基于室内外相关性方法的混凝土氯离子扩散性研究

张立明，余红发

ZHANG Liming, YU Hongfa

腐蚀环境下混凝土结构的早期破坏现象非常普遍,其原因是环境中自由氯离子进入混凝土内部,引起混凝土结构内部钢筋锈蚀,同时环境中的硫酸根引起混凝土劣化,促进了自由氯离子扩散性。因此混凝土氯离子扩散性是腐蚀环境下混凝土结构寿命预测的主要考虑的因素之一,并成为国内外学者[1-4]关注的焦点。目前,对混凝土氯离子扩散性的研究主要集中在室内环境下的单一氯盐溶液[5-8],对氯盐、硫酸盐复合溶液[7-11]的研究还不多见,对现场环境下[12-13]混凝土结构氯离子扩散性研究就更少了。目前对腐蚀环境下混凝土结构寿命预测主要依赖于室内试验的结果，如果能够建立混凝土氯离子扩散性的室内环境与现场暴露环境之间联系,今后就可以以室内氯离子性试验为基础,以内外关系为纽带,更准确地预测实际环境下混凝土结构的氯离子扩散性。因此,建立室内环境与现场环境之间联系,利用室内外关系对氯离子扩散方程进行修正,并验证修正模型的准确性,是本文的研究目的。最后将其应用到实际工程的寿命预测。

1 试验计划

1.1 原材料及配合比

水泥、硅灰、减水剂和粗细集料等原材料为项目组统一购买,其物理及化学指标见文献[9]。混凝土构件的配合比、抗压强度、坍落度、含气量见表1。

1.2 试验程序

1.2.1 室内浸泡和现场暴露试验

腐蚀溶液为青海察尔汗盐湖的卤水,其化学成分见表2。

混凝土构件的配筋图及模具见图1,混凝土拌合后,测定其工作性后,浇筑到成型后, 在标准条件下养生28 d后,分别在室内腐蚀溶液进行浸泡试验和国道215K617+900处进行现场暴露试验见图2。

图1 构件配筋及模具尺寸

混合料水胶比原材料质量/(kg·m-3)水泥硅灰砂石子PCA®I水坍落度/mm含气量28d抗压强度/MPaC300533680—7351103—1957564313C500354122—687114514216016846586C80SF1002353105970810625851364635806

SF-silica fume; PCA®(I)-Sup- performance( water reducing admixture)

表2 青海察尔汗盐湖卤水化学成分

图2 盐湖暴露站

1.2.2 混凝土取样和氯离子分析测试

混凝土构件在室内浸泡和现场环境下,分别暴露了90 d、270 d、493 d和721 d。采用如图3所示的位置对其进行钻孔取样,取样方法和化学分析方法详见文献[14]。

图3 钻孔位置布置图

图4 二维氯离子扩散模型

2 混凝土氯离子扩散模型及室内外转换关系的方法

2.1 混凝土氯离子扩散理论模型

采用文献[15]基于Fick’s第二定律推导的二维氯离子扩散理论模型：

(1)

式(1)中：L1、L2分别为混凝土梁截面的宽度和厚度；t为混凝土暴露于Cl-环境中的时间；x和y分别为L1和L2方向的扩散深度；Cf为t时刻(x,z)坐标位置处的自由Cl-含量；C0为混凝土内部初始Cl-含量；CS为混凝土表面Cl-含量,按照实测的Cf-y之间的一元二次多项回归式计算确定；m、n为计算时的迭代次数；Dt为t时刻的混凝土表观Cl-扩散系数,可用编制好的SAS程序计算得出,计算时取L1= 100 mm、L2= 75 mm,C0=0 、x=30 mm、y分别为2.5 mm、7.5 mm、12.5 mm、17.5 mm和22.5 mm。

氯离子结合能力计算如式(2)所示：

(2)

式(2)中:Cb为结合氯离子、Cf为自由氯离子。

2.2 室内外关系转变的方法

选择室内溶液浸泡为标准环境,现场暴露环境与标准环境的转换系数用K表示：

(3)

式(3)中：Z为浸泡环境下的氯离子扩散参数；Z1为现场暴露环境下的氯离子扩散参数。

实际混凝土结构氯离子扩散参数F可用式(4)表示：

F=KZ

(4)

3 试验结果及分析

3.1 混凝土自由氯离子结合能力R

从图5可知：混凝土的氯离子结合能力是混凝土自身的特性,它与混凝土自身的配比有关,与试验环境无关。随着抗压强度的增大而增大。

图5 混凝土氯离子结合能力

3.2 混凝土表面自由离子含量Cs

表面自由氯离子含量是根据滴定试验测得的平均深度为2.5 mm、7.5 mm、12.5 mm、17.5 mm和22.5 mm的自由氯离子含量。利用电子表格进行二次项回归, 得到自由氯离子含量与扩散深度的关系式。当深度x=0时,计算得到混凝土表面自由氯离子含量CS值。从图6可知：混凝土构件表面自由氯离子含量(CS)随着腐蚀时间的增加先快速增加后趋于稳定,随着混凝土抗压强度的增加而降低,长期浸泡环境下混凝土CS大于其在现场环境下CS。

图6 混凝土表面自由氯离子含量(Cs)与腐蚀时间的关系

混凝土表面氯离子含量可用式(5)表示：

CS=CS0(1-e-st)

(5)

式(5)中：Cs0为最大表面自由氯离子含量,CS为混凝土表面自由氯离子含量,t为腐蚀时间。

3.3 混凝土表观氯离子扩散系数

利用式(1)可计算出,各混凝土的表观自由氯离子扩散系数(Dt)。不同腐蚀时间表观自由氯离子扩散系数可用式(6)[15]表示：

(6)

