混凝土試驗配合比見表2,其中B15、S45、F0作為各組試驗的基準配合比,粉煤灰采用超量取代法,取代系數(shù)為1.2。

表1 試驗分組

表2 混凝土試驗配合比

1.2 試驗步驟

1)澆筑混凝土試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm,標準養(yǎng)護 28 d。

2)為實現(xiàn)一維方向的氯離子擴散,將試塊的一個側(cè)面作為暴露面,其余各面均用海工砼專用漆密封,放于水中浸泡至飽和狀態(tài)。

3)試塊在室溫下干燥至飽和面干狀態(tài),浸泡于預先配制好的NaCl溶液中,各組試驗溶液濃度參照表1,試驗溫度統(tǒng)一控制在(30±3)℃,如圖1所示。溶液每周更新一次。

4)浸泡開始后,分別于 7 d、14 d、21 d、28 d、35 d、42 d、49 d、60 d取出試塊進行檢測。首先用砂紙將試塊暴露面表面的結(jié)晶鹽除去,然后用剖面磨削機在暴露面磨粉取樣,見圖2。綜合考慮試驗的精確性和可操作性,取樣深度定為0～5 mm。

5)對混凝土粉樣進行氯離子濃度測試,繪制表面氯離子濃度隨時間的變化曲線。

圖1 氯鹽浸泡試驗

圖2 剖面磨削

1.3 氯離子測試方法

使用RCT(快速氯離子濃度測試儀)對已取得的混凝土粉樣進行氯離子濃度的測試。RCT是丹麥Germann Instruments A/S公司的產(chǎn)品,其檢測方便快捷,既可用于硬化混凝土的檢測,也可用于新拌混凝土的檢測。RCT與標準實驗室氯化物濃度測試有很好的相關(guān)性,其精度可與離子色譜法相提并論。RCT測出的氯離子濃度,均以氯離子占混凝土重量的百分比來表示,故文中所涉及到氯離子濃度均為氯離子占混凝土質(zhì)量的百分比。RCT的原理及操作步驟介紹見文獻[14]。

2 試驗結(jié)果

試驗檢測得到了各組混凝土表面氯離子濃度隨時間的變化曲線,見圖3-圖5。試驗結(jié)果顯示,各組試驗的混凝土表面氯離子濃度大致上一開始都隨著侵蝕時間的增加而增長,且早期增長速度較快,隨后逐漸減慢,并逐步趨于穩(wěn)定。在不同濃度的氯鹽溶液侵蝕下,混凝土表面氯離子濃度隨著溶液濃度的增大而增大,但濃度較大時差異減小。混凝土表面氯離子濃度隨水灰比的增大而增大。摻入粉煤灰之后,混凝土表面氯離子濃度明顯增大,并隨著粉煤灰摻量的增加有增大的趨勢。

圖3 第1組表面氯離子濃度隨時間的變化曲線

圖4 第2組表面氯離子濃度隨時間的變化曲線

圖5 第3組表面氯離子濃度隨時間的變化曲線

3 分析與討論

3.1 模型的比較與修正

如前言所述,描述混凝土表面氯離子濃度Cs隨時間t的變化規(guī)律的模型主要有線性、平方根型、冪函數(shù)型、對數(shù)型和指數(shù)型等,具體函數(shù)表達式見表3。采用這幾種模型分別對試驗數(shù)據(jù)進行擬合分析,發(fā)現(xiàn)各個模型與試驗數(shù)據(jù)的相關(guān)性不盡相同。以B15為例,各模型對B15數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果見表3,擬合曲線見圖6。

表3 B15數(shù)據(jù)的模型擬合結(jié)果

圖6 B15數(shù)據(jù)的模型擬合曲線

擬合結(jié)果表明,線性和平方根型模型擬合精度不高,時間對Cs的敏感性過高,導致早期Cs偏小,后期Cs偏大[9]。而冪函數(shù)型、對數(shù)型和指數(shù)型模型擬合精度很好。但是,冪函數(shù)型模型仍無法解決時間敏感性過高的問題,導致后期Cs偏大;對數(shù)型模型表達式適用于t＞0,無法考慮初始狀態(tài)。相比之下,指數(shù)型模型不但彌補了其它模型的缺陷,而且表達式中的C0可直接表征穩(wěn)定后的表面氯離子濃度,具有很好的合理性和實用性。

由于指數(shù)型模型未考慮混凝土初始時刻的表面氯離子含量,對其進行修正,得到一個更為完善的模型:

式中,Cs(t)是t時刻的混凝土表面氯離子濃度(%),cs0是初始時刻的混凝土表面氯離子濃度(%),csmax是穩(wěn)定后的混凝土表面氯離子濃度(%),r為表征累積速率的擬合系數(shù),無量綱。

文獻[4-5]分別給出了現(xiàn)場檢測和實驗室浸泡試驗得到的表面氯離子濃度隨時間的變化曲線,采用該模型對這2組試驗數(shù)據(jù)進行擬合分析,如圖7、8所示。結(jié)果得出相關(guān)系數(shù)分別為0.9362和0.9671,表明該模型具有良好的合理性和實用性。

圖7 現(xiàn)場檢測的表面氯離子濃度時變曲線[4]

圖8 浸泡試驗的表面氯離子濃度時變曲線[5]

3.2 數(shù)據(jù)分析

采用式(1)對試驗數(shù)據(jù)進行擬合分析,求得各組混凝土初始時刻的表面氯離子濃度cs0、穩(wěn)定后的表面氯離子濃度csmax和累積速率系數(shù)r,見表4。

