环境因素对混凝土氯离子侵蚀对流区的影响研究

吴灵杰,傅招旗,张俊芝,朱燕东,黄 俊

(浙江工业大学建筑工程学院,浙江 杭州 310032)

1 问题的提出

混凝土结构的耐久性问题是目前土木工程领域中备受关注的热点课题,尤其是其中的氯盐腐蚀环境下的耐久性,干湿交替是对混凝土结构耐久性最不利的环境之一[1]。在干湿交替区,氯离子对混凝土表层的积累与侵蚀过程较复杂,是对流、扩散等多重因素的耦合作用,而在混凝土内部仍以扩散作用为主。对于干湿交替下混凝土中氯离子运输问题,国内外已经做了不少研究[2-4]。研究发现,氯离子在距离表面一定深度处,存在一个氯离子含量平稳的区段,该区段氯离子浓度较高,在区段末逐渐降低[5]。这个区段上氯离子含量的峰值点可看作是毛细管吸附和扩散这2种迁移方式的分水岭。浓度峰值以内称为扩散区,氯离子主要是以扩散的方式迁移;浓度峰值以外称为对流区,氯离子主要是以毛细管吸收的方式迁移[6]。

张俊芝等[7]对钱塘江河口区一线海塘上服役期分别为37 a和27 a的水闸闸墩混凝土进行检测分析,发现对流区深度在10～20mm徘徊;范宏等[8]通过对暴露26 a后的青岛北海船厂码头中大量混凝土芯样中氯离子分布的分析和计算,认为对流区深度约为15 mm;文献 [6]对暴露24 a后的日照港煤码头钢筋混凝土梁的氯离子分布进行了测试分析,所得到的对流区深度均在10 mm左右;王传坤等[9]对已服役70个月的浙江嘉兴乍浦港码头的一堵混凝土墙进行现场检测试验,测得的对流区深度在7 mm附近;文献[10-11]通过人工气候环境下大量的试验研究,认为人工气候环境下,腐蚀混凝土中均出现了与自然环境侵蚀相似的特性,存在明显的对流区。

长期以来,国内外学者倾向于用Fick第二定律及其恒定边界条件的非稳态解析解来计算氯离子在混凝土中传输过程。但是在干湿循环条件下,由于对流区的存在,对表层混凝土的拟合往往难以得到令人满意的结果。本文以室内及现场干湿循环条件下腐蚀混凝土试件为研究对象,研究不同水灰比和侵蚀时间对混凝土中对流区深度的影响,可为干湿循环条件下计算混凝土中氯离子的传输提供了参考依据。

2 干湿循环条件下混凝土氯离子侵蚀试验

2.1 试验条件

试验以钱塘江河口下游区域的气候和氯盐环境为背景,设计人工气候参数,通过气候环境模拟装置形成一个加速侵蚀的人工气候环境,以达到进行建筑材料与结构耐久性能加速试验的目的[10-11]。试验中采用NaCl浓度为5%的盐雾从上部向下部喷洒,以达到加速腐蚀的效果,设置的喷雾腐蚀时间为 2 h,干燥腐蚀46 h。混凝土采用钱潮牌P·O32.5R级水泥,所用骨料的最大粒径40 mm,砂子采用河砂,其细度模数为2.7,拌和用水及养护用水为当地自来水,试验构件为φ 100 mm×60 mm的圆盘型混凝土试件,水灰比分别为0.45,0.50,0.55,0.59和0.61。

2.2 试验方法及结果

将不同配合比的5组混凝土试件放入养护室标准养护28 d,然后将试块放入上述人工气候试验室内进行腐蚀试验。对不同上述试件分别经过40,80,120,160和200 d的腐蚀后及时取出,从表面每隔2 mm打磨取样,收集混凝土粉末试样。混凝土中的自由氯离子浓度(占混凝土质量的百分数)用美国Thermo 720A酸度计测定[12]。测得腐蚀40 d后混凝土不同深度处氯离子浓度结果见图1。

图1 室内试验腐蚀40 d混凝土试件自由氯离子浓度随深度变化图

2.3 试验结果分析

由图1可知,室内人工气候环境(干湿循环)下,混凝土试件在距离表面5～10 mm存在着明显的对流区。按照前述分析可知,氯离子含量在一定深度处存在着一个局部的峰值,之后随着深度的增加逐渐降低,该峰值出现的位置即认为对流区深度[10]。计算得到水灰比不同时对流区深度的值见图2。

图2 室内试验不同水灰比下混凝土试件对流区深度图

如图2所示,混凝土试件对流区深度随着水灰比变化而上下波动,对于养护28 d、腐蚀200 d的混凝土试件,对流区最大深度是6.9 mm,最小深度则为6.1 mm;而腐蚀28 d的试件对流区最小深度为4.3 mm,最大深度为5.1mm。因此,水灰比的变化对对流区深度的影响并不明显,与文献 [12]的试验研究结论类似;但腐蚀时间对对流区深度有一定影响,随着腐蚀时间的增加,对流区深度逐渐增长,腐蚀40 d的混凝土试件对流区深度约为4～5 mm,当腐蚀天数为200 d时,对流区深度在6～7 mm徘徊。

