嚴酷環(huán)境下混凝土孔溶液PH值預(yù)測模型摘要：建立了混凝土孔溶液PH值預(yù)測模型。制備了水灰分別為0.53，0.35和0.27的混凝土。進行不同暴露時間混凝土孔溶液PH值測定試驗，測量不同暴露時間和不同深度的PH值。試驗結(jié)果表明：各混凝土孔溶液PH值隨著暴露時間、孔深度的增加而降低；隨著水灰比的增加而降低；各混凝土孔溶液PH值與暴露時間和孔深度呈二次函數(shù)，與水灰比呈線性函數(shù)；引入了有效碳化擴散系數(shù)Deff與誤差函數(shù)，建立了混凝土孔溶液PH值預(yù)測模型，在模型中各混凝土孔溶液PH值與暴露時間和孔深度呈平方根函數(shù)，與水灰比呈線性函數(shù)。關(guān)鍵詞：混凝土孔溶液；PH值；預(yù)測模型；誤差函數(shù)PredictionmodelofPHofconcretepolesolutioninharshenvironmentZHANGFengquan1,WANGBo2,LIChangcheng3(1.TransportationBureauofYanBian,JiLinYanBian,133002;2.RoadBureauofYanBian,JiLinYanBian,133001;3.JiLinCommunicationPolytechnic,Changchun,130012)Abstract:PredictionmodelofPHofconcretepolesolutionwasbuilt.Concretespecimensweremadewithwater-blinderratio0.53、0.35and0.27.Beingexposedtodifferentexposuretimes,thespecimensweremeasuredPHwithdifferentdepthandexposuretimes.ThetestresultshowedthatconcretePHdecreasedwithincreaseofexposuretimesanddifferentdepth;andincreasedwiththeincreasewater-blinderratio;PHofconcretepolesolutionwasquadraticfunctionwithdifferentdepthandexposuretimes,andlinearfunctionwithwater-blinderratio;effectivecarbonationdiffusioncoefficientsanderrorfunctionwereintroducing,PredictionmodelofPHofconcretepolesolutionwasbuilt;PHofconcretepolesolutionwassquare rootfunctionwithdifferentdepthandexposuretimes,andlinearfunctionwithwater-blinderratioinmodelKeyword:concretepolesolution;PH;predicatingmodel;errorfunction0.引言混凝土結(jié)構(gòu)工程因鋼筋銹蝕造成失效以至破壞崩塌的事故在國內(nèi)外屢見不鮮[1]。引起鋼筋腐蝕的主要原因一般分成三種[2]：混凝土碳化、氯離子引起的鋼筋去鈍化和酸性物質(zhì)引起的鋼筋腐蝕。通常認為由氯離子引起的鋼筋去鈍化最為直接、嚴重和普遍[3]。一般混凝土孔隙中的水分都是以飽和氫氧化鈣溶液的形式存在，pH值為12.5-13.5，在這樣的強堿性環(huán)境中，鋼筋表面會迅速形成非常致密的鈍化膜，使腐蝕難以進行。研究與實踐表明，當pH<11.5時，鈍化膜就開始不穩(wěn)定(臨界值)；當pH<9.88時鈍化膜生成困難或已經(jīng)生成的鈍化膜逐漸破壞。氯離子進入混凝土中并到達鋼筋表面，當它吸附于局部鈍化膜處時，可使該處的pH值迅速降低到4以下，于是該處的鈍化膜就被破壞了。在鹽湖地區(qū)的實際環(huán)境中，腐蝕、凍融、干燥和碳化問題并非單獨存在，不同耐久性破壞因素之間的交互和共同作用,嚴重威脅著鐵路、公路、橋梁、電力、油氣管道和建筑物的安全，已建成并使用的若干基礎(chǔ)設(shè)施和建筑,因抵御不了這種惡劣條件而過早開裂、失效,已造成巨大的經(jīng)濟損失[7,8,9]。而研究混凝土孔溶液PH值可以揭示混凝土PH變化的規(guī)律，進而可以預(yù)測鋼筋開始銹蝕的時間，是混凝土耐久性研究的一個重要方向。關(guān)于水泥基材料孔溶液組分的研究主要是采用溶液平衡法和Longuet等人提出的榨取法[4]。