潮差環(huán)境下砂漿氯離子侵蝕對流區(qū)厚度的隨機(jī)性

黃 俊，張 昀，張 杉，莊華夏，周巧萍

（1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092；2.浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014）

潮差環(huán)境下砂漿氯離子侵蝕對流區(qū)厚度的隨機(jī)性

黃 俊1，張 昀1，張 杉2，莊華夏2，周巧萍2

（1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092；2.浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014）

通過自然海洋潮差環(huán)境下砂漿氯離子侵蝕的現(xiàn)場試驗(yàn)，根據(jù)測試得到的砂漿中的自由氯離子濃度分布情況，分析了砂漿中氯離子侵蝕對流區(qū)厚度的隨機(jī)性。結(jié)果表明，在自然潮差環(huán)境下，砂漿均出現(xiàn)了氯離子侵蝕的對流區(qū)；砂漿中氯離子侵蝕對流區(qū)厚度均值為4～6mm；可用正態(tài)分布描述砂漿的氯離子侵蝕對流區(qū)厚度的隨機(jī)性；暴露時(shí)間、摻合料及水灰比等對其隨機(jī)特性的影響不明顯。

潮差環(huán)境；砂漿；氯離子；對流區(qū)；隨機(jī)性

引 言

由氯離子引起的鋼筋混凝土構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的耐久性問題，在氯離子引起鋼筋銹蝕的機(jī)理、考慮荷載等耦合影響及其防治措施等研究方面，已取得了不少的研究成果［1，2］。在干濕循環(huán)環(huán)境下的水泥基材料，無論是混凝土還是水泥砂漿，其孔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)對氯離子遷移過程都有重要影響［3，4］。

一般地，國內(nèi)外學(xué)者傾向于用Fick第二定律及其恒定邊界條件的非穩(wěn)態(tài)解析解來分析混凝土或砂漿中氯離子的傳輸過程，但干濕循環(huán)條件下的氯離子侵蝕機(jī)理不同，該定律在恒定邊界條件的解析解忽略了對流效應(yīng)，得到的結(jié)果并不令人滿意［3］。干濕交替區(qū)的混凝土或砂漿表層存在對流和擴(kuò)散耦合的區(qū)域，即對流擴(kuò)散區(qū)域，其氯離子含量峰值距離表面的深度即為對流區(qū)厚度［3～7］。由于受環(huán)境因素及材料等的隨機(jī)性的影響，對流區(qū)厚度實(shí)際上應(yīng)該是一個(gè)隨機(jī)變量，它是氯離子侵蝕環(huán)境下水泥基材料構(gòu)件的耐久性壽命評價(jià)的主要參數(shù)之一［3～8］。

目前，關(guān)于氯離子侵蝕對流區(qū)厚度有一些研究成果［3］，如Gehlen在不考慮距氯離子源距離時(shí)，通過對127條海洋環(huán)境的混凝土氯離子侵蝕曲線的分析，認(rèn)為對流區(qū)深度符合Beta分布［5］，但多是其平均值的研究，而對其隨機(jī)特性的研究很少，尤其是對水泥砂漿氯離子對流區(qū)厚度［9］。氯離子在混凝土或砂漿中的侵蝕機(jī)理、對流區(qū)厚度及其隨機(jī)特性等，與膠凝材料體系的孔隙結(jié)構(gòu)、干濕循環(huán)時(shí)間比例和漿體結(jié)合氯離子性能等有關(guān)［9，10］。

本文基于自然海洋潮差區(qū)氯離子環(huán)境下的現(xiàn)場暴露試驗(yàn)測試得到的3種水灰比、5種規(guī)格和不同暴露時(shí)間后的水泥砂漿中自由氯離子濃度，研究了不同水灰比、不同暴露時(shí)間及摻合料的砂漿氯離子侵蝕對流區(qū)厚度，并分析了其隨機(jī)分布特性及影響因素。分析的結(jié)論可為深入研究水泥基材料的氯離子侵蝕機(jī)理、控制水泥基材料中氯離子遷移以及混凝土構(gòu)件的耐久性壽命評估等提供一定的參考。

1 試驗(yàn)砂漿的原材料和配合比

1.1 試驗(yàn)砂漿的原材料

按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL352-2006）［11］，制作的水泥砂漿試件采用的原材料如下：

