閻西康 杜琳倩 丁其元

沿海環(huán)境的建筑物，由于氯離子侵蝕引起混凝土結構承載力降低的問題非常普遍[1，2]。本文利用人工鹽霧對鋼筋混凝土梁進行加速腐蝕，研究混凝土中氯離子擴散規(guī)律，對于鋼筋混凝土結構耐久性設計和評估具有重要意義。

1 試驗設計方案

1)試驗方案。本試驗模擬海邊環(huán)境下 20年時間的腐蝕狀況，共設計了 10根鋼筋混凝土梁。試驗梁設計成兩種強度，分為A，C兩個型號。試驗采用由天津濱海漢拿混凝土有限公司生產(chǎn)的商品混凝土，梁的參數(shù)及配合比見表 1。2)噴霧方案。本試驗使用河北工業(yè)大學結構實驗室的鹽霧腐蝕箱制造鹽霧環(huán)境，鹽霧的濃度確定為 5.5%，經(jīng)計算可模擬顯示環(huán)境中 20年腐蝕時間[3]。前后共 8個月 240天，每 60天為一個周期，共 4個周期。為加速腐蝕，模擬現(xiàn)實環(huán)境的干濕交替狀態(tài)，使用間斷噴霧，噴霧20min，歇息 40min，每天噴霧 8h。10根梁分為 5組。3)氯離子測定方法。利用實驗室中相關儀器，將梁 A和梁 C上、中、下3個表面按照 0mm～5mm，5mm～10mm，10mm～15mm，15mm～20mm，20mm～25mm五個深度取砂漿粉末。按照 JTJ 270-98水運工程混凝土試驗規(guī)程中相關方法滴定測量砂漿粉末取樣中游離態(tài)、結合態(tài)的氯離子含量。

表1 梁的試驗參數(shù)

2 試驗結果及分析

2.1 游離態(tài)和結合態(tài)氯離子變化規(guī)律

混凝土中氯離子存在形式有兩種，游離態(tài)和結合態(tài)。氯離子進入混凝土內(nèi)部時先以形成結合態(tài)的氯離子為主，后以形成游離態(tài)氯離子為主。對比圖 1和圖 2可知，兩種形態(tài)氯離子隨距離混凝土表面深度增加而減少，與腐蝕時間無關。結合態(tài)的氯離子隨時間增加漲幅不大，游離態(tài)氯離子卻隨腐蝕時間的增長數(shù)量有較大幅度增加。從圖 2中可看出，經(jīng)歷 4個周期腐蝕后，A梁上表面游離態(tài)氯離子含量最高約 1.2%，曲線斜率減小，表明氯離子擴散速率減慢。氯離子在混凝土中擴散主要依靠兩種作用，毛細虹吸作用和依靠梯度濃度，前者主要在混凝土不飽和情況下，距離混凝土表面 0mm～25mm范圍內(nèi)混凝土內(nèi)部基本飽和，不再依靠毛細虹吸作用，而依靠濃度梯度進行擴散。

2.2 不同水灰比條件下氯離子變化規(guī)律

本次試驗共設計了兩種水灰比，0.47的A梁和 0.41的 C梁。圖 3與圖 4是梁A上表面和梁C中表面氯離子總含量的變化圖。無論哪種水灰比的梁，隨深度增加氯離子數(shù)量減少，隨腐蝕時間增加氯離子數(shù)量增加，與 Fick第二擴散定律中線性擴散假設相符。從圖 3與圖 4中可看出，A梁的氯離子總含量最高約 1.4%，C梁的氯離子總含量最高約 1.2%，兩者相差約 0.2%，造成此種差異是由于兩者水灰比不同，但試驗結束時無法測得氯離子數(shù)量上限。圖 5與圖 6將不同水灰比條件下氯離子擴散總量進行對比，從圖 5與圖 6中可看出，氯離子擴散數(shù)減小水灰比不但減少氯離子擴散數(shù)量，也減緩了擴散速率。以 10mm～15mm為分界線，隨深度增加擴散速率減緩趨勢明顯。