Diamond、Longuet等[5]系統(tǒng)研究了硅酸鹽水泥漿體孔溶液離子濃度的演變規(guī)律，Page和Vennesland、Schfer和Meng、Xu等[6]研究了在水泥漿體中加入礦物鹽對其孔溶液離子濃度的影響，Dehwah等[15]研究了水泥中堿分對孔溶液堿度的影響，Anstice等人[6]研究了碳化對混凝土孔溶液堿度的影響。但對鹽湖暴露環(huán)境下混凝土孔溶液PH值變化規(guī)律的研究，國內(nèi)外相關(guān)文獻還少見到。主要是由于現(xiàn)場環(huán)境惡劣，試驗過期過長。為此，在鹽湖建立暴露站，通過研究不同水灰比、不同暴露時間和不同孔深的混凝土孔溶液的PH值，分析各因素對孔溶液PH值的影響，在試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，引入誤差函數(shù)，建立了PH值得預(yù)測模型。1試驗1.1原材料湖北黃石水泥廠生產(chǎn)的華新牌P.Ⅰ52.5硅酸鹽水泥。蘭州產(chǎn)河砂,Ⅱ區(qū)級配,中砂細度模數(shù)為2.5。甘肅省臨洮河口產(chǎn)石灰?guī)r碎石,5～20mm連續(xù)級配,最大粒徑20mm。飲用水。江蘇省蘇博特PCA®（I）聚羧酸類高性能減水劑,減水率達20%以上。小型鋼筋籠、標定鋼筋、木模板，Ф15波紋管。表1膠凝材料的化學成分材料 SiO2 Al2O3 CaO MgO SO3 Fe2O3 MnO TiO2 Na2O K2O水泥 21.35 4.67 62.60 3.08 2.25 3.31 － － － －1.2配合比試件尺寸500㎜×100㎜×75㎜棱柱體。水灰比分別為0.53、0.35和0.27。其配比及28天抗壓強度見表2。表2混凝土配合比及抗壓強度編號 水灰比 混凝土配合比/(kg·m-3) 28d抗壓強度/MPa 水泥 中砂 卵石 減水劑 水 C30 0.53 368 735. 1103 0 195 31.3C50 0.35 412.2 687 1145 1.42 158 58.6C80 0.27 585.0 703 1054 5.85 158.2 73.61.3混凝土孔隙溶液制備表3察爾汗鹽湖鹽漬土化學成分項目 可溶性鹽成分（重量百分比） 含鹽總量（%）檢測結(jié)果 cl- SO42- HCO3- CO32- Ca2+ Mg2+ K+ Na+ 3.1215.97 6.92 0.18 無 1.7 2.76 3.24 5.35 注：取樣地點為察格高速62km左側(cè)土表圖1孔溶液試件圖2鹽湖暴露站試件養(yǎng)護28天后，每個配比做了3個試件。先將試件運到查爾汗鹽湖現(xiàn)場，之后分別對各混凝土試件進行鉆孔，距離試件的長和寬邊緣的距離依次為30mm和20mm，一個試件按順時針鉆孔，孔直徑為10mm，孔深依次為12.5mm、25mm、37.5mm和50mm，鉆孔之后在孔中插入直徑為9mm的空心塑料管，在塑料管中灌入蒸餾水，之后用橡皮塞塞緊，用固體硅膠密封。將試件掩埋在標記的暴露站中的鹽漬土內(nèi)。待溶液平衡之后，定期到現(xiàn)場提取混凝土中的孔隙溶液。1.4混凝土孔溶液采集與測試在鹽湖現(xiàn)場分別暴露了150天、300天、390天和510天后時，到鹽湖現(xiàn)場采集孔溶液，每次采集完孔溶液后，繼續(xù)灌入蒸餾水、密封，將試件掩埋。采集的孔溶液樣品用密閉的小瓶做好標記，帶到中科院青海鹽湖研究所用酸堿度測試儀測定酸堿度及化學成分分析。其測定的結(jié)果見下表4表4不同深度混凝土試件的PH值名稱 C30 C50 C80深度/mm 12.5 25 37.5 50 12.5 25 37.5 50 12.5 25 37.5 500day 12.50 12.52 12.53 12.51 12.52 12.51 12.52 12.50 12.46 12.47 12.49 12.48150days 12.21 12.24 12.29 12.33 12.33 12.35 12.41 12.42 12.47 12.48 12.48 12.48300days 12.21 12.23 12.24 12.25 12.30 12.34 12.37 12.41 12.38 12.40 12.41 12.44390days 12.19 12.22 12.23 12.24 12.26 12.3 12.32 12.33 12.29 12.31 12.34 12.36510days 12.16 12.17 12.22 12.23 12.17 12.28 12.29 12.32 12.25 12.26 12.33 12.332.試驗結(jié)果分析2.1孔隙溶液PH值隨時間變化規(guī)律圖3各混凝土不同孔深的PH值隨時間變化圖如圖3所示，在相同配合比和相同孔深的條件下，孔隙溶液的PH值隨暴露時間增加而逐漸降低，這是因為混凝土表面受到碳化和在鹽漬土中受到干濕、凍融循環(huán)的作用，表面產(chǎn)生裂縫，鹽漬土中有害離子通過混凝土內(nèi)部的微裂縫和孔隙進入混凝土內(nèi)部，進而降低了混凝土的PH值這是一個長期的過程，時間越久PH值下降的越快。