擬合結(jié)果發(fā)現(xiàn),各組混凝土除S35外cs0都小于0.006%,可以忽略不計,而實測的各組混凝土初始時刻的表面氯離子濃度均為零,與擬合結(jié)果保持一致。

表4 試驗數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果

3.3 氯鹽溶液濃度對表面氯離子濃度的影響

如表4所示,隨著氯鹽溶液濃度的提高,csmax和r逐漸增大。這表明隨著氯鹽溶液濃度的提高,表面氯離子濃度在較高的濃度梯度作用下會更快地達到穩(wěn)定狀態(tài),而且穩(wěn)定后的表面氯離子濃度也相應增長。這是因為影響表面氯離子濃度的最重要的環(huán)境變量是混凝土接觸水中的氯離子含量[12],外界氯鹽溶液濃度較高,滲入到混凝土表面的氯離子就會增多。

3.4 水灰比對表面氯離子濃度的影響

如表4所示,隨著水灰比的增大,csmax和r逐漸增大,即表面氯離子濃度更快地達到穩(wěn)定狀態(tài),而且穩(wěn)定后的表面氯離子濃度也相應增大。這是因為水灰比越大,混凝土表面的密實度越差,孔隙率越大,氯離子擴散速度越快,對氯離子的吸附能力越強。歐洲D(zhuǎn)uarte[13]提出了海洋環(huán)境下表面氯離子濃度與水膠比之間的線性關(guān)系:

式中,A、ε為擬合回歸系數(shù),單位與氯離子濃度相同;w/b為水膠比。

用式(2)對2組試驗數(shù)據(jù)擬合分析,結(jié)果如圖9所示,A=0.7468,ε=0.2809,相關(guān)系數(shù) R2=0.9156,穩(wěn)定后的表面氯離子濃度與水灰比之間呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。

圖9 表面氯離子濃度與水灰比的關(guān)系

3.5 粉煤灰摻量對表面氯離子濃度的影響

如表4所示,在普通混凝土中摻入粉煤灰之后,csmax和r均明顯增大,即表面氯離子濃度會更快地達到穩(wěn)定狀態(tài),而且穩(wěn)定后的表面氯離子濃度也相應增大。隨著粉煤灰摻量的增加,穩(wěn)定后的表面氯離子濃度csmax逐漸增大,這是因為粉煤灰顆粒具有較大的比表面積和空心結(jié)構(gòu),本身就有一定的物理吸附氯離子的能力[15],同時粉煤灰二次水化反應生成較多的CSH和水化鋁酸鈣,進一步增強了對氯離子的吸附能力[16]。盡管研究表明摻加粉煤灰可顯著提高混凝土對氯離子的抗?jié)B性[11,16],但對于混凝土表面區(qū)域這種效果并不明顯。Berry等[17]通過對強度為40～60 MPa的混凝土進行表面依附試驗發(fā)現(xiàn):摻入粉煤灰之后,混凝土對水的吸附能力增強,并隨著粉煤灰摻量的增加而增長。而氯離子是通過水溶液的形式輸運的,因此進入混凝土表面的氯離子也相應增加。此外,粉煤灰摻量在10%～40%范圍時,累積速率系數(shù)r隨著粉煤灰摻量的增加先減小后增加,在摻量30%處最小,這可能與粉煤灰摻量為30%左右的混凝土具有較低的表觀擴散系數(shù)[18],氯離子在表面 0～5 mm區(qū)域不容易擴散有關(guān)。

根據(jù)回歸分析,混凝土穩(wěn)定后的表面氯離子濃度與粉煤灰摻量之間具有顯著的一元二次關(guān)系:

式中,mF為單位體積混凝土中粉煤灰的質(zhì)量,mF+C為單位體積混凝土中總膠凝材料的質(zhì)量。相關(guān)系數(shù)R2=0.9426,擬合結(jié)果見圖10。

圖10 表面氯離子濃度與粉煤灰摻量的關(guān)系

4 結(jié)論

1)通過氯鹽浸泡試驗,研究了表面氯離子濃度隨時間的累積規(guī)律。試驗發(fā)現(xiàn),混凝土表面氯離子濃度一開始隨著侵蝕時間的增加而增長,且早期增長速度較快,隨后逐漸減慢,并逐步趨于穩(wěn)定。

2)隨著氯鹽溶液濃度的提高,表面氯離子濃度會更快地達到穩(wěn)定狀態(tài),穩(wěn)定后的表面氯離子濃度也相應增長。

3)隨著水灰比的增大,表面氯離子濃度更快地達到穩(wěn)定狀態(tài),穩(wěn)定后的表面氯離子濃度逐漸增大。穩(wěn)定后的表面氯離子濃度與水灰比之間呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。

4)在普通混凝土中摻入粉煤灰之后,表面氯離子濃度更快地達到穩(wěn)定狀態(tài),累積速率在粉煤灰摻量為30%時最小。隨著粉煤灰摻量的增加,穩(wěn)定后的表面氯離子濃度逐漸增大,這對混凝土抗氯離子侵蝕產(chǎn)生了不利影響。

5)基于試驗數(shù)據(jù),分析比較了描述混凝土表面氯離子濃度時變規(guī)律的5種模型,結(jié)果表明指數(shù)型模型具有很好的合理性和實用性。通過考慮初始時刻的表面氯離子含量,對指數(shù)型模型進行了修正,提出了一個更為完善的模型。

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