混凝土中氯離子遷移的影響因素

混凝土中氯離子遷移的影響因素

在海洋環(huán)境下，混凝土結(jié)構的使用壽命與氯離子混凝土的遷移和鋼筋的腐蝕有關?；炷赁D(zhuǎn)移是一個極其復雜的過程，是一個運動形式的綜合體，通過擴散、顆粒擴散和滲透等運動形式。除了受混凝土本身性能的影響外，它還受到各種環(huán)境因素的影響。因此，這是一個不穩(wěn)定的過程。在這項工作中，我們試圖研究混凝土暴露時間、凝結(jié)層材料吸附、應力、裂縫狀態(tài)、室溫等因素對混凝土中氯離子遷移的影響。1測試1.1粉煤灰的化學組成P·Ⅱ525硅酸鹽水泥(GB175—92);比表面積為470m2/kg的礦渣微粉;Ⅱ級粉煤灰,它們的化學組成示于表1;比表面積為18000m2/kg的硅粉,其SiO2含量為92%(質(zhì)量分數(shù),本文中的含量、濃度等均為質(zhì)量分數(shù));配制混凝土的粗骨料為5～25mm連續(xù)級配碎石;砂的細度模數(shù)為2.4;減水劑為LEX-9H聚羧酸鹽類高性能減水劑;拌和水為飲用水.1.2由復合聚凝材料組成和混凝土配合比通過前期的實驗室試驗和工程調(diào)查,確定試驗用復合膠凝材料組成及混凝土配合比如表2.1.3測試方法(1)混凝土氯離子表觀擴散系數(shù)的測定443—94,用濃度曲線法測試混凝土氯離子表觀擴散系數(shù).將混凝土試件浸泡于濃度為3.0%的NaCl溶液中至指定齡期后,從混凝土表面開始,以不大于2mm的厚度逐層取樣,萃取并測定混凝土樣品中的氯離子濃度,作出混凝土中的氯離子濃度-深度曲線,并用Fick第二定律進行非線性回歸,以求得混凝土氯離子表觀擴散系數(shù).(2)混凝土試樣的氯離子檢測d后,浸泡于20℃的3%NaCl水溶液中.測定各齡期下混凝土試樣內(nèi)部的Cl-濃度變化,并計算其表觀擴散系數(shù),以考察暴露時間對混凝土氯離子擴散系數(shù)的影響.(3)不同環(huán)境濃度對混凝土中cl-的吸附量的影響d后,研磨成一定細度的粉末(不剔出集料),浸泡于不同濃度的NaCl水溶液中(試驗溫度為20℃).測定溶液中的Cl-濃度變化,并計算混凝土粉末中Cl-的吸附量,建立環(huán)境濃度與吸附量之間的關系.(4)不同溫度對混凝土氯離子擴散系數(shù)的影響d后,浸泡于不同溫度下、濃度為3%的NaCl水溶液中至一定齡期.測定混凝土試樣內(nèi)部的Cl-濃度變化,并計算其表觀擴散系數(shù),以考察環(huán)境溫度對混凝土氯離子擴散系數(shù)的影響.2試驗結(jié)果及分析2.1混凝土的穩(wěn)定性不同膠凝材料組成的混凝土在人工海水浸泡下,其氯離子表觀擴散系數(shù)Da的試驗結(jié)果如圖1所示.由圖1可知,Da隨暴露時間t的推移有降低的趨勢,早期下降的幅度比后期大;摻有摻合料的混凝土氯離子表觀擴散系數(shù)的衰減程度比純水泥混凝土要大.在1年內(nèi),混凝土的Da隨暴露時間t的變化趨勢與Bamforth和Maage等的長期觀測結(jié)果基本吻合.但文獻,中的規(guī)律是建立在長期觀察的基礎上,而筆者目前所使用的混凝土在材料組成及性能上與數(shù)年或數(shù)十年前的混凝土有較大差別,因此,當前使用的混凝土是否仍適用這一規(guī)律尚需要深入研究.氯離子在混凝土中的遷移是非穩(wěn)定的,其表觀擴散系數(shù)Da隨混凝土在氯鹽環(huán)境中暴露時間的推移而逐漸減小.