3 感潮河口自然环境条件下混凝土氯离子侵蚀

3.1 试验条件及设计

5根不同水灰比的混凝土梁,成型之后养护28 d,将其放置在钱塘江海宁段某丁坝上,进行河口自然环境下的混凝土氯离子侵蚀试验。

试验采用钱潮牌P·O32.5R级水泥,骨料最大粒径为40 mm。砂子采用河砂,其细度模数为2.5,拌合用水及养护用水为杭州当地自来水。为比较抗侵蚀效果,混凝土中不掺加任何外加剂。考虑到不同时刻取样需要,试件为混凝土梁,保护层为25 mm。在混凝土梁成型面预埋2个铁环,用钢丝绳穿过铁环,将梁绑扎在混凝土丁坝上。每隔120 d对试验梁取样1次以测试试验梁混凝土中氯离子浓度,每根梁每次取1个芯样,取样所用取芯机直径为50 mm。取样后,及时用环氧树脂进行封堵,以免氯离子从取样孔侧进入试验梁中。

3.2 自由氯离子浓度测试及结果分析

根据前述的检测方法,测得不同水灰比试验梁混凝土中的氯离子浓度随渗透深度的分布见图3。

根据图3分析,试验梁在河口自然环境条件下也存在明显的对流区,不同水灰比梁取得的混凝土芯样中自由氯离子浓度基本在4～8 mm达到峰值。根据实测的氯离子浓度值,得到的对流区深度值见图4。

图4 感潮河口环境不同水灰比下混凝土试件对流区深度图

由于该试验梁所处的丁坝位于钱塘江河口,其氯化物受冲淤、潮差大小的影响,又受上游下泄水量的影响,变化较大。相比于人工气候环境(干湿循环),河口自然环境下的对流区深度变化出现了较大的随机性。分析图4可知,河口自然环境条件下,延长腐蚀时间对对流区深度的影响不十分明显。这一结论与前述人工气候环境下的分析结果有所不同,其中主要原因是河口自然环境下所采集到的3组试验数据腐蚀时间间隔过短,自然环境下环境中氯离子浓度较低等。人工气候环境下2组试验数据的时间间隔为160 d,根据试验环境要求设置,其相当于自然环境下的20 a,而河口自然环境下所采集到的2组试验数据腐蚀时间间隔仅为120 d。因此,随着自然环境条件下腐蚀时间的延长,其对对流区深度的影响也应随之增加。

4 结 语

本文通过对室内人工气候环境和感潮河口自然环境下的腐蚀混凝土试验,研究了不同水灰比和侵蚀时间对混凝土中对流区深度的影响。通过试验,可得到的结论为:

(1)干湿循环条件下,无论是室内试验条件还是自然环境条件下,腐蚀混凝土在距离试件表面一定深度存在一个局部峰值,即均存在明显的对流区。

(2)室内人工气候环境 (干湿循环)和感潮河口自然环境下,腐蚀时间对对流区深度均有一定影响,延长腐蚀时间可以增加对流区的深度。

(3)在室内人工气候环境(干湿循环)和感潮河口自然环境下,混凝土水灰比的改变对对流区深度的影响并不明显。

[1]李春秋,李克非,陈肇元.干湿交替下混凝土内水分影响深度的数值分析 [C]∥第六届全国土木工程研究生学术论坛论文集.北京:清华大学,2008.

[2]Gang Lin,YinghuaLiu,Zhihai Xiang.Numerical modeling for predicting service life of reinforced concrete structures exposed to chloride environments[J].Cement&Concrete Composites,2010(32):571-579.

[3]K.Hong,R.D.Hooton.Effects of cyclic chloride exposure on penetration of concrete cover[J].Cement and Concrete Research,1999(29):1379-1386.

[4]T.Vidal,A.Castel,R.Francois.Corrosion process and structural performance of a 17 year old reinforced concrete beam stored in chloride environment[J].Cement and Concrete Research,2007(37):1551-1561.

[5]范宏,赵铁军,F.H.Wittmann.基于氯离子分布的氯离子渗透参数计算的新方法 [J].港工技术,2006(3):19-22.

[6]高祥壮,孔玮,田惠文,等.暴露24 a后码头钢筋混凝土梁的碳化和氯离子分布 [J].港口科技,2010(10):16-22.

[7]张俊芝,王建泽,周建民,等.自然环境下既有混凝土的氯离子侵蚀及随机性研究[J].工业建筑,2009,39(3):77-80.

[8]范宏,赵铁军,田砾,等.暴露26 a后的混凝土的碳化和氯离子分布[J].工业建筑,2009,36(8):50-53.

[9]王传坤,高祥杰,赵羽习,等.混凝土表层氯离子含量峰值分布和对流区深度 [J].硅酸盐通报,2010,29(2):262-267.

[10]鲁列.荷载与氯盐环境下混凝土构件的腐蚀试验研究 [D].杭州:浙江工业大学,2010.

[11]周剑.混凝土氯离子扩散性能影响因素的试验研究 [D].杭州:浙江工业大学,2010.

[12]周胜兵.环境因素与弯曲荷载对混凝土抗腐蚀性能影响的试验研究 [D].杭州:浙江工业大学,2011.