江大虎， 張云清， 余紅發(fā)， 胡 蝶

(1.南京航空航天大學(xué) 土木工程系， 江蘇 南京 210016； 2.南京聯(lián)勘科技有限公司， 江蘇 南京 210019)

在海洋、除冰鹽和鹽湖等氯鹽環(huán)境條件下，鋼筋銹蝕是導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)失效的最重要原因之一，而混凝土的Cl-離子擴(kuò)散是造成鋼筋銹蝕的主要原因，決定了結(jié)構(gòu)的使用壽命[1,2,3]。氯離子擴(kuò)散[4]是由于氯離子的濃度差引起的，在氯離子擴(kuò)散過程中，表面氯離子濃度越高，內(nèi)外部氯離子濃度差就越大，擴(kuò)散至混凝土內(nèi)部的氯離子就越多，那么結(jié)構(gòu)的服役壽命就越短。從Fick第二定律的解析表達(dá)式[5]中可以看出，混凝土結(jié)構(gòu)的表面氯離子濃度是影響結(jié)構(gòu)耐久性的一個重要因素。本文主要研究粉煤灰對混凝土表面氯離子濃度的影響規(guī)律，并建立相應(yīng)的相關(guān)關(guān)系。

1 實 驗

1.1 原材料

江南水泥廠生產(chǎn)的金寧羊牌P·II 42.5型硅酸鹽水泥，基本物理力學(xué)性能見表1，化學(xué)組分見表2。青海橋頭電廠生產(chǎn)的粉煤灰(Fly ash，F(xiàn)A)，細(xì)度為0.045 mm方孔篩的篩余率14.4%，化學(xué)成分參見表2。河砂，表觀密度2605 kg/m3，含泥量1.0%，細(xì)度模數(shù)2.74，屬于中砂，Ⅱ區(qū)級配。玄武巖碎石，最大粒徑12 mm，屬于5～16 mm連續(xù)級配。江蘇建筑科學(xué)研究院生產(chǎn)的JM-B型萘系高效減水劑，減水率達(dá)20%以上，Na2SO4含量小于2%，Cl-含量小于0.01%。自來水。

表1 水泥的物理力學(xué)性能

表2 主要膠凝材料的化學(xué)成分(wt%)

1.2 混凝土配合比

表3是混凝土的配合比和坍落度。其中，普通混凝土(Ordinary Portland concrete，OPC)F0的配合比為：水泥用量500 kg/m3，水灰比0.34。依此為基礎(chǔ)，設(shè)計了FA摻量分別為10%，20%，30%和40%的系列粉煤灰混凝土(Fly ash concrete，F(xiàn)AC)F1～F4。

表3 混凝土的配合比和坍落度

1.3 實驗方法

1.3.1試件制備與暴露

將水泥、砂、石、外加劑、摻合料等原材料在攪拌機(jī)中干拌1 min，再加水濕拌3 min。出料后測定混凝土拌合物的坍落度，之后澆注、振動成型40 mm×40 mm×160 mm混凝土試件。試件成型后帶模養(yǎng)24 h，之后拆模，然后移入在(20±3)℃飽和石灰水中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。混凝土試件的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期分別為7 d、28 d、56 d、180 d和365 d，之后取出試件暴露于已準(zhǔn)備好的人工海水中，暴露時間分別是7 d、14 d、28 d、56 d、90 d、180 d和365 d。

人工海水按照美國ASTM D1141-2003的規(guī)定，其化學(xué)組成見表4。

表4 人工海水的化學(xué)組成(kg/m3)

1.3.2取樣與分析

在暴露40 mm×40 mm×160 mm試件的中間段取樣，用鉆孔法從試件中間1/2段的兩個側(cè)面采集粉末樣品，鉆孔設(shè)備為小型鉆床，合金鉆頭直徑為6 mm，孔與孔之間的距離為10～15 mm。每個試件依據(jù)坐標(biāo)定位至少要鉆12～16個孔，采樣深度依次為0～5 mm、5～10 mm、10～15 mm、15～20 mm等，保證從每層混凝土試件中收集約5 g樣品，并用孔徑0.16 mm的篩子過篩。按照國家交通部標(biāo)準(zhǔn)JTJ270-98《水運工程混凝土試驗規(guī)程》的規(guī)定[6]，采用水溶性氯離子含量分析方法，測定粉末樣品中的自由Cl-離子濃度。

