干濕循環(huán)下混凝土氯離子擴散試驗研究

0關(guān)于混凝土性能的研究位于波浪和潮差地區(qū)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（例如跨海大橋和海上平臺）在干燥的天氣條件下受到海水中氯離子的侵蝕，導(dǎo)致鋼筋腐蝕、混凝土表面破裂和結(jié)構(gòu)性能差。現(xiàn)場調(diào)查和試驗表明，干濕循環(huán)下氯離子對混凝土的侵蝕與干濕順序、頻率、持續(xù)時間和溫度以及混凝土本身的干燥程度等因素密切相關(guān)。因此，研究干濕循環(huán)下這些因素對混凝土中氯離子傳遞性能的影響，可為海工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性評估和設(shè)計提供較大的參考價值。目前，國內(nèi)外學(xué)者在此方面已經(jīng)進行了一些探索性的試驗研究，張亞梅等人在研究橡膠水泥混凝土性能時采用浸烘循環(huán)模擬干濕交替情況，先將混凝土試件在溶液中浸泡56h，再在溫度為55℃的烘箱中烘16h，一個浸烘循環(huán)需要72h，結(jié)果表明浸烘循環(huán)下混凝土中的自由氯離子和總氯離子濃度均高于長期浸泡同一深度混凝土中的自由氯離子和總氯離子濃度。Yuan等人采用人工氣候模擬環(huán)境，在他們的試驗中，溫度為40℃、相對濕度為80%、鹽溶液濃度為5%，混凝土試件噴淋1h后用紅外線照射7h，一個干濕循環(huán)需要8h，結(jié)果顯示人工干濕循環(huán)比電流法更符合實際情況。Khatib等人研究了高溫、低濕度條件下氯離子在混凝土中的擴散，發(fā)現(xiàn)氯離子擴散系數(shù)隨暴露時間的延長而減小。Mangat等人認為混凝土表面氯離子濃度基本上保持不變，與暴露時間無關(guān)，而Gjorv等人的試驗證實混凝土表面氯離子濃度隨著暴露時間的延長而增加。Li采用一周兩次干濕循環(huán)方法模擬潮差區(qū)的氣候環(huán)境，試驗結(jié)果表明，對于不同水灰比和礦物摻合料的混凝土，表面氯離子濃度均隨暴露時間的延長而增加，混凝土內(nèi)部的氯離子濃度隨著距表面距離的增加而逐漸減小。本文進一步研究自然循環(huán)和干濕循環(huán)對混凝土表面氯離子濃度和擴散系數(shù)的影響。1混凝土配合性試驗采用錢潮水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5級水泥，粗細集料采用富勒級配，最大骨料直徑為19mm，最小骨料直徑為0.15mm，粗骨料表觀密度為2776kg/m3，吸水率為0.92%，細骨料表觀密度為2620kg/m3，吸水率為1.6%?；炷翉姸劝碈30配制，水泥∶水∶細骨料∶粗骨料=1∶0.6∶2.31∶3.0。為方便試驗，混凝土試件澆筑成圓柱體，直徑為100mm，厚度為60mm，試件分為兩組，每組5塊，分別用于自然循環(huán)和加速循環(huán)試驗。試件澆筑1d后拆模，放在溫度為（20±2）℃、相對濕度為90%的養(yǎng)護室中養(yǎng)護28d。養(yǎng)護好之后，將試件擦拭干凈，除留下一個平面用于試驗外，圓柱體的另一個平面和圓柱面均用環(huán)氧樹脂密封。2試驗計劃2.1海水中的氯離子模擬浙江沿海地區(qū)的自然環(huán)境，該地區(qū)雨量充沛，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季海水中含氯離子5602～5864mg/L，冬季海水中含氯離子約8220mg/L。由于受季節(jié)、溫度和漲落潮的影響，浙江沿海海域的海水鹽度呈上下波動，現(xiàn)場調(diào)查表明，全年的平均鹽度為10.79g/kg，由此可推算出海水中的氯離子濃度為0.589%。已有的試驗結(jié)果表明，當采用較高氯離子濃度的溶液時，所測得的混凝土氯離子擴散系數(shù)幾乎與氯離子濃度無關(guān)。因此，本試驗所用溶液的氯離子濃度取為實際海水氯離子濃度的3倍，即1.77%。2.2合氯離子對混凝土耐久性影響當溫度升高時，水分蒸發(fā)加快，不僅增大混凝土表面的孔隙率，而且加快混凝土內(nèi)部的水化反應(yīng)，釋放出結(jié)合氯離子，增加自由氯離子含量，提高混凝土氯離子擴散系數(shù)。已有的試驗結(jié)果表明，溫度每升高10℃，混凝土氯離子擴散系數(shù)增大近2倍。浙江沿海海域的月平均氣溫如表1所示，從表1可以看出，6～9月份平均溫度最高，對混凝土耐久性最不利。因此，取6～9月份的平均溫度25.8℃作為本試驗的模擬溫度。2.3混凝土電阻率相對濕度是影響混凝土電阻率的主要因素，也間接地影響氯離子擴散。試驗研究表明，對于水灰比為0.4的混凝土，當相對濕度從100%減小到50%時，混凝土的電阻率增加一個數(shù)量級。浙江沿海地區(qū)的月平均相對濕度如表2所示，為了與模擬溫度的取值一致起見，取6～9月份的平均相對濕度84%作為模擬濕度。