細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)為2.4的中細(xì)河沙（級配合格），表觀密度為2 600kg/m3；拌合水和養(yǎng)護(hù)水均采用杭州當(dāng)?shù)刈詠硭?；水泥為錢潮牌 P.C32.5復(fù)合硅酸鹽水泥，水泥密度為3 100kg/m3；短切火成巖纖維由浙江某火成巖纖維有限公司生產(chǎn)，纖維單絲直徑為17～20 μm，抗拉強(qiáng)度為390～450 MPa，密度為2 800kg/m3；粉煤灰為Ⅰ級粉煤灰，購自杭州某建材有限公司生產(chǎn)的商品粉煤灰。

1.2 砂漿的配合比

試驗(yàn)砂漿單位用水量為280kg，為了研究水灰比對砂漿氯離子侵蝕的影響，現(xiàn)場試驗(yàn)采用0.40、0.50和0.60共3種不同的水灰比。現(xiàn)場試驗(yàn)砂漿的配合比設(shè)計(jì)見表1［12］。

同時(shí)，為研究摻加火成巖纖維和粉煤灰對砂漿氯離子侵蝕對流區(qū)厚度的影響，還設(shè)計(jì)了水灰比為0.50時(shí)，分別摻加上述摻合料的現(xiàn)場試驗(yàn)試件，如表2所示［12］。

表1 現(xiàn)場暴露試驗(yàn)砂漿配合比

表2 現(xiàn)場試驗(yàn)砂漿編號及強(qiáng)度

2 試驗(yàn)環(huán)境與試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)環(huán)境

砂漿氯鹽侵蝕試驗(yàn)現(xiàn)場，位于浙江舟山定海新城某濱海碼頭附近灘涂的潮差區(qū)內(nèi)。根據(jù)氣象資料，該區(qū)域的年平均氣溫約為 20℃；每天被海水浸沒的時(shí)間約4 h，干濕循環(huán)時(shí)間比為5：1；該區(qū)域海水中年平均游離氯離子含量約為13 000 mg/L［12］。

2.2 現(xiàn)場暴露試驗(yàn)方法

試驗(yàn)試件為直徑d=100mm，高度h=50mm的圓柱型試件。試件成型之后，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，在其側(cè)面和成型面涂上環(huán)氧樹脂，然后將所有試件按批次放置在定制鋼筋籠中，通過鋼絲繩將鋼筋籠固定在試驗(yàn)現(xiàn)場。制備試件的同時(shí)，按規(guī)范制備各規(guī)格的3個(gè)立方體抗壓強(qiáng)度試件，28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后測定其抗壓強(qiáng)度，強(qiáng)度值見表2。

現(xiàn)場試驗(yàn)設(shè)置多個(gè)取樣時(shí)間點(diǎn)?？紤]到暴露初始氯離子侵蝕較快，第一批和第二批暴露時(shí)間分別為60 d和120 d；之后的間隔時(shí)間為120 d，共6批；暴露的總時(shí)間為5×120=600 d。為消除隨機(jī)性對試驗(yàn)結(jié)果的影響，每個(gè)批次每種規(guī)格制備5個(gè)試件。因此，5種規(guī)格（3種水灰比）和6個(gè)取樣時(shí)間點(diǎn)的試件總數(shù)為5×5×6=150個(gè)。

2.3 砂漿中的自由氯離子濃度

至設(shè)定取樣時(shí)間點(diǎn)時(shí)，到現(xiàn)場取回對應(yīng)侵蝕時(shí)間的試件，在室內(nèi)進(jìn)行氯離子濃度測試。方法是：從試件表面開始向內(nèi)研磨粉末，以每2mm厚度粉末的平均氯離子濃度作為對應(yīng)深度處的氯離子濃度值，研磨至20mm止，各試件均取得10個(gè)樣本濃度值。本文所述的氯離子濃度均為砂漿中自由氯離子占砂漿粉末的質(zhì)量百分比［12］。