1.4 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)實驗得到的平均深度2.5 mm、7.5 mm、12.5 mm及17.5 mm處的自由氯離子濃度Cf數(shù)據(jù)，利用Excel數(shù)學(xué)分析軟件，通過回歸分析擬合兩者之間的一元二次關(guān)系。得到混凝土內(nèi)部氯離子濃度與擴(kuò)散深度之間的關(guān)系，在得到的回歸關(guān)系式中，令深度x=0時便可以計算得到混凝土表面自由氯離子濃度Cs值[7,8]。

2 結(jié)果與討論

2.1 OPC的表面氯離子濃度

2.1.1暴露于海水前的養(yǎng)護(hù)齡期的影響

圖1是暴露于海水前的養(yǎng)護(hù)齡期對海水暴露時間為7～180 d的OPC的表面氯離子濃度的影響。結(jié)果表明，OPC的表面氯離子濃度隨著暴露于海水前的養(yǎng)護(hù)齡期的延長而減小。

圖1 暴露于海水前的養(yǎng)護(hù)齡期對海水環(huán)境中OPC表面氯離子濃度的影響

表5是OPC的表面氯離子濃度和暴露于海水前的養(yǎng)護(hù)齡期的回歸關(guān)系。由表可知，在海水環(huán)境中，對于不同暴露時間下的OPC，其表面氯離子濃度與暴露于海水前的養(yǎng)護(hù)齡期均符合對數(shù)關(guān)系式:

Cs=Aln(T)+B

(1)

其中，Cs是混凝土表面氯離子濃度(%)，T是混凝土暴露于海水前的養(yǎng)護(hù)齡期(d)，A和B是擬合參數(shù)。

表5 OPC的表面氯離子濃度和暴露于海水前的養(yǎng)護(hù)齡期的回歸關(guān)系

2.1.2與暴露時間的關(guān)系

圖2是海水暴露時間對養(yǎng)護(hù)齡期7～180 d的OPC的表面氯離子濃度的影響。結(jié)果表明，隨著暴露時間的延長，混凝土在海水環(huán)境中的表面氯離子濃度逐漸增大。

圖2 暴露時間對海水環(huán)境中OPC表面氯離子濃度的影響

表6是OPC的表面氯離子濃度和暴露時間的回歸關(guān)系。結(jié)果表明，對于不同養(yǎng)護(hù)齡期下的OPC，其表面氯離子濃度與暴露時間均符合乘冪函數(shù)關(guān)系式：

Cs=C(T′)D

(2)

其中，T′是混凝土的暴露時間(d)，C和D是擬合參數(shù)。OPC的擬合參數(shù)C隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長而減小，而D則隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長而增大。

表6 OPC的表面氯離子濃度和暴露時間的回歸關(guān)系

2.2 FAC的表面氯離子濃度

2.2.1暴露于海水前的養(yǎng)護(hù)齡期的影響

圖3是暴露于海水前的養(yǎng)護(hù)齡期對海水暴露時間7～365 d的FAC(F2)的表面氯離子濃度的影響。結(jié)果表明，隨著暴露于海水前的養(yǎng)護(hù)齡期的延長，不同暴露時間下FAC的表面氯離子濃度均減小，尤其在養(yǎng)護(hù)初期，F(xiàn)AC的表面氯離子濃度有大幅度降低。這與OPC的規(guī)律相同。

圖3 暴露于海水前的養(yǎng)護(hù)齡期對海水環(huán)境中FAC表面氯離子濃度的影響

表7是FAC(F2)的表面氯離子濃度和暴露于海水前的養(yǎng)護(hù)齡期的回歸關(guān)系。可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)AC的表面氯離子濃度與暴露于海水前的養(yǎng)護(hù)齡期呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系，符合公式(1)，這與OPC的規(guī)律是一致的。

表7 FAC(F2)的表面氯離子濃度和暴露于海水前的養(yǎng)護(hù)齡期的回歸關(guān)系

2.2.2與暴露時間關(guān)系

圖4是暴露時間對海水環(huán)境中FAC(F3)的表面氯離子濃度的影響。結(jié)果表明，在海水暴露環(huán)境中，不同養(yǎng)護(hù)齡期FAC的表面氯離子濃度均隨著暴露時間的延長而增加。這與OPC的結(jié)論是一致。

圖4 暴露時間對海水環(huán)境中FAC表面氯離子濃度的影響

表8是FAC(F3)的表面氯離子濃度和暴露時間的回歸關(guān)系。結(jié)果表明，對于不同養(yǎng)護(hù)齡期下的FAC，其表面氯離子濃度與暴露時間均符合乘冪函數(shù)關(guān)系，符合公式(2)。