文獻發(fā)現(xiàn),在海水中浸泡3年的混凝土試塊的氯離子擴散系數(shù)要遠小于其在同等條件下浸泡1年的氯離子擴散系數(shù),Bamforth等也證實了這一點,混凝土即使浸泡30～50年后其氯離子擴散系數(shù)仍然有降低的趨勢.原因在于:其一,水泥等膠凝材料的水化及二次水化是一個長期過程,持續(xù)不斷的水化進程不僅使得混凝土的后期強度有所增長,水泥漿體的孔隙率和孔隙尺寸也在不斷降低,從而降低了混凝土的滲透性能;其二,混凝土表面暴露于海水中時,會發(fā)生離子交換,鎂、鉀等離子能逐步填塞混凝土中的孔隙,同時膠凝材料對Cl-的吸附在一定程度上也促使了表觀氯離子擴散系數(shù)進一步減小.2.2混凝土中氯離子的吸附機理將膠凝材料組成不同的混凝土粉末放入不同濃度的NaCl水溶液中浸泡28d,測定混凝土中氯離子含量,以尋找吸附Cl-濃度cb與自由Cl-濃度cf之間的關聯(lián),其試驗結(jié)果如圖2所示.圖2表明,不同膠凝材料對氯離子均有一定的吸附作用,但摻有摻合料的混凝土吸附能力大于純水泥混凝土;氯離子吸附量隨環(huán)境中氯離子濃度的增大而增加.采用cb=Acf的線性關系式,對試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析,發(fā)現(xiàn)cb與cf線性相關,并且相關性良好.其分析結(jié)果如表3所示.混凝土中的氯離子至少包括2部分,即溶解于孔隙水中的自由氯離子和物理或化學吸附于膠凝材料水化物中及其表面的氯離子.但是,只有自由氯離子才會穿過混凝土保護層,并參與鋼筋的腐蝕過程.因此,膠凝材料對氯離子的吸附主要在2個方面影響鋼筋的銹蝕時間——也可以認為是其使用壽命:(1)由于吸附作用,使參與滲透的自由氯離子數(shù)量減少,氯離子在混凝土中的傳輸速度減慢;(2)降低鋼筋表面的氯離子濃度.2.3溫度對deff的影響不同環(huán)境溫度下膠凝材料組成不同的混凝土Da值的試驗結(jié)果如圖3所示.從圖3可以看出,環(huán)境溫度對于混凝土的氯離子表觀擴散系數(shù)影響很大,如10℃時的Da測定值僅為40℃時的1/3～1/4.雖然關于環(huán)境溫度對于氯離子運動速率的影響在國內(nèi)外已有共識,但由于氯離子滲透研究工作的難度和時間上的要求,環(huán)境溫度對海洋環(huán)境下氯離子在混凝土中滲透的影響研究并不多.一般來說,鋼筋腐蝕速率隨環(huán)境溫度的上升而增加.比較年平均溫度在10℃左右的北歐地區(qū)和年平均溫度在30℃左右的中東地區(qū)的海工混凝土,可發(fā)現(xiàn)不同環(huán)境溫度下氯離子的有效擴散系數(shù)Deff差別明顯,北歐地區(qū)海工混凝土的Deff只有同期中東地區(qū)同類混凝土的1/4.2.4拉應力狀態(tài)下的混凝土裂縫中氯離子擴散系數(shù)將增混凝土所處的應力狀態(tài)將在多方面影響氯離子在混凝土中的遷移.處于壓應力狀態(tài)下的混凝土中氯離子擴散系數(shù)將比處于無應力狀態(tài)下的小,而處于拉應力狀態(tài)下的混凝土中氯離子擴散系數(shù)則較無應力狀態(tài)下的大.混凝土開裂會影響到氯離子進入混凝土中的擴散速率,進而影響其使用壽命.在裂縫部位,氯離子的擴散不再是半無限大的一維擴散.裂縫中將充滿鹽水,在裂縫面也將存在氯離子的擴散現(xiàn)象.因此,裂縫區(qū)域混凝土的氯離子擴散系數(shù)將有所增大,鄰近裂縫區(qū)域的鋼筋表面的氯離子濃度相比較于無裂縫區(qū)域?qū)⒂兴黾?3環(huán)境對混凝土中氯離子的吸附混凝土的氯離子表觀擴散系數(shù)隨暴露時間的推移而衰減,摻有摻合料的混凝土其衰減程度要大于