3 砂漿氯離子侵蝕對流區(qū)厚度隨機(jī)性分析

3.1 砂漿中的自由氯離子濃度

按照上述試驗(yàn)方法測試得到的各規(guī)格、各時(shí)間段試件中的自由氯離子濃度，各試件均出現(xiàn)了對流區(qū)［12］，對流區(qū)厚度4～6mm。符合自然干濕循環(huán)下的侵蝕現(xiàn)象［3，5］；而室內(nèi)自然擴(kuò)散法（浸泡）無法模擬這一現(xiàn)象［9］。

圖1是自然潮差環(huán)境下暴露360 d后試驗(yàn)砂漿自由氯離子濃度的（5個(gè)試件的平均值）分布。

圖1 自由氯離子濃度平均值分布

3.2 氯離子侵蝕對流區(qū)厚度的隨機(jī)性分析

干濕交替區(qū)表層氯離子峰值及對流區(qū)的形成是水泥基材料的表層對流效應(yīng)與擴(kuò)散效應(yīng)耦合的結(jié)果，而影響這種耦合作用的自然環(huán)境因素有很強(qiáng)的隨機(jī)性。因此，峰值濃度及對流區(qū)厚度也存在隨機(jī)性。為研究暴露時(shí)間及摻合料等因素對砂漿氯離子對流區(qū)厚度隨機(jī)性的影響，分別統(tǒng)計(jì)和分析了各時(shí)間段、不同規(guī)格的砂漿氯離子對流區(qū)厚度的隨機(jī)分布及參數(shù)。

1）對流區(qū)厚度的均值

6個(gè)暴露時(shí)間段的砂漿氯離子對流區(qū)厚度的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，暴露時(shí)間對其均值的影響并不明顯。如水灰比0.50砂漿（C2），對流區(qū)厚度平均值隨暴露時(shí)間的延長有所增加，但增加不大，如表3。

表3 厚度均值隨暴露的時(shí)間變化與分布類型

分析結(jié)果還表明，摻和料和水灰比對砂漿對流區(qū)厚度的均值影響也并不明顯。根據(jù)各個(gè)暴露時(shí)間段6批（1個(gè)時(shí)間段共5種規(guī)格，每種規(guī)格5個(gè)）30組砂漿試件中對流區(qū)厚度的統(tǒng)計(jì)，各規(guī)格砂漿中氯離子的對流區(qū)厚度均值為4～6mm，這與混凝土的氯離子侵蝕對流區(qū)厚度均值相當(dāng)［3，5］。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，C1、C2、C3、C4和C5的各規(guī)格6批30個(gè)試件的對流區(qū)厚度均值分別為 4.93mm、4.80mm、4.93mm、4.73mm和5.47mm；其中，C5（摻20 %水泥質(zhì)量的Ⅰ級粉煤灰）的最大（5.47mm），說明摻加粉煤灰對砂漿的對流區(qū)厚度有一定的影響，但并不明顯。

2）對流區(qū)厚度的概率分布

分別以正態(tài)分布、對數(shù)正態(tài)分布和極值I分布進(jìn)行對流區(qū)厚度分布的假設(shè)檢驗(yàn)，結(jié)果表明，暴露時(shí)間、摻合料和水灰比等對氯離子對流區(qū)厚度分布的影響也不明顯。如表3中，水灰比0.50砂漿（C2）6個(gè)暴露時(shí)間段中，4個(gè)時(shí)間段內(nèi)的對流區(qū)厚度為對數(shù)正態(tài)分布。分析表明，30組砂漿試件中，20組為對數(shù)正態(tài)分布，10組為極值I分布。

圖2是不同暴露時(shí)間后，砂漿C2的對流區(qū)厚度的概率分布密度函數(shù)。

圖2 概率密度分布

由于摻合料、暴露時(shí)間和水灰比等因素對砂漿氯離子侵蝕的對流區(qū)厚度的影響不明顯，在不考慮這些因素時(shí)，在本文所述的自然潮差環(huán)境下，統(tǒng)計(jì)150個(gè)砂漿試件氯離子侵蝕的對流區(qū)厚度，其均值為4.97mm，為正態(tài)分布，密度函數(shù)為：

圖3是自然潮差環(huán)境下砂漿氯離子侵蝕的對流區(qū)厚度的概率分布密度函數(shù)。

圖3 概率密度分布

因此，在總體上，砂漿的氯離子侵蝕對流區(qū)厚度屬于正態(tài)分布?？紤]到摻合料、暴露時(shí)間和水灰比等因素對氯離子侵蝕對流區(qū)厚度的影響均不明顯，這一結(jié)論符合中心極限定理。

