潮差环境下砂浆氯离子侵蚀对流区厚度的随机性

黄 俊，张 昀，张 杉，庄华夏，周巧萍

（1.同济大学 土木工程学院，上海 200092；2.浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310014）

潮差环境下砂浆氯离子侵蚀对流区厚度的随机性

黄 俊1，张 昀1，张 杉2，庄华夏2，周巧萍2

（1.同济大学 土木工程学院，上海 200092；2.浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310014）

通过自然海洋潮差环境下砂浆氯离子侵蚀的现场试验，根据测试得到的砂浆中的自由氯离子浓度分布情况，分析了砂浆中氯离子侵蚀对流区厚度的随机性。结果表明，在自然潮差环境下，砂浆均出现了氯离子侵蚀的对流区；砂浆中氯离子侵蚀对流区厚度均值为4～6mm；可用正态分布描述砂浆的氯离子侵蚀对流区厚度的随机性；暴露时间、掺合料及水灰比等对其随机特性的影响不明显。

潮差环境；砂浆；氯离子；对流区；随机性

引 言

由氯离子引起的钢筋混凝土构件或结构的耐久性问题，在氯离子引起钢筋锈蚀的机理、考虑荷载等耦合影响及其防治措施等研究方面，已取得了不少的研究成果［1，2］。在干湿循环环境下的水泥基材料，无论是混凝土还是水泥砂浆，其孔结构特征参数对氯离子迁移过程都有重要影响［3，4］。

一般地，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分析混凝土或砂浆中氯离子的传输过程，但干湿循环条件下的氯离子侵蚀机理不同，该定律在恒定边界条件的解析解忽略了对流效应，得到的结果并不令人满意［3］。干湿交替区的混凝土或砂浆表层存在对流和扩散耦合的区域，即对流扩散区域，其氯离子含量峰值距离表面的深度即为对流区厚度［3～7］。由于受环境因素及材料等的随机性的影响，对流区厚度实际上应该是一个随机变量，它是氯离子侵蚀环境下水泥基材料构件的耐久性寿命评价的主要参数之一［3～8］。

目前，关于氯离子侵蚀对流区厚度有一些研究成果［3］，如Gehlen在不考虑距氯离子源距离时，通过对127条海洋环境的混凝土氯离子侵蚀曲线的分析，认为对流区深度符合Beta分布［5］，但多是其平均值的研究，而对其随机特性的研究很少，尤其是对水泥砂浆氯离子对流区厚度［9］。氯离子在混凝土或砂浆中的侵蚀机理、对流区厚度及其随机特性等，与胶凝材料体系的孔隙结构、干湿循环时间比例和浆体结合氯离子性能等有关［9，10］。

本文基于自然海洋潮差区氯离子环境下的现场暴露试验测试得到的3种水灰比、5种规格和不同暴露时间后的水泥砂浆中自由氯离子浓度，研究了不同水灰比、不同暴露时间及掺合料的砂浆氯离子侵蚀对流区厚度，并分析了其随机分布特性及影响因素。分析的结论可为深入研究水泥基材料的氯离子侵蚀机理、控制水泥基材料中氯离子迁移以及混凝土构件的耐久性寿命评估等提供一定的参考。

1 试验砂浆的原材料和配合比

1.1 试验砂浆的原材料

按照《水工混凝土试验规程》（SL352-2006）［11］，制作的水泥砂浆试件采用的原材料如下：

细骨料为细度模数为2.4的中细河沙（级配合格），表观密度为2 600kg/m3；拌合水和养护水均采用杭州当地自来水；水泥为钱潮牌 P.C32.5复合硅酸盐水泥，水泥密度为3 100kg/m3；短切火成岩纤维由浙江某火成岩纤维有限公司生产，纤维单丝直径为17～20 μm，抗拉强度为390～450 MPa，密度为2 800kg/m3；粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，购自杭州某建材有限公司生产的商品粉煤灰。

1.2 砂浆的配合比

试验砂浆单位用水量为280kg，为了研究水灰比对砂浆氯离子侵蚀的影响，现场试验采用0.40、0.50和0.60共3种不同的水灰比。现场试验砂浆的配合比设计见表1［12］。

同时，为研究掺加火成岩纤维和粉煤灰对砂浆氯离子侵蚀对流区厚度的影响，还设计了水灰比为0.50时，分别掺加上述掺合料的现场试验试件，如表2所示［12］。

表1 现场暴露试验砂浆配合比

表2 现场试验砂浆编号及强度

2 试验环境与试验方法

2.1 试验环境

砂浆氯盐侵蚀试验现场，位于浙江舟山定海新城某滨海码头附近滩涂的潮差区内。根据气象资料，该区域的年平均气温约为 20℃；每天被海水浸没的时间约4 h，干湿循环时间比为5：1；该区域海水中年平均游离氯离子含量约为13 000 mg/L［12］。

2.2 现场暴露试验方法

试验试件为直径d=100mm，高度h=50mm的圆柱型试件。试件成型之后，标准养护28 d后，在其侧面和成型面涂上环氧树脂，然后将所有试件按批次放置在定制钢筋笼中，通过钢丝绳将钢筋笼固定在试验现场。制备试件的同时，按规范制备各规格的3个立方体抗压强度试件，28 d标准养护后测定其抗压强度，强度值见表2。

现场试验设置多个取样时间点。考虑到暴露初始氯离子侵蚀较快，第一批和第二批暴露时间分别为60 d和120 d；之后的间隔时间为120 d，共6批；暴露的总时间为5×120=600 d。为消除随机性对试验结果的影响，每个批次每种规格制备5个试件。因此，5种规格（3种水灰比）和6个取样时间点的试件总数为5×5×6=150个。

