連云港鹽漬土的鹽分分布及氯離子運(yùn)移方程的建立

連云港鹽漬土的鹽分分布及氯離子運(yùn)移方程的建立

0鹽漬土環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究隨著城市現(xiàn)代化水平的提高，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可以提供足夠的強(qiáng)度要求并具有較長年限的使用壽命。但是腐蝕環(huán)境對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性具有不可忽略的影響。早期的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建設(shè),由于忽略了耐久性問題,造成了后期巨大的維護(hù)費(fèi)用。據(jù)《中國腐蝕調(diào)查報(bào)告》,近年來,我國重大工程項(xiàng)目、城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等因?yàn)榻饘俑g造成的損失每年已達(dá)5000億元。目前,對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕性的研究,主要集中于海工結(jié)構(gòu)物。對(duì)于鹽漬土環(huán)境下的混凝土耐久性問題研究相對(duì)較少?；跀U(kuò)散過程以及吸附作用,建立混凝土中氯離子運(yùn)移模型,對(duì)鹽漬土環(huán)境下混凝土內(nèi)部氯離子含量分布情況以及混凝土保護(hù)層設(shè)計(jì)厚度進(jìn)行了探討,為進(jìn)一步研究海相鹽漬土環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題提供基礎(chǔ)資料。本文通過連云港—臨沂高速公路建設(shè)實(shí)例,對(duì)連云港地區(qū)鹽漬土類型、含鹽量分布進(jìn)行了分析。1拉應(yīng)力及抗拉鹽鹽漬土腐蝕作用鹽漬土中的含鹽量、含鹽種類直接決定了鹽漬土的腐蝕性。鹽漬土中若含有大量的氯鹽,氯離子會(huì)通過孔隙侵入到混凝土內(nèi)部,聚集在鋼筋的表面,使得聚集處的pH值急劇下降,破壞鋼筋表面的鈍化膜。此時(shí),只要有氧氣與水分的存在,鋼筋就會(huì)發(fā)生腐蝕。氯離子侵入造成鋼筋腐蝕為典型的點(diǎn)蝕現(xiàn)象。腐蝕產(chǎn)物膨脹,在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力,使得結(jié)構(gòu)物開裂破壞。且表面產(chǎn)生的裂縫發(fā)展為新的侵入通道,加劇鋼筋的腐蝕。根據(jù)連云港—臨沂高速公路地質(zhì)勘查報(bào)告,連云港地區(qū)分布著廣泛的濱海相鹽漬土。土壤中陽離子主要為Na+、K+,陰離子主要為Cl-,易溶鹽的含量小于2%,Cl-和SO42-的比例為3左右,為中鹽漬土類的氯鹽鹽漬土(圖1)。根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021—2001),鹽漬土對(duì)鋼筋的腐蝕性為強(qiáng)~中等腐蝕性。由《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》(JTG/TB07—01—2006),依據(jù)氯離子含量,腐蝕作用等級(jí)為D。易溶鹽集中分布在自地面以下3m的范圍內(nèi)。各種離子之中氯離子的含量最高。而且由于接近地表,蒸發(fā)作用更為強(qiáng)烈,易溶鹽的溶度在地表附近最高,如圖2所示。氯離子含量隨深度分布的典型關(guān)系可近似為半拋物線函數(shù),如圖3所示。對(duì)實(shí)測(cè)氯離子溶度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,發(fā)現(xiàn)氯離子溶度與土層深度的關(guān)系為:式中,z為鹽漬土自地表以下的深度(m),C為鹽漬土中氯離子的溶度(g·cm-3)。2黃連鹽漬土氯離子分析2.1混凝土與氯離子的運(yùn)移特性氯離子溶解于混凝土的孔溶液中,向混凝土深處運(yùn)移,導(dǎo)致混凝土內(nèi)部鋼筋去鈍化,進(jìn)而引發(fā)鋼筋腐蝕、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂化。氯離子在混凝土內(nèi)部的運(yùn)移主要有4種方式:外界與混凝土內(nèi)部氯離子溶度差異作用下的擴(kuò)散、混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔作用下的毛細(xì)吸附、水壓差異作用下的滲流以及多重離子運(yùn)移產(chǎn)生的電場(chǎng)作用下的遷移。真實(shí)狀況下,不同的氯鹽環(huán)境,氯離子在混凝土中的運(yùn)移由上述四種作用組合控制。外界氯鹽以溶液的形式,依靠毛細(xì)作用進(jìn)入到混凝土表層孔隙中。水分蒸發(fā)造成氯鹽在混凝土表層累積,與內(nèi)部形成溶度差,驅(qū)使氯鹽在擴(kuò)散作用下向混凝土深處運(yùn)移。圖4為典型的侵入氯離子在混凝土中分布圖。Nilsson將表層(>10mm)作為對(duì)流區(qū),區(qū)域內(nèi)的氯離子溶度與外界環(huán)境聯(lián)系緊密。對(duì)流區(qū)內(nèi),氯離子溶度出現(xiàn)峰值的原因?yàn)楦蓾裱h(huán)的作用。深層區(qū)域(>10mm)為擴(kuò)散區(qū)。擴(kuò)散區(qū)內(nèi),氯離子主要依靠擴(kuò)散作用向混凝土深層運(yùn)移。氯離子溶度隨侵入混凝土深度呈指數(shù)下降。