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    海洋環(huán)境下混凝土中氯離子傳輸規(guī)律

    2011-07-16 10:18:08孫朋朋趙鐵軍金祖權(quán)高祥壯徐建光
    隧道建設(shè)(中英文) 2011年5期
    關(guān)鍵詞:潮汐水灰比試塊

    孫朋朋,趙鐵軍,金祖權(quán),高祥壯,徐建光

    (青島理工大學(xué)土木學(xué)院,山東青島 266033)

    0 引言

    自19世紀(jì)20年代波特蘭水泥問世以來,混凝土逐漸被廣泛應(yīng)用于各類建筑中。實際工程和實驗研究證明,混凝土結(jié)構(gòu)在惡劣環(huán)境條件下會受到物理和化學(xué)的強烈侵蝕作用,最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的耐久性不足,發(fā)生破壞。全球呈現(xiàn)出大量混凝土結(jié)構(gòu)由于耐久性問題造成的巨大經(jīng)濟損失:19世紀(jì)30年代建造的美國俄勒岡州Alsae海灣上的多拱大橋,由于混凝土的水膠比問題使結(jié)構(gòu)在短時間內(nèi)侵入大量氯離子,造成結(jié)構(gòu)最終無法修復(fù)而拆除、更換[1];英國為解決海洋環(huán)境下混凝土建筑物的腐蝕與防護問題,每年就花費近20億英鎊[2]。當(dāng)前,我國沿海及海洋工程建設(shè)增長迅速,混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題同樣也十分嚴重[3]。

    海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題日益彰顯,從而引發(fā)了一系列的耐久性研究。近年來,國內(nèi)外關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)氯離子侵蝕方面的研究較多,但不系統(tǒng)[4-5]。文獻[6]指出,暴露于海洋環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu),由氯離子侵蝕引起的破壞損傷程度隨結(jié)構(gòu)所處的暴露位置不同而不同。為了更準(zhǔn)確地獲得海洋不同腐蝕區(qū)域下氯離子傳輸機制和規(guī)律,本人在借鑒前人的試驗方法及試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上,通過采用實海暴露試驗,研究在海洋大氣區(qū)、水下區(qū)和潮汐區(qū)混凝土中氯離子的分布規(guī)律,并分析暴露時間對海洋環(huán)境下不同區(qū)域混凝土中氯離子傳輸?shù)挠绊憽?/p>

    1 試驗概況

    1.1 原材料與配合比

    采用水泥為P·O42.5;粗骨料為5~25mm的花崗巖碎石,連續(xù)級配,壓碎值小于12%;細骨料為中砂,細度模數(shù)2.7;聚羧酸高效減水劑?;炷僚浜媳热绫?所示。

    表1 每立方混凝土配合比及力學(xué)性能Table1 Mixingproportionsandmechanicalperformanceofconcrete

    1.2 試驗方法

    試驗采用100mm×100mm×100mm的立方體混凝土試塊,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28d,用環(huán)氧樹脂將除靠鋼模面的2個相對面的其余4個面密封,目的在于讓氯離子在混凝土試塊內(nèi)一維擴散,得到較直觀的氯離子擴散情況。待環(huán)氧樹脂在混凝土試塊表面完全干透后,將試塊運至實海暴露區(qū)(如圖1所示)。試驗區(qū)域分為大氣區(qū)、潮汐區(qū)和水下區(qū),暴露時間為1月和3月,達到暴露時間后,從海邊取回試塊,在實驗室50℃的烘箱內(nèi)烘干至恒重。用分層打磨機將試塊按mm分層磨粉取樣(混凝土試塊在經(jīng)受一定時間的氯離子侵蝕后,采用自行設(shè)計加工的干磨混凝土粉末機),如圖2所示,將試件固定在夾具上,暴露在氯鹽環(huán)境下的表面與打磨片平行,每次增進1mm打磨試塊表面,收集本層打磨出的粉末過60目篩,取粉裝入塑封密封袋內(nèi),由表及內(nèi)依次打磨。用化學(xué)滴定法取氯離子質(zhì)量分數(shù)平均值并繪制曲線,對比分析實海環(huán)境試驗中混凝土氯離子的傳輸機制。

    2 試驗結(jié)果及分析

    2.1 不同區(qū)域混凝土中氯離子傳輸?shù)囊?guī)律

    將4個配合比(A,B,C,D)的試塊在大氣、潮汐和水下區(qū)暴露3月后磨粉測其氯離子質(zhì)量分數(shù),氯離子與滲透深度關(guān)系曲線如圖3所示。

    從圖3可知:由于海洋大氣中的氯離子質(zhì)量分數(shù)很低,所以大氣區(qū)的混凝土中氯離子質(zhì)量分數(shù)很低,氯離子入侵深度小;潮汐區(qū)的混凝土主要遭受干濕交替腐蝕,3月中只有部分時間與海水接觸,氯離子質(zhì)量分數(shù)較水下區(qū)低;水下區(qū)的混凝土長期處于海水浸泡環(huán)境中,氯離子來源充足,導(dǎo)致混凝土中的氯離子質(zhì)量分數(shù)比其他2個區(qū)域都高。由于潮汐區(qū)的干濕交替作用,潮汐區(qū)的混凝土表面腐蝕比水下區(qū)嚴重。

    2.2 暴露時間對混凝土中氯離子傳輸?shù)挠绊?/h3>

    將4個配合比(A,B,C,D)的混凝土試塊在潮汐區(qū)暴露1月和3月后分別磨粉測其氯離子質(zhì)量分數(shù),氯離子質(zhì)量分數(shù)與滲透深度關(guān)系曲線如圖4所示。