2.3 砂浆中的自由氯离子浓度

至设定取样时间点时，到现场取回对应侵蚀时间的试件，在室内进行氯离子浓度测试。方法是：从试件表面开始向内研磨粉末，以每2mm厚度粉末的平均氯离子浓度作为对应深度处的氯离子浓度值，研磨至20mm止，各试件均取得10个样本浓度值。本文所述的氯离子浓度均为砂浆中自由氯离子占砂浆粉末的质量百分比［12］。

3 砂浆氯离子侵蚀对流区厚度随机性分析

3.1 砂浆中的自由氯离子浓度

按照上述试验方法测试得到的各规格、各时间段试件中的自由氯离子浓度，各试件均出现了对流区［12］，对流区厚度4～6mm。符合自然干湿循环下的侵蚀现象［3，5］；而室内自然扩散法（浸泡）无法模拟这一现象［9］。

图1是自然潮差环境下暴露360 d后试验砂浆自由氯离子浓度的（5个试件的平均值）分布。

图1 自由氯离子浓度平均值分布

3.2 氯离子侵蚀对流区厚度的随机性分析

干湿交替区表层氯离子峰值及对流区的形成是水泥基材料的表层对流效应与扩散效应耦合的结果，而影响这种耦合作用的自然环境因素有很强的随机性。因此，峰值浓度及对流区厚度也存在随机性。为研究暴露时间及掺合料等因素对砂浆氯离子对流区厚度随机性的影响，分别统计和分析了各时间段、不同规格的砂浆氯离子对流区厚度的随机分布及参数。

1）对流区厚度的均值

6个暴露时间段的砂浆氯离子对流区厚度的统计分析结果表明，暴露时间对其均值的影响并不明显。如水灰比0.50砂浆（C2），对流区厚度平均值随暴露时间的延长有所增加，但增加不大，如表3。

表3 厚度均值随暴露的时间变化与分布类型

分析结果还表明，掺和料和水灰比对砂浆对流区厚度的均值影响也并不明显。根据各个暴露时间段6批（1个时间段共5种规格，每种规格5个）30组砂浆试件中对流区厚度的统计，各规格砂浆中氯离子的对流区厚度均值为4～6mm，这与混凝土的氯离子侵蚀对流区厚度均值相当［3，5］。根据统计，C1、C2、C3、C4和C5的各规格6批30个试件的对流区厚度均值分别为 4.93mm、4.80mm、4.93mm、4.73mm和5.47mm；其中，C5（掺20 %水泥质量的Ⅰ级粉煤灰）的最大（5.47mm），说明掺加粉煤灰对砂浆的对流区厚度有一定的影响，但并不明显。

2）对流区厚度的概率分布

分别以正态分布、对数正态分布和极值I分布进行对流区厚度分布的假设检验，结果表明，暴露时间、掺合料和水灰比等对氯离子对流区厚度分布的影响也不明显。如表3中，水灰比0.50砂浆（C2）6个暴露时间段中，4个时间段内的对流区厚度为对数正态分布。分析表明，30组砂浆试件中，20组为对数正态分布，10组为极值I分布。

图2是不同暴露时间后，砂浆C2的对流区厚度的概率分布密度函数。

图2 概率密度分布

由于掺合料、暴露时间和水灰比等因素对砂浆氯离子侵蚀的对流区厚度的影响不明显，在不考虑这些因素时，在本文所述的自然潮差环境下，统计150个砂浆试件氯离子侵蚀的对流区厚度，其均值为4.97mm，为正态分布，密度函数为：

图3是自然潮差环境下砂浆氯离子侵蚀的对流区厚度的概率分布密度函数。

图3 概率密度分布

因此，在总体上，砂浆的氯离子侵蚀对流区厚度属于正态分布。考虑到掺合料、暴露时间和水灰比等因素对氯离子侵蚀对流区厚度的影响均不明显，这一结论符合中心极限定理。

4 结 论

1）在自然潮差环境下，水泥砂浆均出现了氯离子侵蚀的对流区。

2）在自然潮差环境下，砂浆中氯离子侵蚀对流区厚度的均值为4～6mm；暴露时间、掺合料和水灰比等因素对砂浆的氯离子侵蚀对流区厚度的随机特性的影响不明显。

3）在不同的暴露时间段内，砂浆的氯离子侵蚀对流区厚度大多数都属于对数正态分布；但在总体上，可以正态分布描述砂浆的氯离子侵蚀对流区厚度。

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Randomness of Convection Region Thickness of Mortar Chloride Ion Erosion in Tidal Range Environment

Huang Jun1，Zhang Yun1，Zhang Shan2，Zhuang Huaxia2，Zhou Qiaoping2
（1.College of Civil Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China； 2.College of Architecture & Civil Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou Zhejiang 310014，China）

Based on the field test of mortar chloride ion erosion in natural tidal range environment，the concentration distribution of free chloride ions in mortar is used to analyze the randomness of convection region thicknesses of chloride ion erosion in mortar.The analysis results show the occurrence of convection region of mortar chloride ion erosion in natural tidal range environment，and the mean thickness of convection regions is 4～6mm.The randomness of convection region thickness can be described by normal distribution.The exposure time，admixtures and water-cement ratio have no obvious influence on the randomness of convection region thickness.

tidal range environment； mortar； chloride ion； convective region； randomness

TV43

A

1004-9592（2016）05-0001-4

10.16403/j.cnki.ggjs20160501

2016-01-25

国家自然科学基金项目（51279181）

黄俊（1987-），男，博士研究生，主要从事工程结构耐久性研究。