4 結(jié) 論

1）在自然潮差環(huán)境下，水泥砂漿均出現(xiàn)了氯離子侵蝕的對流區(qū)。

2）在自然潮差環(huán)境下，砂漿中氯離子侵蝕對流區(qū)厚度的均值為4～6mm；暴露時(shí)間、摻合料和水灰比等因素對砂漿的氯離子侵蝕對流區(qū)厚度的隨機(jī)特性的影響不明顯。

3）在不同的暴露時(shí)間段內(nèi)，砂漿的氯離子侵蝕對流區(qū)厚度大多數(shù)都屬于對數(shù)正態(tài)分布；但在總體上，可以正態(tài)分布描述砂漿的氯離子侵蝕對流區(qū)厚度。

［1］金偉良，延永東，王海龍.氯離子在受荷混凝土內(nèi)的傳輸研究進(jìn)展［J］.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2010，38（11）：2217-2224.

［2］李士彬，孫偉.疲勞、碳化和氯鹽作用下混凝土劣化的研究進(jìn)展［J］.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2013，41（11）：1459-1464.

［3］王傳坤，高祥杰，趙羽習(xí)，等.混凝土表層氯離子含量峰值分布和對流區(qū)深度［J］.硅酸鹽通報(bào)，2010，29（2）：262-267.

［4］姬永生，袁迎曙.干濕循環(huán)作用下氯離子在混凝土中的侵蝕過程分析［J］.工業(yè)建筑，2006，36（12）：16-23.

［5］Life Con.Service Life Models：Instructions on Methodology and Application of Models for the Prediction of the Residual Service Life for Classified Environmental Loads and Types of Structures in Europe［R］.Life Cycle Management of Concrete Infrastructures for Improved Sustainability，2003.

［6］Lin Gang，Liu Yinghua，Xiang Zhihai.Numerical Modeling for Predicting Service Life of Reinforced Concrete Structures Exposed to Chloride Environments［J］.Cement & Concrete Composites，2010，32：571- 579.

［7］Hong K，Hooton R D.Effects of Cyclic Chloride Exposure on Penetration of Concrete Cover［J］.Cement and Concrete Research，1999，29（9）：1379-1386 .

［8］馬亞麗，張愛林.混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋初銹時(shí)間的概率模型［J］.水利學(xué)報(bào)，2007，38（5）：630-636.

［9］龍廣成，陳書蘋，謝友均.氯離子在砂漿中擴(kuò)散的影響因素［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2008，11（3）：328-333.

［10］Thomas M D A，Bamforth P B.Modeling Chloride Diffusion in Concrete-Effect of Fly Ash and Slag［J］.Cement and Concrete Research，1999，29（4）：487-495.

［11］SL352-2006 水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京：中國水利水電出版社，2006.

［12］黃俊.潮差區(qū)水泥基材料氯離子侵蝕模擬試驗(yàn)的相似性研究［D］.杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2013.

Randomness of Convection Region Thickness of Mortar Chloride Ion Erosion in Tidal Range Environment

Huang Jun1，Zhang Yun1，Zhang Shan2，Zhuang Huaxia2，Zhou Qiaoping2
（1.College of Civil Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China； 2.College of Architecture & Civil Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou Zhejiang 310014，China）

Based on the field test of mortar chloride ion erosion in natural tidal range environment，the concentration distribution of free chloride ions in mortar is used to analyze the randomness of convection region thicknesses of chloride ion erosion in mortar.The analysis results show the occurrence of convection region of mortar chloride ion erosion in natural tidal range environment，and the mean thickness of convection regions is 4～6mm.The randomness of convection region thickness can be described by normal distribution.The exposure time，admixtures and water-cement ratio have no obvious influence on the randomness of convection region thickness.

tidal range environment； mortar； chloride ion； convective region； randomness

TV43

A

1004-9592（2016）05-0001-4

10.16403/j.cnki.ggjs20160501

2016-01-25

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51279181）

黃俊（1987-），男，博士研究生，主要從事工程結(jié)構(gòu)耐久性研究。