表8 FAC(F3)的表面氯離子濃度和暴露時間的回歸關(guān)系

2.2.3FA摻量的影響

圖5是FA摻量對海水環(huán)境中FAC(養(yǎng)護(hù)28d)的表面氯離子濃度的影響。由圖可知，不同暴露時間下，由于混凝土中的FA發(fā)揮火山灰效應(yīng)，提高了混凝土的密實度[9]，降低了氯離子對混凝土的擴(kuò)散滲透的速度，導(dǎo)致 FAC的表面氯離子濃度基本上隨著FA摻量的增加不斷減小。因此，在實際海洋環(huán)境中，在保證結(jié)構(gòu)強度的前提下應(yīng)盡量提高FA的摻量，通過減小表面氯離子濃度而達(dá)到延長結(jié)構(gòu)服役壽命的目的。

圖5 FA摻量對海水環(huán)境中FAC表面氯離子濃度的影響

表9是海水環(huán)境中FAC(養(yǎng)護(hù)28 d)的表面氯離子濃度與FA摻量的回歸關(guān)系。結(jié)果表明，F(xiàn)AC的表面氯離子濃度與FA摻量的回歸關(guān)系式符合二次多項式關(guān)系：

Cs=E(mfa/mb)2+F(mfa/mb)+G

(3)

其中，mfa/mb是FA摻量，E、F和G是擬合參數(shù)。

表9 FAC的表面氯離子濃度和FA摻量的回歸關(guān)系

3 結(jié) 論

(1)在海水暴露環(huán)境中，隨著暴露于海水前的養(yǎng)護(hù)齡期的延長，OPC和FAC更加密實，其表面氯離子濃度不斷減小，尤其在混凝土的養(yǎng)護(hù)初期,混凝土的表面氯離子濃度降低速度很快，兩者符合對數(shù)關(guān)系：Cs=Aln(T)+B。

(2)在海水暴露環(huán)境中，隨著暴露時間的延長，氯離子有足夠的時間侵入混凝土，使得OPC和FAC表面氯離子濃度不斷地增加?；炷恋谋砻媛入x子濃度與暴露時間符合乘冪函數(shù)關(guān)系式:Cs=C(T′)D。

(3)在海水暴露環(huán)境中，F(xiàn)AC的表面氯離子濃度基本上隨著FA摻量的增加不斷減小，這與FA發(fā)揮火山灰效應(yīng)提高了混凝土的密實度有直接的關(guān)系。

(4)因此，對于實際海洋環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)該延長潮濕養(yǎng)護(hù)的時間[10]，在保證結(jié)構(gòu)強度的前提下應(yīng)盡量增加FA的摻量，通過減小表面氯離子濃度而達(dá)到延長結(jié)構(gòu)服役壽命的目的。

[1]洪定海. 混凝土中鋼筋的腐蝕與保護(hù)[M]. 北京: 中國鐵道出版社, 1998.

[2]盧 木. 混凝土耐久性研究現(xiàn)狀和研究方向[J]. 工業(yè)建筑, 1997, 27(5): 1-6.

[3]王勝年, 黃君哲, 張舉連, 等. 華南海港碼頭混凝土腐蝕情況的調(diào)查與結(jié)構(gòu)耐久性分析[J]. 水運工程, 2000，(6): 8-12.

[4]金偉良, 趙羽習(xí). 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性[M]. 北京: 科技出版社, 2002.

[5]Mejlbro L. The complete solution of Fick′s second law of diffusion with time-dependent diffusion coefficient and surface concentration[C]//Durability of concrete in saline environment, Cement AB, Danderyd, 1996: 127-158.

[6]中華人民共和國交通部標(biāo)準(zhǔn), 水運工程混凝土試驗規(guī)程[S]. 北京: 人民交通出版社, 1988.

[7]林寶玉, 單國良. 南方海港浪濺區(qū)鋼筋混凝土耐久性研究[J]. 水運工程, 1998, (1): 1-5.

[8]林寶玉, 吳紹章. 混凝土工程新材料設(shè)計與施工[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 1998.

[9]高仁輝, 秦鴻根, 魏程寒. 粉煤灰對硬化漿體表面氯離子濃度的影響[J]. 建筑材料學(xué)報, 2008, 11(4): 420-424.

[10]HU Die, MA Haiyan, YU Hongfa, et al. Influence of mineral admixtures on chloride binding capability[J]. Journal of the Chinese Ceramic Society, 2009, 37(1): 129-134.