2.3 氯離子在混凝土中的擴散深度

通過對不同位置，腐蝕時間氯離子數(shù)據(jù)整理。利用線性插值方法整理得到不同腐蝕時間下氯離子在混凝土中擴散最大深度，見表 2。

表2 氯離子擴散深度 mm

從表 2中可以看到氯離子能夠達到的最大深度為 37mm，已經(jīng)遠遠超出保護層厚度。在第 2個腐蝕周期的時候，梁 A下表面的腐蝕深度已達到24.5mm，本次試驗模擬海邊大氣環(huán)境中 20年時間腐蝕，意味著在現(xiàn)實海邊大氣環(huán)境中大約 10年的時間，氯離子就穿透保護層厚度，對處于底部的縱筋進行全面腐蝕。這說明氯離子對于建筑物的危害不但巨大而且非常迅速。

3 混凝土中氯離子擴散系數(shù)研究

現(xiàn)有條件下對鹽霧環(huán)境下的擴散模型研究，主要是對Fick第二定律中的擴散系數(shù) D進行修正。結合本次試驗得到的試驗數(shù)值，按照下式計算氯離子在鹽霧環(huán)境中混凝土的擴散系數(shù) Dcl::

表3 氯離子擴散系數(shù)計算表

本次試驗利用相關課題總結出的計算模型，計算在本次試驗條件下的氯離子擴散系數(shù)，從表 3計算結果可看出，上表面氯離子擴散系數(shù)要大于下表面。計算得出 C20氯離子的擴散系數(shù)為11mm2/年，C25氯離子的擴散系數(shù)為 6mm2/年左右。由于各方面條件限制，及采集數(shù)據(jù)時某些無法避免的偶然誤差，最后計算得出的氯離子系數(shù)并不完全準確，還需要進行大量試驗，采集更多數(shù)據(jù)進一步修正。

4 結語

本試驗通過模擬海邊大氣環(huán)境下 20年氯離子腐蝕環(huán)境，得到以下結論:1)被氯離子腐蝕的混凝土，其內(nèi)部氯離子的含量是由外向內(nèi)近似線性減少，基本符合著名的Fick第二擴散定律的線性假設。2)試驗證明氯離子的擴散深度與腐蝕時間存在著正比的關系，其隨著腐蝕時間的增長而增長。經(jīng)歷 4個周期腐蝕后，C20的 A梁中氯離子最大含量為 1.4%，C25的 C梁中為 1.2%。但無法確定氯離子進入混凝土上限數(shù)值，需進一步研究。3)混凝土的水灰比對氯離子在混凝土中擴散具有重要影響。試驗證明，混凝土水灰比越小，擴散進入混凝土內(nèi)部的氯離子總量就越少。減小水灰比不但可減小擴散數(shù)量也可減小擴散速率。4)通過氯離子擴散深度圖可以發(fā)現(xiàn)，氯離子擴散深度具有階段性，越變階段與滲透深度發(fā)展階段，越變階段時間較短，滲透發(fā)展階段時間較長。5)通過本次試驗計算得出 C20氯離子的擴散系數(shù)為11mm2/年，C25氯離子的擴散系數(shù)為 6mm2/年左右。

[1] Meiraa G R，Andradeb M C.Measurements and modelling of marine salt transportation and deposition in a tropical egion in Brazil[J].Atmospheric Environment，2006(40):5596-5607.

[2] Song Ha-won，Lee Chang-hong，Ann Ki-yong.Factors influencing chloride transport in concrete structures exposed to marine environments[J].Cement and Concrete Composites，2008(30):113-121.

[3] 游勁秋，胥瑞芳，孟祥森.近海大氣環(huán)境下的鋼筋混凝土保護技術研究[J].浙江建筑，2005(10):81-87.

[4] 閻西康.鹽腐蝕鋼筋混凝土構件力學性能試驗研究[D].天津:天津大學博士論文，2005.