    從圖4中可以看出:隨著暴露時間的延長,氯離子通過緩慢的擴散滲入到混凝土的更深處,并且較之前相同位置的氯離子質(zhì)量分數(shù)增大。

    2.3 混凝土配合比的影響

    將4個配合比(用A,B,C,D表示)的混凝土試塊在潮汐區(qū)和水下區(qū)腐蝕3月后分別磨粉測其氯離子質(zhì)量分數(shù),氯離子質(zhì)量分數(shù)與滲透深度關(guān)系曲線如圖5所示。

    通過采用4個配合比的混凝土在潮汐區(qū)和水下區(qū)腐蝕3月的滴定結(jié)果進行對比,試驗發(fā)現(xiàn):2個區(qū)域的混凝土氯離子質(zhì)量分數(shù)由高到低的規(guī)律相同,皆為A>B>C>D;在相同的干燥程度和浸泡時間的情況下,水灰比大的混凝土,氯離子侵入深度更大。由于水泥石的毛細孔是混凝土水灰比的函數(shù),水灰比的大小決定了混凝土的孔隙分布,使混凝土的吸收量出現(xiàn)差異,隨著水灰比的增大,毛細孔隙率增大,相同深度處存在更多的毛細孔,使氯離子可自由分布的空間更大。

    3 結(jié)論與討論

    3.1 結(jié)論

    1)暴露時間一定,放在不同區(qū)域的混凝土試塊氯離子質(zhì)量分數(shù)由高到底依次為水下區(qū)、潮汐區(qū)和大氣區(qū)。從試塊表面腐蝕情況來看,由于潮汐區(qū)的干濕循環(huán)交替作用,潮汐區(qū)的混凝土試塊腐蝕比水下區(qū)嚴重。

    2)暴露區(qū)域相同時,混凝土試塊氯離子質(zhì)量分數(shù)隨暴露時間的增加而增大,并隨深度的增加而減小,最后趨于穩(wěn)定。

    3)在暴露時間和區(qū)域都相同的條件下,混凝土抗氯離子的侵蝕能力隨水灰比的增大而減小。隨著水灰比增大,毛細孔隙率增大,從而氯離子在混凝土中的滲透性增大。

    3.2 討論

    耐久性是一個復(fù)雜的問題,其研究是一個長期的過程,本文僅就海洋環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)做了短期的氯離子入侵研究。就本文已有的試驗結(jié)果,筆者認為以下幾個問題可進一步研究。

    1)建立實驗室加速試驗和暴露試驗之間的聯(lián)系。實海暴露試驗由于其所處環(huán)境因素的不穩(wěn)定性,很難從試驗中準(zhǔn)確得出最終結(jié)論,若能將室內(nèi)加速試驗同實海暴露試驗二者同步對比,最終結(jié)果將更有參考價值。

    2)制作適合長期氯離子侵蝕試驗的試塊,增加混凝土耐久性實驗數(shù)據(jù)的積累。理論研究的正確性需要大量的試驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)的支持,混凝土結(jié)構(gòu)中的氯離子傳輸具有很大的離散性,只有通過長期的試驗,綜合分析數(shù)據(jù)才能完善相關(guān)理論。

    [1] 洪定海.混凝土中鋼筋的腐蝕與保護[M].北京:中國鐵道出版社,1998.

    [2] 洪乃豐.混凝土中鋼筋腐蝕與防護技術(shù)(1):鋼筋腐蝕危害與對混凝土的破壞作用[J].工業(yè)建筑,1999(8):66-68.(HONGNaifeng.Steel corrosion and protective technology in concrete(1):Damage of steel corrosion and failure effect on concrete[J].Industrial Construction,1999(8):66-68.(in Chinese))

    [3] 趙鐵軍.滲透型涂料表面處理與混凝土耐久性[M].北京:科學(xué)出版社,2009.(ZHAO Tiejun.Surface treatment with permeable coating and durability of concrete[M].Beijing:Science Press,2009.(in Chinese))

    [4] Ann K Y,Ahn J H,Ryou J S.The importance of chloride content at the concrete surface in assessing the time to corrosion of steel in concrete structures[J].Construction and Building Materials,2009,23(1):239-245.

    [5] FAN Hong,CAO Weiqun,ZHAO Tiejun.Chloride penetration in concrete of harbor engineering after long-term exposure[C]//SHAO Yongbo,ZHOU Xingang,TAM Chattim.12th International Conference on Inspection,Appraisal,Repairs and Maintenance of Structures.Yantai:[s.n.],2010:321-328.

    [6] 范宏,趙鐵軍,Wittmann F H.基于結(jié)構(gòu)混凝土中氯離子分布的氯離子擴散模型[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2006(S):199-202.(FAN Hong,ZHAO Tiejun,Wittmann F H.Chloride diffusion model based on chloride profiles in concrete of structure[J].Journal of Building Structures,2006(S):199-202.(in Chinese))

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    [9] Odd E.Gjφrv.Durability design of concrete structures in severe environments[M].London:Spon Press,2009.

    [10] 金偉良,趙羽習(xí).混凝土結(jié)構(gòu)耐久性[M].北京:科學(xué)出版社,2002.(JIN Weiliang,ZHAO Yuxi.Durability of concrete structures[M].Beijing:Science Press,2002.(in Chinese))

    [11] Hope B B,Page J A,Poland J S.The determination of the chloride content of concrete[J].Cement and Concrete Research,1985(15):863-870.

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