因此可以減少混凝土與暴露時間來減緩PH值的降低，可采用刷防腐涂層的方式PH值的下降?？梢酝ㄟ^降低水灰比的方式延緩PH值的降低。2.2孔隙溶液PH值隨深度變化規(guī)律如圖4所示，相同暴露時間各配比混凝土孔溶液PH值均隨深度的增加增大，這是因為混凝圖4各混凝土不同暴露時間的PH值PH值隨孔深變化圖土的碳化和在鹽漬土中受到干濕、凍融循環(huán)的作用都是從表面逐漸向內(nèi)部推移；當表面一定深度范圍內(nèi)的混凝土中的提供的多余堿性物質(zhì)被全部消耗，從此以后，混凝土孔隙溶液的PH值開始降低，這是一個長期過程，因此剛開始暴露時，各配比混凝土不同深度孔溶液中的PH值沒有規(guī)律?？梢酝ㄟ^增加混凝土保護層厚度延緩PH值的降低。3孔隙溶液PH值的預(yù)測模型圖5各混凝土孔溶液PH值與暴露時間關(guān)系圖圖6各混凝土PH值與孔深關(guān)系圖如圖5和6所示，各混凝土孔溶液PH值與暴露時間和孔深度均成呈二次函數(shù)。同理可知各混凝土孔溶液PH值與水灰比呈線性函數(shù)?；炷量兹芤篜H值均隨深度的增加增大，孔隙溶液的PH值降幅隨混凝土的水灰比增加而增加，孔隙溶液的PH值隨暴露時間增加而逐漸降低，而PH值的大小和初始的PH值決定的，同時考慮降低主要是由于碳化引起的，需要引入碳化擴散系數(shù)Deff，因此需要引入一個誤差函數(shù)，建立的孔隙溶液的PH值預(yù)測模型，見式（1）（1）式中，t為s；w/c為水灰比；x為距混凝土表面的距離mm；Deff為CO2在混凝土中的表觀擴散速度或有效擴散系數(shù),m2/s；PH為時刻距混凝土表面x處的PH值；PH0為初始距混凝土表面x處的PH值。erf(•)為如式(2)定義的誤差函數(shù)（2）蔣金洋[7]等提出混凝土有效擴散系數(shù)與其影響因素的關(guān)系可以用式(3)表示：(3)式中,D0為CO2在混凝土中的擴散系數(shù)(m2/s)；K為養(yǎng)護環(huán)境影響系數(shù)；KRH為混凝土服役環(huán)境中相對濕度影響系數(shù)；Kθ為混凝土服役環(huán)境中溫度影響系數(shù)。根據(jù)式（1）和（3）可得孔隙溶液的PH值預(yù)測模型(4)可以計算混凝土中任何時刻的PH值，進而預(yù)測混凝土壽命。4.結(jié)論研究鹽湖地區(qū)現(xiàn)場混凝土孔溶液中堿度隨時間的變化規(guī)律是揭示混凝土耐久性的一個重要途徑。通過研究不同水灰比、不同暴露時間和不同孔深的混凝土孔溶液的PH值，分析各因素對孔溶液PH值的影響，得到如下結(jié)論。（1）各混凝土孔隙溶液的PH值隨暴露時間增加而逐漸降低，這是因為混凝土表面受到碳化和在鹽漬土中受到干濕、凍融循環(huán)的作用，表面產(chǎn)生裂縫，鹽漬土中有害離子通過混凝土內(nèi)部的微裂縫和孔隙進入混凝土內(nèi)部，進而降低了混凝土的PH值。各混凝土孔溶液PH值與暴露時間呈二次函數(shù)關(guān)系。(2)各混凝土孔隙溶液的PH值降幅隨混凝土的水灰比增加而增加。這是因為水灰比越大，混凝土強度越低，抵抗環(huán)境破壞的能力差，各混凝土孔溶液PH值與水灰比呈線性函數(shù)。(3)各混凝土孔溶液PH值均隨深度的增加增大，這是因為混凝土的各種損傷和腐蝕作用都是從表面逐漸向內(nèi)部推移；當表面一定深度范圍內(nèi)的混凝土中的提供的多余堿性物質(zhì)被全部消耗，從此以后，混凝土孔隙溶液的PH值開始降低。各混凝土孔溶液PH值與孔深度呈二次函數(shù)關(guān)系。（4）引入了Deff與誤差函數(shù)，建立了混凝土孔溶液PH值預(yù)測模型，模型中各混凝土孔溶液PH值與水灰比呈線性關(guān)系，與孔深和暴露時間呈平方根函數(shù)?？梢杂嬎慊炷林腥魏螘r刻的PH值，進而預(yù)測混凝土壽命參考文獻：[1]L.Bash.InfluenceofcoarseaggregateonthePermeation，durabilityandthemicrostructurecharacteristicsofordinaryPortlandcementconcrete.ConstructionandBuildingMaterials,2005,19(9):682-690[2]M.AbdEI.Aziz.Hydrationanddurabilityofsulfate-resistingandslagcementblendsinCaron’sLakeWater.CementandConcreteResearch，2005.35(8):1592-1600[3]VSaraswhat,Influenceofactivatedflyashoncorrosion-resistanceandst