式(6)中：Dt为混凝土表观氯离子扩散系数/10-7mm2s-1,D0为腐蚀28 d表观自由氯离子扩散系数/10-7mm2s-1,t为腐蚀时间/d,t0是腐蚀时间28 d,m为时间依赖系数。

表3 混凝土氯离子扩散性参数

如图7所示：混凝土构件的Dt随着暴露时间的增加而下降,随着混凝土的抗压强度增大而降低；长期浸泡环境下混凝土Dt大于其在现场环境下Dt。

图7 混凝土表观氯离子扩散系数与腐蚀时间关系

4 基于室内外相关系数的修正氯离子扩散模型及验证

余红发教授等[15]修正的氯离子扩散方程。

(7)

引入室内相关性系数后式(7)变为下式：

(8)

式(8)中：Cf为t时刻自由氯离子含量/%,距表面距离为x处,CS0为长期浸泡环境下混凝土表面最大氯离子含量,D0为长期浸泡环境下混凝土28 d表观氯离子扩散系数,R为氯离子结合能力,m为时间依赖系数,KC、KD和Km分别为CS0、D0和m的室内外换算系数,K为混凝土劣化系数取1,t为腐蚀时间/s。

5 模型验证

对盐湖现场暴露1546 d的C30、C50和C80SF10混凝土构件取样,测定距表面深度分别2.5 mm、7.5 mm、12.5 mm、17.5 mm处的自由氯离子含量,分别用式(7)和式(8)计算各混凝土的不同深度处的自由氯离子含量。如图8 所示：以室内长期浸泡数据为基准式(7)预测混凝土构件不同深度自由氯离子含量均大于现场实测的数据,预测数据和实测数据偏差很大；当考虑室内外相关系数时式(8),预测混凝土构件不同深度自由氯离子含量均与现场实测的数据接近,说明式(8)更适合预测盐湖现场混凝土结构的氯离子含量。

图8 1546 d混凝土自由氯离子含量实测值与计算值对比

6 结 语

研究了3种典型强度等级的混凝土构件在室内外环境下的氯离子扩散性,以长期浸泡环境为基准,引入室内外转换系数K, 对二维氯离子扩散模型进行修正,并对修正模型进行了验证,主要得到以下结论：

1)混凝土构件的Dt值随着腐蚀时间的增加而下降,而CS值却呈现出相反的规律,R值与腐蚀龄期无关；混凝土构件的CS、R值均随着其抗压强度的增加而增大,而CS值却呈现出相反的规律。

2) 混凝土构件的氯离子结合能力(R)、表面自由氯离含量(CS)和自由氯离子扩散系数Dt的变化规律与试验环境无关,说明混凝土构件氯离子扩散性符合室内外相关性试验的设计原则。

3)引入室内外相关系数的修正氯离子扩散系数模型更适合预测盐湖现场混凝土结构的自由氯离子含量。

[1] 张立明,李长成,何忠茂. 浸泡与干湿循环混凝土氯离子结合能力[J].低温建筑技术,2014(5)：4-6．

[2] 张立明,李长成,何忠茂.干湿循环和暴露对混凝土氯离子结合能力相关性研究[J].粉煤灰综合利用,2014(2)：8-10．

[3] Bernal Camacho J, Mahmoud Abdelkader S, Reyes Pozo E. The influence of ion chloride on concretes made with sulfate-resistant cements and mineral admixtures[J].Construction and Building Materials,2014,70(5):483-493．

[4] Liu X, Zhang N, Sun H, et al. Structural investigation relating to the cementious activity of bauxite residue-red mud [J]. Cem. Concr. Res,2011, 41 (2):847-853．

[5] 朱海威,余红发,麻海燕,等. 硅灰混凝土表观氯离子扩散系数影响因素的研究[J].硅酸盐通报,2015,34(10)：2753-2756．

[6] 卢剑雄,余红发,冯滔滔,等. 粉煤灰混凝土在海洋环境中的氯离子扩散系数演变规律[J].硅酸盐通报,2015,34(7)：1731-1735．

[7] 曾翔超,余红发,胡蝶.矿渣混凝土在海洋环境中的氯离子扩散系数演变规律[J].硅酸盐通报,2014,33(5)：993-998．

[8] 达波,余红发,胡蝶,等.海洋环境下矿渣混凝土的表面氯离子浓度规律[J].硅酸盐通报,2014,33(5)：1059-1063．

[9] 张立明,余红发,何忠茂. 盐湖地区混凝土的氯离子扩散性[J]. 中南大学学报：自然科学版,2011,42(6)：1752- 1755．

[10] 张立明,余红发.干湿循环次数对混凝土表观氯离子扩散系数的影响[J].湖南大学学报：自然科学版,2014,41(3)：25-30．

[11] 李强,余红发,张立明.冻融循环对粉煤灰混凝土氯离子扩散系数的影响[J].应用基础与工程科学学报,2015,23(3):622-628．

[12] 赵晖,张亚梅,明静.海工码头结构混凝土耐久性检测与评估[J].水利水运工程学报,2013,10 (5)：54-60．

[13] 丁威,马孝轩,冷发光,等.格尔木盐湖地区地下基础混凝土分析评价和应用措施[J].混凝土,2005(4):78-83．

[14] 胡蝶,麻海燕,余红发.矿物掺合料对混凝土氯离子结合能力的影响[J].硅酸盐学报,2009,37(1)： 129-134．

[15] 余红发,孙伟,麻海燕,等.混凝土在多重因素作用下的氯离子扩散方程[J].建筑材料学报,2002,5(3): 240-247．