2.4干燥時間選擇統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，浙江沿海海域6～9月份的平均月浸濕時間如表3所示，從該表可以算出6～9月份的平均干濕比例為6.27∶1。本試驗選擇兩種干濕循環(huán)比例：一種是自然循環(huán)，干燥時間為20.7h，濕潤時間為3.3h，循環(huán)周期為1d；另一種是加速循環(huán)，干燥時間為10.35h，濕潤時間為1.65h，循環(huán)周期為0.5d。對于自然循環(huán)，當暴露時間分別為14、21、28、35d和42d時各測試一次；對于加速循環(huán)，當暴露時間分別為7、10、14、18d和21d時各測試一次。2.5制備試樣制備達到預(yù)定的暴露時間后，將混凝土試塊從浸泡溶液中取出、拭干，并固定在小型機床上，然后用打磨機從試塊側(cè)面每隔2mm打磨取樣，收集粉末試樣，經(jīng)過0.63mm篩分后，放在烘箱中干燥2h后取出。在測定氯離子濃度時，將試樣粉末與100mL的去離子水混合后劇烈振蕩1～2min，再在混合溶液中加入2mL的離子穩(wěn)定劑，然后配置0.001‰、0.01‰和0.1‰的標準溶液作為酸度計的標定溶度，放置48h后，用酸度計測定溶液中的氯離子含量。3混凝土和干物質(zhì)中的氯離子擴散系數(shù)的確定圖1(a）和（b）分別給出了在自然循環(huán)和加速循環(huán)下，混凝土內(nèi)部各點處的氯離子濃度（按混凝土重量的百分比計算）隨時間的變化。從圖1可以看出，由于氯離子從混凝土表面向內(nèi)部擴散，對于給定的時間，氯離子濃度隨著離混凝土表面距離的增大而減小；而對于混凝土內(nèi)部的任一給定點，氯離子濃度隨著時間的增長而增大，這與Fick擴散定律所給出的理論預(yù)測一致。比較圖1(a）和（b）可以發(fā)現(xiàn)，對于給定的時間和混凝土內(nèi)部給定的點，加速循環(huán)下的氯離子濃度大于自然循環(huán)下的氯離子濃度。這種現(xiàn)象可以解釋如下：在混凝土試件表面噴淋鹽溶液時，由于混凝土表面的氯離子濃度高于內(nèi)部，在濃度差的作用下，氯離子通過擴散進入到混凝土內(nèi)部；當停止向混凝土試件表面噴淋鹽溶液時，由于人工模擬箱中的風(fēng)干程度高，混凝土中水流方向逆轉(zhuǎn)，水從與外界連通的毛細孔向外蒸發(fā)，使得混凝土表層孔溶液中氯離子濃度增大，驅(qū)使氯離子繼續(xù)向混凝土內(nèi)部擴散；隨著風(fēng)干持續(xù)時間的延長，混凝土表層中的大部分孔隙水被蒸發(fā)，剩余水分將為鹽分所飽和，多余鹽分結(jié)晶析出。因此，混凝土中的氯離子濃度主要取決于干濕循環(huán)次數(shù)和風(fēng)干持續(xù)時間，干濕循環(huán)次數(shù)越高，風(fēng)干持續(xù)時間越短，混凝土中的氯離子濃度越大。如果將混凝土模擬成宏觀均勻、各向同性的介質(zhì)，根據(jù)Fick定律，在任一時刻t混凝土中距表面x處的氯離子濃度C(x,t）滿足如下方程：式中：D———混凝土中的氯離子擴散系數(shù)。方程（1）的解為：式中：Cs———混凝土表面的氯離子濃度；erf(x）———誤差函數(shù)。為了計算氯離子擴散系數(shù)，本文采用最小二乘法，對于給定的時間tj，混凝土中各點xi處氯離子濃度的實測值和理論預(yù)測值C(xi,tj）差的平方和Rj定義為：要使得Rj最小，必然有：求解方程組（4），就可以得到氯離子擴散系數(shù)D和表面氯離子濃度Cs與暴露時間t之間的關(guān)系，結(jié)果如圖2和圖3所示。從圖2可以看出，無論是自然循環(huán)還是加速循環(huán)，氯離子擴散系數(shù)均隨著時間的增長而減小，主要原因是隨著時間的增長，水泥繼續(xù)水化，總孔隙率降低，導(dǎo)致氯離子擴散系數(shù)不斷減小。另外，從圖2可以看出，當暴露時間在14d和21d之間變化時，自然循環(huán)和加速循環(huán)下所測得的氯離子擴散系數(shù)幾乎相等，表明氯離子擴散系數(shù)主要受水泥水化的影響，與干濕循環(huán)幾乎沒關(guān)系。從圖3可以看出，對于自然循環(huán)和加速循環(huán)，表面氯離子濃度均隨著時間的增長而增大。當暴露時間在14d和21d之間變化時，加速循環(huán)下的表面氯離子濃度高于自然循環(huán)下的表面氯離子濃度，表明干濕循環(huán)對混凝土表面氯離子濃度有很大的影響，這主要是因為加速循環(huán)的風(fēng)干持續(xù)時間較短，有利于增大混凝土表面的氯離子濃度。4混凝土表面氯離子擴散系數(shù)的影響(1）針對浙江沿海海域的特點，提出了干濕循環(huán)下混凝土氯離子擴散試驗方案，并測定了自然循環(huán)和加速循環(huán)下混凝土中各點氯離子濃度隨時間的變化。(2）對于給定的暴露時間，混凝土中的氯離子濃度隨著離混凝土表面距離的增大而減??；對于混凝土內(nèi)部任一給定點，氯離子濃度隨著暴露時間的增長而增大；對于給定的暴露時間和混凝土中給定點，加速循環(huán)下的氯離子濃度