氯離子在混凝土中的擴(kuò)散,如果假設(shè):氯離子的侵入方向?yàn)橐痪S方向;混凝土是均質(zhì)、各向同性的;混凝土處于等溫且內(nèi)部孔隙飽和的狀況?？梢圆捎肍ick第二定律描述氯離子的擴(kuò)散過程:式中,x為距離混凝土保護(hù)層表面的距離(cm),D為擴(kuò)散系數(shù)(cm2/s),t為時(shí)間(s)。Mangat和Molloy通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),氯離子在混凝土中的擴(kuò)散系數(shù)隨著時(shí)間的增長逐漸地減小。氯離子擴(kuò)散系數(shù)D與時(shí)間t滿足關(guān)系:式中,Di為1s時(shí)刻的有效氯離子擴(kuò)散系數(shù)(cm2/s),m為常數(shù),依賴于混凝土治愈期的初始狀況(溫度、相對(duì)濕度)以及制備混凝土的物質(zhì)組成狀況(水灰比、骨料的類型以及比重等等)。混凝土材料中含有的C3A,可以同侵入的氯離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成氯鋁酸鈣,使得混凝土對(duì)氯離子有一定的吸附作用。只有混凝土孔溶液中的自由氯離子才能引發(fā)鋼筋的腐蝕?；炷翆?duì)氯離子的吸附作用可以用線性關(guān)系、Langmuir等溫線或者Freundlich等溫線描述。Tang和Nilsson認(rèn)為孔溶液的氯離子濃度小于1.773kg·m-3時(shí),用Langmuir等溫線表示比較合適,當(dāng)自由氯離子溶度較高(>0.355kg·m-3)時(shí),宜用Freundlich等溫線表示,式(2)變?yōu)槭街?Cf為自由氯離子溶度(g·cm-3),α和β為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。2.2混凝土內(nèi)部運(yùn)移模型及邊界條件氯鹽對(duì)于混凝土的侵蝕,對(duì)鹽漬土環(huán)境下的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性造成了巨大的影響。工程中需要估算長時(shí)間暴露在鹽漬土環(huán)境后,混凝土內(nèi)部氯離子含量,以評(píng)估內(nèi)部鋼筋的腐蝕狀況。擴(kuò)散為氯離子向混凝土深處擴(kuò)散的主要方式。氯離子侵入過程中,混凝土材料對(duì)氯離子的吸附有降低其內(nèi)部氯離子含量的作用。忽略吸附作用,將導(dǎo)致氯離子含量估計(jì)過高,相應(yīng)的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)壽命偏小,以致引起不必要的保護(hù)措施以及材料的浪費(fèi)。所以在工程估算中,應(yīng)該同時(shí)考慮外界環(huán)境氯離子向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散以及混凝土對(duì)氯離子吸附兩方面,計(jì)算內(nèi)部氯離子含量的分布,以預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的壽命?；谏鲜隹紤],計(jì)算氯離子在混凝土內(nèi)部運(yùn)移的模型為式中,Dref為tref時(shí)刻的參考擴(kuò)散系數(shù)(cm2/d)。連云港地區(qū)的鹽漬土鹽分主要分布在自地表以下3m的范圍內(nèi),故混凝土試件高度取3m。由于計(jì)算模型基于一維方向的擴(kuò)散,對(duì)于自地表以下0~3m范圍以內(nèi)的鹽漬土環(huán)境,為了計(jì)算二維的混凝土保護(hù)層內(nèi)部氯離子含量分布,將鹽漬土與混凝土的接觸邊界沿著鹽漬土的深度方向分層,每一層都采用式(8)算。每一層計(jì)算中,初邊值條件設(shè)為:式(6)~(8)中x為混凝土保護(hù)層的厚度(cm)。采用有限差分求解式(5)。隱式差分格式可以避免數(shù)值解出現(xiàn)振蕩。式(5)和(8)采用隱式差分格式:式(9)和(10)中,τ為時(shí)間步長(d),h為空間步長(cm),j為空間增量步,n為時(shí)間增量步。2.3混凝土的氯離子侵入特性針對(duì)連云港實(shí)例,計(jì)算混凝土(由普通波特蘭水泥制備,水灰比為0.6)內(nèi)部氯離子含量分布。計(jì)算過程中沿著鹽漬土深度方向分了100層,得到混凝土內(nèi)部氯離子溶度等值線。圖5中列出了1~4a混凝土保護(hù)層內(nèi)部氯離子溶度等值線圖。鹽漬土中接近地表處,土壤氯離子含量最高。對(duì)應(yīng)等值線圖中,混凝土表層的氯離子侵入深度最大。在固定的混凝土保護(hù)層深度上,自上而下隨深度增加,氯離子溶度減小。此外,在固定的鹽漬土深度,氯離子溶度隨侵入深度增加而減小。0.012g·cm-3溶度等值線1~2a的推進(jìn)速度明顯大于3~4a的推進(jìn)速度,反映氯離子在混凝土內(nèi)部,擴(kuò)散速度隨著時(shí)間增長而減小。氯離子侵入至鋼筋表面即8cm厚度處需要16882d、大約46a的時(shí)間。此時(shí)溶度最大值為0.0001g·cm-3?；A(chǔ)建設(shè)中,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壽命為80a。根據(jù)上述計(jì)算方法,80a后,鋼筋表面的最大氯離子溶度隨著混凝土保護(hù)層厚度有所不同(見表2)。隨著厚度增加,最大氯離子溶度呈3倍減小?；炷羶?nèi)部鋼筋發(fā)生腐蝕的臨界氯離子溶度與單位體積砼質(zhì)量比為0.07%。設(shè)計(jì)混凝土保護(hù)層的厚度應(yīng)至少大于5cm。3混凝土結(jié)構(gòu)分析連云港鹽漬土屬于中鹽漬土類型氯鹽鹽漬土。土壤含鹽量沿深度方向減小,表層